一种基于残差生成器的最优陀螺组合选取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于残差生成器的最优陀螺组合选取方法，其步骤如下：一、将备选三正一斜陀螺组件中的四个陀螺仪表划分成四组陀螺组合；二、根据备选陀螺组件的安装矩阵，分别利用四组陀螺组合的测量值解算出卫星三轴角速度，得到四组卫星三轴角速度；三、将星敏感器提供的三轴姿态分别与四组陀螺组合解算出的卫星三轴角速度构造残差生成器，共计得到四组姿态残差；四、求取每组姿态残差的评价函数，之后将四组评价函数按照数值大小排序，最小的那组即为最优陀螺组合。本发明专利技术实现了在轨实时动态选择性能最优的陀螺组合，有效地利用了星上陀螺组件的冗余，可以为姿态控制系统提供更高精度的角速度信息，并且对于陀螺故障具有一定的容错能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于卫星姿态确定
，涉及一种陀螺仪表在线优选的方法，尤其是 涉及一种在备选陀螺组件存在硬件冗余时选取性能最好的三个陀螺参与角速度解算的方 法。
技术介绍
陀螺用于敏感卫星的惯性角速度，是卫星姿态确定系统中主要的惯性测量部件。 鉴于其重要性，卫星上通常会采用冗余配置。目前常用的高精度陀螺为光纤陀螺组件以及 半球谐振陀螺组件，这两类陀螺组件均采用了三正一斜的冗余构型，即使用四个表头敏感 三轴惯性角速度信息。由于三正一斜陀螺组件的四个陀螺仪表之间存在解析冗余，因此选 用其中的三个即可确定出卫星三轴角速度。理想情况下，选用四个陀螺中的任意三个即可 解算出相同的卫星三轴角速度，但由于陀螺仪表存在常值漂移、随机游走等误差，因此每个 陀螺仪表的测量值与真值均存在不同程度的偏差。为了达到高精度姿态确定的目的，需要 选出偏差相对较小的三个陀螺用于卫星三轴角速度解算。 根据国内外已发表的相关文献可知，目前对于三正一斜构型的陀螺组件解算卫星 三轴角速度方法有：使用最小二乘算法使四个陀螺仪表均参与解算；根据地面测试结果选 取固定的三个陀螺仪表参与解算。这些方法均存在一定的局限，比如四个陀螺仪表均参与 解算的方法，虽然充分利用了所有的测量信息，但是由于四个陀螺仪表存在着性能差异，所 以该方案容易使解算出的卫星三轴角速度精度偏低；另一种方案中，虽然根据地面的测试 结果选择出了性能最优的三个陀螺，但空间环境与地面的不同以及在发射入轨阶段卫星的 震动等因素会使得陀螺性能发生变化，因此地面的测试结果不能代表在轨时的实际性能。
技术实现思路
为了解决现有陀螺组件存在冗余时无法实时选取性能最优的陀螺仪表参与解算 卫星三轴角速度的问题，本专利技术提供了，通 过构造一组残差生成器的方法实现了在轨实时动态选择性能最优的陀螺组合，有效地利用 了星上陀螺组件的冗余，可以为姿态控制系统提供更高精度的角速度信息，并且对于陀螺 故障具有一定的容错能力。 本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的： -种基于残差生成器的最优陀螺组合选取方法，包括如下步骤： -、将备选三正一斜陀螺组件中的四个陀螺仪表划分成四组陀螺组合，每组含有 三个不同的陀螺； 二、根据备选陀螺组件的安装矩阵，分别利用四组陀螺组合的测量值解算出卫星 三轴角速度，得到四组卫星三轴角速度； 三、将星敏感器提供的三轴姿态分别与四组陀螺组合解算出的卫星三轴角速度构 造残差生成器，共计得到四组姿态残差； 四、求取每组姿态残差的评价函数，之后将四组评价函数按照数值大小排序，最小 的那组即为最优陀螺组合。 本专利技术与现有技术相比，其优点和有益效果如下： (1)在轨实时动态选择，排除掉性能较差或者故障的陀螺，为姿态确定系统提供了 高精度角速度信息； (2)星敏感器为卫星姿轨控系统标配的测量部件，测量精度通常高于陀螺至少一 个数量级，因此本方法工程可实现且不增加额外成本； (3)星敏感器与陀螺构造残差生成器的算法简单，星载软件容易实现，可靠性高。【附图说明】 图1为三正一斜构型陀螺组件的四个陀螺布局图。【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本 专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖 在本专利技术的保护范围中。 本专利技术提供了，具体实施步骤如 下： -、将四个陀螺组件划分成四组备选陀螺组合： 如图1所示，0nXJnZn为三正一斜构型陀螺组件的仪表坐标系，该陀螺组件共有四 个陀螺，分别标记为陀螺1、陀螺2、陀螺3、陀螺4,其中陀螺1、陀螺2、陀螺3的测量方向分 别与仪表坐标系的〇nXn轴、〇nYn轴、〇nZn轴平行，陀螺4的测量方向与仪表坐标系的0nXn轴、 〇Λ轴、〇Λ轴的夹角分别为ai、α2、α3，三个夹角均不为〇。 二、解算出四组卫星三轴角速度： 设备选陀螺组件仪表坐标系下三轴角速度分别为ωχη、coyn、ωζη，备选陀螺组件的 四个陀螺测量输出分别为ω1Νω2、ω3、ω4，则这四组陀螺组合解算出的仪表坐标系下的三 轴角速度ωη1、ωη2、ωη3、ωη4分别为： 设备选陀螺组件仪表坐标系到卫星本体坐标系的转换矩阵为A，则ωη1、ωη2、ωη3、 ωη4投影至卫星本体坐标系下的三轴角速度ωbl、《b2、《b3、ωΜ分别为： 〇bi=A·ωni(i= 1，2, 3, 4) 〇 根据以上步骤得到了四组卫星三轴角速度。 三、构造残差生成器，得到四组姿态残差： 残差生成器的具体类型不受限制，可以根据实际情况选取适当的滤波器/观测 器。这里，我们选取常用的扩展卡尔曼滤波方法设计残差生成器。 根据上述陀螺组合解算出的卫星三轴角速度cob可表示如下： ωΒ=ω+b+vg〇 上式中，b、vg*别为陀螺的漂移与白噪声，ω为真实的卫星三轴角速度D 定义误差四元数为星敏感器测量值q与估计四元数#之间的差值Aq，则有： q=q?Aq 因为Aq为小量，约等于\经过公式转换后，可得： 上式中，ΛQq为Δq的矢量部分，Δb为陀螺漂移的估计误差，心s 取状态变量为X= T，则可得扩展卡尔曼滤波器的状态方程与观测方 程为： Δz= x 上式中，I3X3为3维的单位矩阵。上述扩展卡尔曼滤波器即可以作为残差生成器， Az=AQq即为姿态残差。 分别将四组卫星三轴角速度与星敏感器的测量值构造残差生成器，可以得到四个 姿态残差，分另ll为Δζ!、Δζ2、Δζ3、Δζ4〇 四、确定每组姿态残差的评价函数，选出最优的陀螺组合： 评价函数r采用2-范数的形式，则： | |Δz; | |(i= 1，2, 3, 4) 〇 将1'1、1'2、1'3、1' 4按照大小排序。若1'1最小，则陀螺组合1为最优陀螺组合；若1'2最 小，则陀螺组合2为最优陀螺组合；若r3最小，则陀螺组合3为最优陀螺组合；若r4最小， 则陀螺组合4为最优陀螺组合。【主权项】1. ，其特征在于所述方法步骤如下： 一、 将备选三正一斜陀螺组件中的四个陀螺仪表划分成四组陀螺组合，每组含有三个 不同的陀螺； 二、根据备选陀螺组件的安装矩阵，分别利用四组陀螺组合的测量值解算出卫星三轴 角速度，得到四组卫星三轴角速度； 三、 将星敏感器提供的三轴姿态分别与四组陀螺组合解算出的卫星三轴角速度构造残 差生成器，共计得到四组姿态残差； 四、 求取每组姿态残差的评价函数，之后将四组评价函数按照数值大小排序，最小的那 组即为最优陀螺组合。2. 根据权利要求1所述的基于残差生成器的最优陀螺组合选取方法，其特征在于所述 构造残差生成器的方法为扩展卡尔曼滤波方法。3. 根据权利要求1所述的基于残差生成器的最优陀螺组合选取方法，其特征在于所述 评价函数采用2-范数的形式。【专利摘要】本专利技术公开了，其步骤如下：一、将备选三正一斜陀螺组件中的四个陀螺仪表划分成四组陀螺组合；二、根据备选陀螺组件的安装矩阵，分别利用四组陀螺组合的测量值解算出卫星三轴角速度，得到四组卫星三轴角速度；三、将星敏感器提供的三轴姿态分别与四组陀螺组合解算出的卫星三轴角速度构造残差生成器，共计得到四组姿态残差；四、求取每组姿态残差的评价函数，之后将四组评价函数按照数值大小排序，最小的那组即为最优陀螺组合。本专利技术实现了在轨实时动态选择本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于残差生成器的最优陀螺组合选取方法，其特征在于所述方法步骤如下：一、将备选三正一斜陀螺组件中的四个陀螺仪表划分成四组陀螺组合，每组含有三个不同的陀螺；二、根据备选陀螺组件的安装矩阵，分别利用四组陀螺组合的测量值解算出卫星三轴角速度，得到四组卫星三轴角速度；三、将星敏感器提供的三轴姿态分别与四组陀螺组合解算出的卫星三轴角速度构造残差生成器，共计得到四组姿态残差；四、求取每组姿态残差的评价函数，之后将四组评价函数按照数值大小排序，最小的那组即为最优陀螺组合。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李利亮，王振华，沈毅，汤文涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23