星敏感器修正条件下基于测距信息的卫星编队位置解算方法技术

本发明专利技术公开了星敏感器修正条件下基于测距信息的卫星编队位置解算方法：在主星本体上设置标定点，在从星上设置特征点；求解从星特征点在主星体坐标系下的坐标、从星质心到主星质心的相对位置信息、主星体坐标系下从星质心相对于主星质心的位置与速度的广义向量及其一阶导数，进入卡尔曼滤波算法，输出最终卫星编队相对位置解算结果。本发明专利技术星敏感器修正条件下基于测距信息的卫星编队位置解算方法以激光测距与姿态测量为输入，基于直接解算算法与相对运动学方程，搭建状态估计方程，利用卡尔曼滤波算法给出卫星编队的相对位置解算结果，实现了卫星编队高精度的星间相对导航结果。果。果。

【技术实现步骤摘要】
星敏感器修正条件下基于测距信息的卫星编队位置解算方法


[0001]本专利技术属于卫星编队
，特别是涉及星敏感器修正条件下基于测距信息的卫星编队位置解算方法。

技术介绍

[0002]卫星编队技术在未来的航天领域起着重要作用，而卫星编队的相对位置确定则是编队构型保持的关键保障。当前使用的多为视觉导航方法，但该方法在距离较远时会受到影响导致成像精度的下降，同时视觉成像在光轴方向的距离误差较大，这些都使得视觉方法在卫星编队相对位置确定过程中受到限制。相比较于视觉测量，微波测距、激光测距等测量方式具有高精度的特点，但其缺点是通常测距只能够测量一个维度的信息，而卫星编队相对位置确定需要三个维度的信息。因此，亟待一种对弱观测性问题进行校正的卫星编队位置解算方法。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了星敏感器修正条件下基于测距信息的卫星编队位置解算方法，以激光测距与姿态测量(通常是星敏感器)为输入，基于直接解算算法与相对运动学方程，搭建状态估计方程，利用卡尔曼滤波算法给出卫星编队的相对位置解算结果，实现了卫星编队高精度的星间相对导航结果，解决了卫星编队的高精度相对位置确定问题。
[0004]本专利技术所采用的技术方案是，星敏感器修正条件下基于测距信息的卫星编队位置解算方法，具体包括以下步骤：
[0005]步骤1，以主星本体坐标系为参考系，在主星本体上设置至少三个坐标已知的主星标定点，在从星上设置至少一个从星特征点，同时测量从星特征点到各主星标定点之间的距离；
[0006]步骤2，根据各主星标定点在主星体坐标系下的已知坐标，以及从星特征点到各主星标定点之间的距离，求解从星特征点在主星体坐标系下的坐标；
[0007]步骤3，根据求解出的从星特征点在主星体坐标系下的坐标，以及已知的从星特征点在从星体坐标系下的安装向量，求解从星质心到主星质心的相对位置信息；
[0008]步骤4，求取主星体坐标系下从星质心相对于主星质心的位置与速度的广义向量以及其一阶导数；
[0009]步骤5，根据步骤3求解的从星质心到主星质心的相对位置信息，以及步骤4求取的主星体坐标系下从星质心相对于主星质心的位置与速度的广义向量以及其一阶导数，进入卡尔曼滤波算法，输出最终卫星编队相对位置解算结果。
[0010]进一步地，步骤1中，主星本体上搭载三个探测器接收端，作为三个主星标定点P1、P2、P3，其坐标分别为P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)、P3(x3,y3,z3)；从星搭载一个探测器发射端，作为一个从星特征点Q，从星特征点Q在主星体坐标系下的坐标为Q(x
Q
,y
Q
,z
Q
)；由探测器测
量得到P1Q、P2Q、P3Q三个距离信息，分别为d1、d2、d3。
[0011]进一步地，步骤2中，求解从星特征点在主星体坐标系下的坐标的方法，具体包括以下步骤：
[0012]定义广义待求解变量X
Q
＝[x
Q y
Q z
Q
]T
；X
Q
表示从星特征点Q在主星体坐标系下的坐标的解；
[0013]任选从星特征点Q在主星体坐标系下的坐标初值
[0014]将X
Q
代入从星特征点在主星体坐标系下坐标的解算函数F(X
Q
)中，如下式所示：
[0015][0016]进行i+1次迭代，将第i次迭代的求解结果代入下式：
[0017][0018]式中，表示第i+1次迭代的求解结果，i表示迭代次数；表示将代入F(X
Q
)得到的结果；A
i
等效表示对F(X
Q
)求取X
Q
的一阶导数的雅克比矩阵，其计算如下式所示：
[0019][0020]经多次迭代后，得到从星特征点Q在主星体坐标系下的坐标的解X
Q
。
[0021]进一步地，步骤3中，所述从星质心到主星质心的相对位置信息的求解，如下式所示：
[0022][0023]式中，O1表示主星质心在主星体坐标系下的坐标；O2表示从星质心在主星体坐标系下的坐标；表示从星质心到主星质心的相对位置信息；表示从星特征点到主星质心的相对位置信息；表示从星特征点Q在从星体坐标系下的安装向量；C1、C2分别表示主星、从星体坐标系相对于惯性坐标系的姿态转换矩阵；矩阵算子T表示矩阵的转置。
[0024]进一步地，步骤4中，主星体坐标系下从星质心相对于主星质心的位置与速度的广义向量，如下式所示：
[0025][0026]所述主星体坐标系下从星质心相对于主星质心的位置与速度的广义向量的一阶导数，如下式所示：
[0041]步骤55，计算第k个时刻系统测量信号Z(k)：
[0042][0043]步骤56，误差方差矩阵更新：
[0044]P(k)＝(I
‑
K)P(k,k
‑
1)(I
‑
K)
T
+KRK
T
[0045]式中，P(k)表示第k个时刻误差方差矩阵值；I表示6阶的单位矩阵；
[0046]步骤57，状态更新：
[0047]X
cw
(k)＝X
cw
(k,k
‑
1)+K[Z(k)
‑
X
cw
(k,k
‑
1)][0048]式中，X
cw
(k)表示第k个时刻X
cw
的系统值；
[0049]步骤58，第k个时刻循环完成，进入第k+1个时刻，或跳出循环；
[0050]卡尔曼滤波算法进行完毕，输出最终卫星编队相对位置解算输出结果。
[0051]本专利技术实施例的有益效果是：本专利技术具体实施例以激光测距与姿态测量(通常是星敏感器)为输入，基于直接解算算法与相对运动学方程，搭建状态估计方程，利用卡尔曼滤波算法给出卫星编队的相对位置解算结果，实现了卫星编队高精度的星间相对导航结果，解决了直接解算方法中几何特性对于直接测量误差的放大效应以及弱观测性的问题，为卫星编队的在轨运行提供理论基础。
附图说明
[0052]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0053]图1是现有技术标定点解算方法测量原理示意图。
[0054]图2是现有技术标定点解算方法的误差放大效应图。
[0055]图3是本专利技术实施例主星体坐标系下从星质心坐标求解示意图。
[0056]图4是本专利技术实施例星敏感器修正条件下基于测距信息的卫星编队位置解算方法的相对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.星敏感器修正条件下基于测距信息的卫星编队位置解算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1，以主星本体坐标系为参考系，在主星本体上设置至少三个坐标已知的主星标定点，在从星上设置至少一个从星特征点，同时测量从星特征点到各主星标定点之间的距离；步骤2，根据各主星标定点在主星体坐标系下的已知坐标，以及从星特征点到各主星标定点之间的距离，求解从星特征点在主星体坐标系下的坐标；步骤3，根据求解出的从星特征点在主星体坐标系下的坐标，以及已知的从星特征点在从星体坐标系下的安装向量，求解从星质心到主星质心的相对位置信息；步骤4，求取主星体坐标系下从星质心相对于主星质心的位置与速度的广义向量以及其一阶导数；步骤5，根据步骤3求解的从星质心到主星质心的相对位置信息，以及步骤4求取的主星体坐标系下从星质心相对于主星质心的位置与速度的广义向量以及其一阶导数，进入卡尔曼滤波算法，输出最终卫星编队相对位置解算结果。2.根据权利要求1所述的星敏感器修正条件下基于测距信息的卫星编队位置解算方法，其特征在于，步骤1中，主星本体上搭载三个探测器接收端，作为三个主星标定点P1、P2、P3，其坐标分别为P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)、P3(x3,y3,z3)；从星搭载一个探测器发射端，作为一个从星特征点Q，从星特征点Q在主星体坐标系下的坐标为Q(x
Q
,y
Q
,z
Q
)；由探测器测量得到P1Q、P2Q、P3Q三个距离信息，分别为d1、d2、d3。3.根据权利要求1所述的星敏感器修正条件下基于测距信息的卫星编队位置解算方法，其特征在于，步骤2中，所述求解从星特征点在主星体坐标系下的坐标的方法，具体包括以下步骤：定义广义待求解变量X
Q
＝[x
Q y
Q z
Q
]
T
；X
Q
表示从星特征点Q在主星体坐标系下的坐标的解；任选从星特征点Q在主星体坐标系下的坐标初值将X
Q
代入从星特征点在主星体坐标系下坐标的解算函数F(X
Q
)中，如下式所示：进行i+1次迭代，将第i次迭代的求解结果代入下式：式中，表示第i+1次迭代的求解结果，i表示迭代次数；表示将代入F(X
Q
)得到的结果；A
i
等效表示对F(X
Q
)求取X
Q
的一阶导数的雅克比矩阵，其计算如下式所示：
经多次迭代后，得到从星特征点Q在主星体坐标系下的坐标的解X
Q
。4.根据权利要求1所述的星敏感器修正条件下基于测距信息的卫星编队位置解算方法，其特征在于，步骤3中，所述从星质心到主星质心的相对位置信息的求解，如下式所示：式中，O1表示主星质心在主星体坐标系下的坐标；O2表示从星质心在主星体坐标系下的坐标；表示从星质心到主星质心的相对位置信息；表示从星特征点到主星质心的相对位置信息；表示从星特征点Q在从星体坐标系下的安装向量；C1、C2分别表示主星、从星体坐标系相对于惯性坐标系的姿态转换矩阵；矩阵算子T表示矩阵的转置。5.根据权利要求1所述的星敏感器修正条件下基于测距信息的卫星编队位置解算方法，其特征在于，步骤4中，所述主星体坐标系下从星质心相对于主星质心的位置与速度的广义向量，如下式所示：所述主星体坐标系下从星质心相对于主星质心的位置与速度的广...

【专利技术属性】
技术研发人员：李由，崔家山，张越，姚舒越，史梦芯，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：