本发明专利技术公开一种基于宽频测量的卫星高精度姿态确定方法及系统，包括：完成对陀螺、星敏感器、角位移传感器的输出采样，并对采样得到的陀螺数据进行预处理，消除陀螺输出的高频噪声；对陀螺数据进行低通滤波，依上一拍惯性测量组件的估计值，递推当前陀螺预估姿态信息；计算当前拍惯性测量组件的姿态估计值；得到惯性测量组件的姿态估计值后，解算出姿态校正信号；得到姿态校正信号后，结合角位移传感器的测量值，解算出姿态矩阵，进而解算出姿态角。同时公开一种用于实现上述方法的系统。本发明专利技术突破了惯性姿态测量系统的局限，使得卫星姿态测量的带宽得到提高；通过多敏感器信息融合方法，提高了姿态确定系统的精度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及卫星宽频高精度姿态确定技术，具体地，涉及一种基于宽频测量的卫 星高精度姿态确定方法。
技术介绍
为保证在轨卫星的精确控制性能，需要利用多种敏感器完成卫星本体相对姿态基 准的高精度测量，以保证姿态确定的性能，最终将姿态确定的结果输出，为控制量的生成提 供基础。为实现相关功能，星载计算机需要进行姿态测量敏感器的输出采样、多源信息融合 算法等操作。 目前国内在轨运行的高精度三轴稳定卫星中，一般均采用陀螺和星敏感器组成的 高精度姿态测量系统，通过卫星的运动学规律建立状态方程，将陀螺和星敏感器的输出通 过一定的信息融合算法，获取卫星的姿态信息。受惯性敏感器响应带宽的局限，当高频姿态 扰动不可忽略时，需要利用具有高带宽响应特性的姿态测量敏感器提供姿态信息。 此外，国内一种具有高通特性的姿态敏感器件角位移传感器的成功研制，弥补了 惯性测量单元带宽不足的缺陷，使得高带宽姿态信息测量成为现实，但其缺点是对低频信 号复现能力差。 随着三轴稳定卫星控制精度要求的不断提高，需要在设计阶段确定卫星稳态运行 的姿态测量方法，研究一种基于多敏感器信息融合理论的宽频姿态确定方法。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的缺陷，本专利技术提供一种基于宽频测量的卫星高精度姿 态确定方法，通过增加一种能敏感高频姿态信息的敏感器，能够在传统惯性姿态测量系统 的基础上，实现500Hz以下的姿态信息测量，通过信息融合方法，提高三轴稳定卫星姿态确 定的精度。 为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下： -种基于宽频测量的卫星高精度姿态确定方法，包括如下步骤： 卫星在稳态模式下，完成对陀螺、星敏感器、角位移传感器的输出采样，并对采样 得到的陀螺数据扣除常值漂移； 对陀螺数据进行低通滤波，消除陀螺输出的测量噪声，陀螺数据处理完成后，利用 卫星的姿态运动学方程，结合上一拍惯性测量组件估计的姿态，递推当前陀螺预估姿态信 息； 计算当前拍惯性测量组件的姿态估计值； 得到惯性测量组件的姿态估计值后，解算出姿态校正信号； 得到姿态校正信号后，结合角位移传感器的测量值，解算出姿态矩阵，进而解算出 姿态角。 以姿态偏差四元数和陀螺的常值漂移增量作为状态量，求星敏感器输出与陀螺递 推出的姿态偏差，以此偏差为测量值；根据姿态偏差的传递规律，预测状态量的预测值；此 后，根据陀螺、星敏感器的测量模型，计算当前拍惯性测量组件的姿态估计值。 将惯性测量组件的姿态估计值与姿态确定系统的姿态输出值求偏差，将此偏差信 号依次通过低通滤波器、控制器，产生姿态校正信号； 以姿态校正信号和角位移传感器的测量值为输入，解算出姿态矩阵，进而解算出 姿态角。 本专利技术采用的方法与现有技术相比，其优点和有益效果是： 通过一种基于宽频测量的卫星高精度姿态确定方法，突破了惯性姿态测量系统的 局限，使得卫星姿态测量的带宽得到提高；通过多敏感器信息融合方法，提高了姿态确定系 统的精度。 本专利技术方法尤其适用于超稳对地遥感及超静惯性空间稳定指向任务中，在传统惯 性姿态测量系统的基础上，增加一种高精度的角位移传感器，完成对高频姿态信息的测量， 以实现航天器的高精度高稳定度控制。【附图说明】 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、 目的和优点将会变得更明显： 图1为本专利技术的数据流向及计算流程图； 图2为陀螺数据处理及陀螺预估姿态计算流程； 图3为惯性姿态测量系统姿态计算流程； 图4为低频校正信号计算流程； 图5为宽频姿态信息估计流程。 附图变量定义： qt;:陀螺估计姿态四元数； qs:星敏感器输出姿态四元数； b:陀螺常值漂移； q :惯性测量组件估计姿态四元数； Θ 惯性测量组件估计欧拉角； Θ Cn:姿态校正信号； Θ :宽频姿态估计欧拉角。【具体实施方式】 下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术 的保护范围。 如图1所示，为本专利技术采用的具体步骤，当卫星处于稳态时，在每个运算周期内， 首先对陀螺、星敏感器和角位移传感器的输出采样，然后对陀螺的数据进行预处理，消除陀 螺输出的高频噪声，将处理后的陀螺测量角速度积分得到陀螺预估的姿态四元数信息；之 后计算星敏感器输出与陀螺预估姿态的偏差四元数，结合一步预测的偏差四元数及基于陀 螺和星敏感器测量模型计算的增益值，计算得到低频姿态的最优估计值；再然后将当前得 到的低频最优估计信号与上一步宽频姿态最优估计值之间的差值依次进行处理，得到具有 低频特性的宽频姿态校正信号，结合角位移传感器输出的高频姿态信息，解算出姿态矩阵； 最后根据姿态矩阵，解算出宽频姿态角。 如图2所示，采集的陀螺数据序列X1 (η)，扣除陀螺漂移b后，得到的序列为X1 (η)， 经过滤波后输出的序列为Yn，滤波递推方程为： \: (/?) =二(X ('?) -Υ.-I.).) + Kw-.l). T 式中T取0· 2，τ取〇· l，n = 1, 2,…，i = X, y, z。此后由Yi (η)，计算陀螺预估姿 态(n) (j = 〇, 1，2, 3)，计算方程如下： 如图3所示，星敏感器的输出序列记Sqs，k(n)，（k= 1，2,3)，定义姿态偏差四元数 为 Aqek (n) (k = 0, 1，2, 3)，偏差四元数的观测值 Z1(Ii), (1 = 1，2, 3): Z1(U)二 qs'k{n)? q-Ii(Ji) 用下式递推Δ qe，k (η)的矢量部分及陀螺的常值漂移增量： 陀螺常值漂移修正方程： CN 105180946 A 说明书 4/5 页 将姿态四元数按312顺序转换成姿态角，有： 如图4所示，惯性姿态测量系统的估计值与上一拍宽频姿态信息的估计值求偏 差，记为八0]?，其中111 = }(、丫、2，11=1，2,3，~，则校正信号用下式估计： 0Cm(n) = 0.5662Δ Θ m (n-l)+0. 09154 Δ Θ m(n-2)-〇. 1261 Δ θ m (η-3)-〇. 02205 Δ θ " (η-4) +3. 39 θ Cm (η-1) -4· 336 θ Cm (η-2) +2. 479 θ Cm (η-3) 式中i的意义同前，递推时η = 5, 6, 7,…，递推前时刻需赋值的量均固定赋0. 1， 递推一定时间会收敛。 如图5所示，当前时刻的姿态矩阵记为Ca，角位移传感器的输出记为Θ Hm(η)，其中 m的意义和同前。Ca的形式为： 则姿态矩阵的计算方程如下所示： Caii (n) = Caii (n-l) + CA21 (n_l) X ( θ ΗΖ (η) - θ HZ (n_l) + Θ cz (η) - Θ cz (n_l)) +CA31 (n_l) X ( θ ΗΥ (η) - θ ΗΥ (η- 1) + θ a (η) - θ CY (η_1)) CA12 (η) = Cai2 (η-1) + Ca22 (η_1) X ( θ ΗΖ (η) - θ ΗΖ (η_1) + θ cz (η) - θ本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于宽频测量的卫星高精度姿态确定方法，其特征在于，包括如下步骤：完成对陀螺、星敏感器、角位移传感器的输出采样，并对采样得到的陀螺数据进行预处理，消除陀螺输出的高频噪声；对陀螺数据进行低通滤波，依上一拍惯性测量组件的估计值，递推当前陀螺预估姿态信息；计算当前拍惯性测量组件的姿态估计值；得到惯性测量组件的姿态估计值后，解算出姿态校正信号；得到姿态校正信号后，结合角位移传感器的测量值，解算出姿态矩阵，进而解算出姿态角。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：肖东东，朱庆华，祖立业，顾玥，操宏磊，
申请(专利权)人：上海新跃仪表厂，
类型：发明
国别省市：上海;31
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