基于双超平台的姿态测量方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于双超平台的姿态测量方法及系统，包括：将运动学特性引入姿态测量模型，利用双超平台进行准静态姿态测量，获取星敏感器的测量数据；基于被测对象的运动学特性，采用平滑滤波方法对星敏感器的测量数据进行动态测量误差修正；结合双超平台的动态特性，对星敏感器的测量数据按泰勒公式展开式求解，反演平滑滤波后姿态变化曲线，并进行分段多项式插值，获取全时空内的高精度测量结果。本发明专利技术适用于“高精高稳”的双超平台，不依赖高性能的陀螺，仅靠星敏感器即可实现高精度姿态测量。

Attitude Measurement Method and System Based on Double Superplatform

The invention provides an attitude measurement method and system based on double super-platforms, which includes: introducing kinematics characteristics into attitude measurement model, using double super-platforms for quasi-static attitude measurement, acquiring measurement data of star sensor; adopting smoothing filtering method to correct dynamic measurement error of measurement data of star sensor based on kinematics characteristics of the measured object; combining double super-platforms for quasi-static attitude measurement; The dynamic characteristics of the super-platform are solved by Taylor's expansion formula for the measured data of the star sensor, the attitude change curve after smoothing filtering is inverted, and the piecewise polynomial interpolation is carried out to obtain the high-precision measurement results in the whole space-time. The invention is suitable for a \high precision, high stability\ dual super platform, and can realize high precision attitude measurement only by a star sensor, independent of a high performance gyroscope.

【技术实现步骤摘要】
基于双超平台的姿态测量方法及系统
本专利技术涉及姿态运动学领域，具体地，涉及基于双超平台的高精度姿态测量方法及系统。
技术介绍
随着卫星领域的不断发展，当前卫星领域已逐步从定性的功能化要求转变成高精度的定量化应用。姿态测量精度是代表卫星综合性能的重要指标之一，直接决定了卫星的定量化应用水平。为了满足量测、气象、国防等各个领域对空间科学日益增长的技术要求，需要开展卫星高精度姿态测量方法研究。卫星的姿态测量精度主要由姿态敏感器和高精度定姿算法决定。目前主要使用的姿态敏感器有陀螺、星敏感器、地球敏感器、太阳敏感器等。陀螺实时提供角速度信息，自主性强，不易受外界影响，但是陀螺存在漂移，角速度误差会随着时间不断积累；星敏感器精度最高，但造价昂贵，测量频率较低，且存在高频测量噪声。地球敏感器(如红外地平仪)和太阳敏感器(如磁强计)成本较低，视场捕捉相对容易，但精度不高，经常作为卫星初始姿态捕获或故障后安全模式下的姿态敏感器。由于姿态敏感器存在各自的优缺点，为了提高姿态测量精度，常用的方法是多姿态敏感器组合定姿。当前国内外高精度卫星主流的定姿方案是星敏感器+陀螺联合定姿。利用星敏感器的高精度修正陀螺的漂移；利用陀螺的高精度角度积分抑制星敏感器的动态测量误差。边志强、程卫强、薛孝补、于永江在《基于陀螺和星敏感器的卫星姿态确定算法》(见《航天器工程》，2011年，20卷第2期，页码29-34)一文里，介绍了一种基于陀螺和星敏感器的实时在线的扩展卡尔曼滤波算法，可实时更新更新姿态和陀螺漂移。该方法广泛应用于各类高精度卫星，但该方法受到姿态敏感器性能的制约，并依赖高精度陀螺的测量信息。传统的卫星姿态测量方法不考虑被测对象的运动学特性，其测量精度由测量敏感器和联合定姿算法决定。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于双超平台的高精度姿态测量方法及系统。根据本专利技术提供的一种基于双超平台的姿态测量方法，其特征在于，包括：准静态姿态测量步骤：将运动学特性引入姿态测量模型，利用双超平台进行准静态姿态测量，获取星敏感器的测量数据；动态测量误差抑制步骤：基于被测对象的运动学特性，采用平滑滤波方法对星敏感器的测量数据进行动态测量误差修正；分段多项式插值步骤：结合双超平台的动态特性，对星敏感器的测量数据按泰勒公式展开式求解，反演平滑滤波后姿态变化曲线，并进行分段多项式插值，获取全时空内的高精度测量结果。较佳的，所述平滑滤波方法包括移动平均滤波方法和区间多项式拟合方法。较佳的，所述移动平均滤波方法包括表达式：上式中，k为离散采样时刻，为k时刻的移动平均滤波结果，yk为k时刻的星敏感器测量结果，2N+1为总采样个数。较佳的，所述区间多项式拟合方法采用二阶多项式拟合。较佳的，所述移动平均滤波方法用于离线处理，所述区间多项式拟合方法用于在线实时处理。根据本专利技术提供的一种基于双超平台的姿态测量系统，包括：准静态姿态测量模块：将运动学特性引入姿态测量模型，利用双超平台进行准静态姿态测量，获取星敏感器的测量数据；动态测量误差抑制模块：基于被测对象的运动学特性，采用平滑滤波方法对星敏感器的测量数据进行动态测量误差修正；分段多项式插值模块：结合双超平台的动态特性，对星敏感器的测量数据按泰勒公式展开式求解，反演平滑滤波后姿态变化曲线，并进行分段多项式插值，获取全时空内的高精度测量结果。较佳的，所述平滑滤波方法包括移动平均滤波方法和区间多项式拟合方法。较佳的，所述移动平均滤波方法包括表达式：上式中，k为离散采样时刻，为k时刻的移动平均滤波结果，yk为k时刻的星敏感器测量结果，2N+1为总采样个数。较佳的，所述区间多项式拟合方法采用二阶多项式拟合。较佳的，所述移动平均滤波方法用于离线处理，所述区间多项式拟合方法用于在线实时处理。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术适用于“高精高稳”的双超平台，不依赖高性能的陀螺，仅靠星敏感器即可实现高精度姿态测量。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为本专利技术的原理图；图2为传统卫星平台与本专利技术的对比示意图。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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。如图1所示，本专利技术提供的一种基于双超平台的高精度姿态测量方法，其特征在于，包括：星敏感器等效噪声角修正步骤：利用双超平台的陀螺测量数据和卫星轨道数据修正星敏感器的等效噪声角。步骤一：采集星敏感器的原始测量数据，根据星敏感器的安装矩阵得到卫星本体相对惯性坐标系的姿态角；步骤二；根据卫星的轨道数据，获取卫星轨道坐标系与惯性坐标系的转换关系，并将卫星的惯性姿态角转至相对轨道坐标系的姿态角；步骤三：引入姿态敏感器(如星敏感器)的测量数据，结合卫星的运动学方程，通过线性最小方差估计，实时计算星敏感器的测量偏差，抑制星敏感器的等效噪声角。动态测量误差修正步骤：基于被测对象的运动学特性，对姿态动态测量误差进行修正。步骤1：结合卫星的姿态动力学方程分析卫星的姿态角速度变化趋势。卫星的动力学方程可写为：其中，为卫星的真实姿态角加速度，ω为卫星的真实姿态角速度，I为卫星的转动惯量，T为干扰力矩。由于双超平台具有“高精高稳”的特点，可以隔离高频振动，因此干扰力矩T为常值量或长周期量，且量级较小。根据上述公式，可以得出卫星的姿态角变化缓慢，为长周期变化。步骤2：基于被测对象的运动学特性，采用平滑滤波方法对星敏感器的测量数据进行动态测量误差修正。卫星姿态具备长周期、慢变的特点，因此提出一种中、长周期平滑滤波方法，提高了滤波深度，可剥离姿态测量的高频误差。平滑滤波方法主要包括移动平均滤波方法和区间多项式拟合方法。对于移动平均滤波，表达式如下：上式中，k为离散采样时刻，为k时刻的平均滤波结果，yk为k时刻的星敏感器测量结果，N为总采样个数。反演插值步骤：对修正后的数据进行反演插值，获取全时空内的测量结果。步骤1：对所有的星敏感器的测量数据按时间顺序划分成多段数据，每段数据包含5个测量数据；步骤2：对于每一段数据，将5个测量数据按上述步骤进行等效噪声角修正和动态测量误差修正；步骤3：对5个修正后的数据进行二阶多项式拟合，得到该时间区域内的卫星姿态角与时间的变化关系。通过上述方式对星敏感器数据进行分段拟合，即可获取全时空内的测量结果。在上述一种基于双超平台的高精度姿态测量方法的基础上，本专利技术还提供一种基于双超平台的高精度姿态测量系统，包括：准静态姿态测量模块：将运动学特性引入姿态测量模型，利用双超平台进行准静态姿态测量，获取星敏感器的测量数据，为星敏感器的动态测量误差抑制提供基础。传统的高精度姿态测量方法是采用星敏感器+高精度陀螺+滤波算法，其测量精度与卫星平台的运动学特性无直接关系，需要高精度的姿态敏感器来保证。本文提出的基于双超平台的姿态测量方法，结合卫星平台“高精高稳”的运动学特性，在准静态测量环境下实现测量误差补偿，可不依赖高精度陀螺的测量数据，实现高频测量噪声抑制，提高测量精度。两者的对比可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双超平台的姿态测量方法，其特征在于，包括：准静态姿态测量步骤：将运动学特性引入姿态测量模型，利用双超平台进行准静态姿态测量，获取星敏感器的测量数据；动态测量误差抑制步骤：基于被测对象的运动学特性，采用平滑滤波方法对星敏感器的测量数据进行动态测量误差修正；分段多项式插值步骤：结合双超平台的动态特性，对星敏感器的测量数据按泰勒公式展开式求解，反演平滑滤波后姿态变化曲线，并进行分段多项式插值，获取全时空内的测量结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于双超平台的姿态测量方法，其特征在于，包括：准静态姿态测量步骤：将运动学特性引入姿态测量模型，利用双超平台进行准静态姿态测量，获取星敏感器的测量数据；动态测量误差抑制步骤：基于被测对象的运动学特性，采用平滑滤波方法对星敏感器的测量数据进行动态测量误差修正；分段多项式插值步骤：结合双超平台的动态特性，对星敏感器的测量数据按泰勒公式展开式求解，反演平滑滤波后姿态变化曲线，并进行分段多项式插值，获取全时空内的测量结果。2.根据权利要求1所述的基于双超平台的姿态测量方法，其特征在于，所述平滑滤波方法包括移动平均滤波方法和区间多项式拟合方法。3.根据权利要求2所述的基于双超平台的姿态测量方法，其特征在于，所述移动平均滤波方法包括表达式：上式中，k为离散采样时刻，为k时刻的移动平均滤波结果，yk为k时刻的星敏感器测量结果，2N+1为总采样个数。4.根据权利要求2所述的基于双超平台的姿态测量方法，其特征在于，所述区间多项式拟合方法采用二阶多项式拟合。5.根据权利要求2所述的基于双超平台的姿态测量方法，其特征在于，所述移动平均滤波方法用于离线处理，所述区间多项式拟合方法用于在线实时处理。...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，周世宏，宋效正，郑京良，王田野，
申请(专利权)人：上海卫星工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31