本发明专利技术公开了一种基于LSTM的星敏感器在轨误差的建模与补偿方法，包括：地面站接收星上回传的多轨测量数据，作为样本集的输入；构建低频误差解析模型；基于星敏感器和陀螺构成的组合定姿滤波器，估计星敏感器的低频误差，作为样本集的期望输出；利用样本集的输入和期望输出对预先构建的基于LSTM网络的进行离线训练；地面站将训练好的低频误差模型上传至卫星；星上利用训练好的低频误差模型，在线估计星敏感器的低频误差；利用在线估计的低频误差对星敏感器的测量输出进行误差补偿。本发明专利技术在建模过程中综合考虑随时间和空间变化的环境因素对星敏感器测量精度的影响，能够提高模型的精度、稳定性和对干扰的适应性。稳定性和对干扰的适应性。稳定性和对干扰的适应性。
【技术实现步骤摘要】
一种基于LSTM的星敏感器在轨误差的建模与补偿方法
[0001]本专利技术涉及卫星姿态传感器测量
，更具体的说是涉及一种基于LSTM的星敏感器在轨误差的建模与补偿方法。
技术介绍
[0002]随着遥测、遥感等星载任务复杂度的提高，人们对卫星姿态确定的精度需求越来越高。提高定姿传感器测量精度是实现高精度的卫星姿态确定的最重要的方法之一。
[0003]星敏感器具有姿态测量精度高、寿命长、功耗低和工作方式灵活等特点，在航天器导航与控制系统中得到广泛应用。当采用星敏感器测量在轨运行卫星的姿态时，由于在不同时刻卫星处在不同的空间位置上，不仅使星敏感器受到交变的太阳辐射场的作用，而且导航恒星周期性地进出其视场。在这样时间和空间综合因素的影响下，在星敏感器输出中产生了低频误差，且展现出具有随时间呈多频点周期变化的特点。因此，星敏感器受到自身因素以及温度场、磁场等复杂空间环境的影响，产生以低频误差为主要成分的测量误差，影响在轨姿态测量精度。为了满足卫星遥测、遥感等应用对高精度姿态的迫切需求，必须有效补偿星敏感器的测量误差，以确保姿态精度。
[0004]目前，针对星敏感器测量误差的建模、估计和补偿方法已开展了大量研究工作，主要思路是根据低频误差等误差分量的信号特点，建立描述误差的解析模型，再采用状态扩维滤波的方法估计误差模型的参数，并确定误差分量。显然，只有建立与系统实际存在的误差相适配的模型，保证模型结构及参数的准确性，才能实现对误差项的有效估计和补偿。然而，卫星姿态系统运行环境的复杂性和不确定性为建立准确的解析模型增加了难度和复杂度，这在一定程度上限制了该类方法的应用性能。
[0005]因此，如何提供一种通过提高误差模型的精度、稳定性和对干扰的适应性，来提高星敏感器的使用精度的基于LSTM的星敏感器在轨误差的建模与补偿方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于LSTM的星敏感器在轨误差的建模与补偿方法，综合考虑环境因素随时间和空间变化而导致的低频误差对测量精度的影响，采用具有良好的时间序列建模能力和泛化能力的LSTM网络，对星敏感器在轨测量误差误差进行离线建模、在线估计和补偿，能够提高模型的精度、稳定性和对干扰的适应性，进而提高星敏感器的使用精度。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种基于LSTM的星敏感器在轨误差的建模与补偿方法，包括：
[0009]通过地面站接收星上回传的多个轨道周期的星敏感器和陀螺的测量数据以及轨道数据，生成样本集的输入；
[0010]基于解析方法构建低频误差解析模型；
[0011]基于所述低频误差解析模型，构建星敏感器和陀螺构成的组合定姿滤波器，估计星敏感器的低频误差，作为样本集的期望输出；
[0012]利用样本集的输入和期望输出对预先构建的基于LSTM网络的进行离线训练得到最终低频误差模型；
[0013]通过地面站将训练好的低频误差模型上传至卫星；
[0014]星上利用训练好的低频误差模型，在线估计星敏感器的低频误差；
[0015]利用在线估计的低频误差对星敏感器的测量输出进行误差补偿。
[0016]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术在地面站通过对星上下传的星敏感器和陀螺的大量在轨连续测量数据的离线处理，获得星敏感器随时间、空间交变的测量误差样本集。在构建训练样本集的过程中，针对星敏感器在轨测量数据中的姿态和低频误差分量的真值均未知的实际情况，在地面站采用离线处理的方式，利用陀螺提供的姿态测量信息辅助，采用星敏感器/陀螺组合定姿的数据处理方法，得到在轨低频误差在不同时间和空间下的估计值，用于生成构建基于LSTM的误差模型所需的样本集。利用样本集对长短时记忆网络(LSTM)深度网络模型进行离线训练，建立以低频误差为主要成分的星敏感器在轨姿态测量误差模型；充分利用了LSTM网络模型的非线性建模能力和泛化能力，使所建模型对由环境等不确定性因素带来的影响具有更强的适应能力。
[0017]将训练得到的基于LSTM等深度网络结构的星敏感器测量的最终低频误差模型上传至星载处理器；在星上，利用所建立的最终低频误差模型在轨估计星敏感器的低频误差，并通过对星敏感器的测量误差进行补偿来提高其在轨使用精度，为实现基于卫星高精度姿态的应用提供技术支持。在在轨应用误差模型的过程中，当处于星敏感器/陀螺组合定姿的工作状态，且星载处理器的计算能力充足时，利用陀螺提供的参考信息可以对所建的误差模型进行在线更新，以提高模型的适应能力。
[0018]总体而言，本专利技术提供的星敏感器的低频误差模型降低了对低频误差分量的频率、数目等参数的依赖性，具有对测量噪声的鲁棒性；本专利技术提供低频误差补偿方法综合考虑低频误差的时间和空间特性来实现星敏感器测量误差的建模和补偿，在应用时可以降低对陀螺测量信息的需求；
[0019]进一步的，在上述一种基于LSTM的星敏感器在轨误差的建模与补偿方法中，地面站接收到的星上回传的星敏感器和陀螺的测量数据以及轨道数据包括：当前时刻t
k
与卫星运行初始时刻t0的相对时间Δt
k
＝t
k
‑
t0、卫星轨道辐角θ
k
、星敏感器相邻两次输出的姿态四元数和以及根据陀螺测量解算得到的[t
k
‑1,t
k
]区间的姿态变化四元数
[0020]进一步的，在上述一种基于LSTM的星敏感器在轨误差的建模与补偿方法中，所述基于解析方法构建低频误差解析模型，包括：
[0021]利用下式描述星敏感器测量得到的卫星姿态Q
st
：
[0022][0023]其中，为四元数形式的卫星真实姿态；Q
λ
＝[λ0(λ
p
)
T
]T
，Q
ξ
＝[ξ0(ξ)
T
]T
，分别表示星敏感器的低频误差和随机测量误差，上标T表示向量矩阵的转置；λ0≈1，ξ0≈1，分别表示标量部分；λ
p
和ξ分别表示矢量部分；
[0024]采用傅里叶展开式对星敏感器测量的卫星姿态Q
st
中具有一定周期性的低频误差分量Q
λ
建模；令矢量部分λ
p
＝[λ
1 λ
2 λ3]T
，其中λ
i
(i＝1,2,3)具有周期性的变化特性，将其用傅里叶展开形式表示如下：
[0025][0026]其中，n表示傅里叶展开分量的序号；N表示傅里叶级数的阶数；和表示第i个分量的第n阶傅里叶级数对应的系数；Ω
n
表示第n阶傅里叶级数对应的角频率；t表示时间；
[0027]将低频误差的矢量部分用矩阵形式表示为：
[0028]λ
p
＝Φκ
[0029]其中，Φ表示由各本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于LSTM的星敏感器在轨误差的建模与补偿方法，其特征在于，包括：通过地面站接收星上回传的多个轨道周期的星敏感器和陀螺的测量数据以及轨道数据，生成样本集的输入；基于解析方法构建低频误差解析模型；基于所述低频误差解析模型，构建星敏感器和陀螺构成的组合定姿滤波器，估计星敏感器的低频误差，作为样本集的期望输出；利用样本集的输入和期望输出对预先构建的基于LSTM网络的低频误差模型进行离线训练；通过地面站将训练好的低频误差模型上传至卫星；星上利用训练好的低频误差模型，在线估计星敏感器的低频误差；利用在线估计的低频误差对星敏感器的测量输出进行误差补偿。2.根据权利要求1所述的一种基于LSTM的星敏感器在轨误差的建模与补偿方法，其特征在于，地面站接收到的星上回传的星敏感器和陀螺的测量数据以及轨道数据包括：当前时刻t
k
与卫星运行初始时刻t0的相对时间Δt
k
＝t
k
‑
t0、卫星轨道辐角θ
k
、星敏感器相邻两次输出的姿态四元数和以及根据陀螺测量解算得到的[t
k
‑1,t
k
]区间的姿态变化四元数3.根据权利要求1所述的一种基于LSTM的星敏感器在轨误差的建模与补偿方法，其特征在于，所述基于解析方法构建低频误差解析模型，包括：利用下式描述星敏感器测量得到的卫星姿态Q
st
：其中，为四元数形式的卫星真实姿态；Q
λ
＝[λ0(λ
p
)
T
]
T
，Q
ξ
＝[ξ0(ξ)
T
]
T
，分别表示星敏感器的低频误差和随机测量误差，上标T表示向量矩阵的转置；λ0≈1，ξ0≈1，分别表示标量部分；λ
p
和ξ分别表示矢量部分；采用傅里叶展开式对星敏感器测量的卫星姿态Q
st
中具有一定周期性的低频误差分量Q
λ
建模；令矢量部分λ
p
＝[λ1λ2λ3]
T
，其中λ
i
(i＝1,2,3)具有周期性的变化特性，将其用傅里叶展开形式表示如下：其中，n表示傅里叶展开分量的序号；N表示傅里叶级数的阶数；和表示第i个分量的第n阶傅里叶级数对应的系数；Ω
n
表示第n阶傅里叶级数对应的角频率；t表示时间；将低频误差的矢量部分用矩阵形式表示为：λ
p
＝Φκ其中，Φ表示由各频点的正余弦三角函数值构成的矩阵；κ为待估的低频误差参数向量。4.根据权利要求3所述的一种基于LSTM的星敏感器在轨误差的建模与补偿方法，其特征在于，所述基于解析方法构建低频误差解析模型，还包括：对星敏感器测量数据的频谱进行分析，取多个频点对低频误差进行建模。
5.根据权利要求1所述的一种基于LSTM的星敏感器在轨误差的建模与补偿方法，其特征在于，所述基于星敏感器和陀螺构成的组合定姿滤波器，估计星敏感器的低频误差，包括：将所述低频误差解析模型参数作为由星敏感器和陀螺构成的组合定姿滤波器的状态向量的一部分，采用状态估计方法得到所述低频误差解析模型参数的估计值；利用所述低频误差解析模型参数的估计值，计算星敏感器的低频误差的估计值序列；将计算得到的星敏感器的低频误差的估计值序列作为样本集的期望输出。6...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨静，刘勇，郑凯，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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