[發明專利]一種提高星敏感器和陀螺在軌聯合濾波精度的方法

有效

• 申請號: 202110767452.2
• 申請日: 2021-07-07
• 公開（公告）號: CN113686334B
• 公開（公告）日: 2023-08-04
• 發明（設計）人: 王新;吳敬玉;郭思巖;鐘超;陳撼
• 申請（專利權）人: 上海航天控制技術研究所
• 主分類號: G01C21/18
• 分類號: G01C21/18;G01C21/02
• 代理公司: 上海元好知識產權代理有限公司 31323
• 代理人: 張妍;朱成之

本發明公開了一種提高星敏感器和陀螺在軌聯合濾波精度的方法，包括：獲取陀螺測量的衛星三軸慣性角速度，根據所述慣性角速度，得到衛星姿態角速度，并根據衛星運動學方程得到衛星姿態四元數估計值；根據所述衛星姿態四元數估計值和由星敏感器數據計算的姿態四元數，得到姿態誤差四元數；進行狀態濾波，得到姿態誤差四元數估值和陀螺常值漂移殘差的估值，本發明通過分步改變濾波增益系數，達到濾波快速收斂和穩態高精度濾波的效果，適用于具有頻繁姿態機動功能的衛星姿態確定系統，該方法僅改變濾波增益系數，濾波收斂后切換系數可提高衛星姿態確定精度，星載軟件也可方便實現，具備工程實用性。

技術領域

本發明涉及衛星姿態確定技術領域，具體涉及一種提高星敏感器和陀螺在軌聯合濾波精度的方法。

背景技術

高精度衛星姿態確定系統為了提高姿態確定精度，一般都采用星敏感器和陀螺組合聯合濾波來實現，即通過卡爾曼濾波，利用陀螺組合的輸出數據連續性及高頻噪聲低特性和星敏感器的低頻噪聲低特性，根據星敏感器的信息估計出陀螺的常值漂移并進行補償，由陀螺組合的信息獲得連續高精度的姿態角度及姿態角速度信息。

由于星載計算機計算能力有限，一般卡爾曼濾波增益系數通過離線計算取為常值，對于穩態運行的衛星，濾波增益系數主要考慮濾波穩態精度，但對以敏捷機動衛星則需要兼顧濾波收斂速度和濾波穩態精度，常值濾波增益系數難以滿足系統使用要求。

發明內容

本發明的目的是為了提供一種提高星敏感器和陀螺在軌聯合濾波精度的方法。此方法旨在解決傳統方法中卡爾曼濾波增益系數通過離線計算取為常值，不能滿足敏捷機動衛星需要兼顧濾波收斂速度和濾波穩態精度的系統要求的問題。

為達到上述目的，本發明提供了一種提高星敏感器和陀螺在軌聯合濾波精度的方法，其應用于衛星姿態確定系統，包括：

步驟S1：獲取陀螺測量的衛星三軸慣性角速度，根據所述慣性角速度，得到衛星姿態角速度，并根據衛星運動學方程得到衛星姿態四元數估計值；

步驟S2：根據所述衛星姿態四元數估計值和由星敏感器數據計算的姿態四元數，得到姿態誤差四元數；

步驟S3：對所述衛星姿態確定系統進行狀態濾波，得到姿態誤差四元數估值和陀螺常值漂移殘差的估值，在濾波啟動的Δt時間內完成快速收斂，得到第一濾波結果，所述第一濾波結果不接入所述衛星確定系統中；在濾波啟動的Δt時間后更換濾波系數，得到第二濾波結果，并將所述第二濾波結果接入所述衛星姿態確定系統中使用；

步驟S4：對所述衛星姿態確定系統進行狀態更新，得到衛星姿態四元數估值更新值，根據選定的轉序，得到衛星姿態角。

優選的，在步驟S1中，由所述陀螺測量的衛星三軸慣性角速度ω_bi，得到衛星三軸慣性角速度的計算值所述陀螺測量的衛星三軸慣性角速度ω_bi與所述衛星三軸慣性角速度的計算值之間的表達式為：

式中：k表示當前計算周期；k-1表示前一個計算周期；

bi表示衛星本體系b系相對于慣性系i系；

ω_bi(k)表示當前計算周期的陀螺測量的衛星三軸慣性角速度；

表示當前計算周期的衛星三軸慣性角速度的計算值；

表示陀螺常值漂移殘差(即陀螺真實常值漂移與地面標定的常值漂移之差)的估值在本體系的三軸分量；

表示前一個計算周期的陀螺常值漂移殘差的估值在本體系的三軸分量。

優選的，由所述陀螺測量的衛星三軸慣性角速度的計算值得到所述衛星姿態角速度再根據所述衛星姿態角速度得到所述衛星姿態四元數估計值所述衛星姿態角速度與所述衛星姿態四元數估計之間關系式為：