CN100491204C - 一种利用定轨数据标定加速度计的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用定轨数据标定加速度计的方法，包括下列步骤：在卫星进行试变轨之前，确定加速度计零位偏差标定值，将加速度计脉冲当量标定系数置为1，试变轨过程中对加速度计测量的加速度进行补偿，并根据补偿后的加速度计测量值累计试变轨过程中的速度增量；试变轨结束后，依据地面测定轨后给出的试变轨过程中的速度增量δV计算加速度计脉冲当量标定值；在轨控过程中，根据得到的脉冲当量标定值和试变轨前确定的加速度计零位偏差标定值，对加速度计测量值进行补偿；计算轨控过程中的速度增量，将计算得到的速度增量与轨控前确定的一个变轨速度增量值进行比较，若计算的速度增量大于轨控前确定的速度增量值，轨控结束，否则从轨控过程开始执行直至结束。
Description
技术领域
本发明涉及一种标定加速度计的方法，尤其适用于有关键点或是唯一窗口变轨要求的卫星的加速度计标定方法。
背景技术
奔月航天器轨控期间需要准确的加速度计测量信息，而加速度计测量量本身包含零位偏差和脉冲当量误差，如不考虑这些偏差将会对轨道确定产生误差。为保证轨控的准确性，星上需要对加速度计的脉冲当量误差进行补偿。
国外诸多学者对CHAMP卫星GRACE卫星等应用的加速度计标定提出了多种方法，利用能量守恒方法进行标定最为快捷简便，另外还有利用轨迹交叉点进行加速度计标定和利用重力场模型进行标定等方法。这些方法一般考虑同时标定加速度计零位偏差和脉冲当量误差，固定一个参数，解算另一个参数，这存在较大的耦合作用，有时不能满足对加速度计标定精度要求较高的需求。
国内使用加速度计的卫星大都是在地面进行的。加速度计的标定通常是在转台或分度头上进行，因而标定工作只能在试验室进行。考虑到加速度计脉冲当量随温度和时间变化，仅在地面标定的加速度计脉冲当量是不能准确反映加速度计真实偏差的。地面进行的标定只能作为加速度计脉冲当量补偿的参考值，对轨控实施精度要求不严的卫星比较适用，但对于月球探测器一类的轨控窗口要求严格的卫星却不再适用。物探与化探，2007年4月第31卷第2期，“高精度空间加速度计在轨引力标定方案”一文中简单介绍了利用牛顿万有引力对加速度计进行标定的方法，但是该方法需要增加引力源质量块和相应位移驱动装置，增加成本并且需要考虑标定过程中吸引质量运动对卫星运动状态的影响。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种利用定轨数据标定加速度计的方法，该方法充分利用试变轨过程中得到的加速度计脉冲当量结果对轨控过程中脉冲当量进行修正，保证控制精度。
本发明的技术解决方案是：一种利用定轨数据标定加速度计的方法，包括下列步骤：
(1)在卫星进行试变轨之前，确定加速度计零位偏差标定值，并将速度增量累计值初始化为零，加速度计脉冲当量标定系数初始化为1；
(2)卫星进行试变轨，根据所述步骤(1)中的加速度计零位偏差标定值和加速度计脉冲当量标定系数对加速度计测量的加速度进行补偿，并根据补偿后的加速度计测量值累计试变轨过程中的速度增量，直至试变轨结束；
(3)试变轨结束后，依据地面测定轨后给出的试变轨过程中的速度增量δV和试变轨过程中的速度增量累计值，计算加速度计脉冲当量标定系数，并将速度增量累计值置零；
(4)在轨控过程中，根据得到的脉冲当量标定系数和步骤(1)中确定的加速度计零位偏差标定值，对加速度计测量值进行补偿，得到消除脉冲当量误差和零位偏差的加速度测量值；
(5)计算轨控过程中的速度增量，并将计算得到的速度增量与轨控前根据轨控需要确定的一个变轨速度增量值进行比较，若计算的速度增量大于轨控前确定的速度增量值，轨控结束，否则从步骤(4)开始执行直至轨控结束。
所述步骤(1)中加速度计零位偏差标定值采用利用恒星定向模式加速度为零的特点进行加速度计零位偏差标定的方法确定，该方法步骤为：
(1)在星上设置恒星定向模式，该模式保持卫星惯性定向姿态，星体加速度为零；
(2)卫星进行变轨之前，使卫星进入恒星定向模式，将初始化为零的速度增量和时间增量进行累计，直至恒星定向模式结束；
(3)根据恒星定向模式累计的速度增量和时间增量，确定加速度计零位偏差标定值；
(4)在轨控过程中对加速度计零位偏差进行补偿；
(5)计算轨控过程中的速度增量，并将计算得到的速度增量与轨控前根据轨控需要确定的一个变轨速度增量值进行比较，若计算的速度增量大于轨控前确定的速度增量值，轨控结束，否则从步骤(4)开始执行直至轨控结束。
本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明由于充分利用了试变轨过程中得到的加速度计脉冲当量结果，通过轨控过程中对加速度计脉冲当量进行修正，与地面事先标定方法和现有技术中利用零位偏差和脉冲当量耦合估计的方法相比，大大提高了加速度计脉冲当量的准确度，保证关键轨控点的控制精度。
附图说明
图1为本发明加速度计脉冲当量标定流程图；
图2为设置恒星定向模式流程图；
图3为利用恒星定向模式对加速度计零位偏差进行标定的方法流程图；
图4为本发明试变轨过程中加速度计速度增量累计值仿真曲线图；
图5为本发明试变轨过程中加速度计速度增量累计值仿真曲线局部放大图。
具体实施方式
如图1所示，本发明方法流程图，具体步骤如下：
(1)在进行试变轨之前，标定好加速度计零位偏差a0，并将加速度计脉冲当量标定系数k初始化为1，加速度计速度增量累计值V初始化为零。
(2)卫星进行试变轨，计算试变轨过程中的加速度a，a＝k＊(v/T)-a0，其中v为加速度计在采样周期T内的速度增量，a0为事先标定好的加速度计零位偏差，记录试变轨过程中加速度计速度增量累计值V，V＝V+a＊T，试变轨结束时加速度计速度增量累计结束。
(3)试变轨结束的同时地面给出此次试变轨过程中的速度增量δV；依据地面给出的试变轨过程中的速度增量δV和试变轨过程中加速度计速度增量累计值V，将二者相比得到加速度计脉冲当量标定值k：k＝δV/V，并将速度增量累计值置为零。
(4)卫星进入轨控过程，在轨控过程中，根据在试变轨过程中标定的加速度计脉冲当量系数k，计算消除脉冲当量误差和零位偏差的加速度测量值a：a＝k＊(v/T)-a0，其中a0为加速度计零位偏差值标定值；a0可以采用利用恒星定向模式加速度为零的特点进行加速度计零位偏差标定的方法确定，也可以采用现有技术中地面加速度计零位偏差标定方法确定，当不对加速度计零位偏差进行补偿时可以将a0置为零。经过消除脉冲当量误差和零位偏差的加速度测量值更能真实反映卫星实际的加速度信息。
(5)计算轨控过程中考虑零位偏差和脉冲当量误差的加速度计速度增量累计值V，计算公式为V＝V+a＊T，将加速度计速度增量累计值V与轨控前根据轨控需要给定的速度增量值进行比较，若计算的速度增量大于轨控前确定的速度增量值，轨控结束，否则从卫星进入轨控过程开始执行直至轨控结束。
如图2所示，为利用恒星定向模式对加速度计零位偏差进行标定的方法中设置恒星定向模式流程图，首先设定目标姿态，可将任一惯性姿态确定为目标姿态，根据敏感器输出确定卫星当前惯性姿态，卫星当前惯性姿态的确定可参见文献《基于星敏感器/光纤陀螺的卫星定姿算法》一文，然后由当前惯性姿态与目标姿态之差确定执行机构的控制量，通过执行机构控制使得恒星定向模式中的卫星姿态与目标姿态一致，达到惯性定向的目的。该模式选用的执行机构在控制过程中不对星体产生加速度，保证恒星定向模式中星体加速度为零，这些执行机构可为动量轮，或控制力矩陀螺，或磁力矩器，或者他们的组合；依靠执行机构角动量变化或者能量转换吸收卫星干扰力矩对星体的影响，采用这些执行机构控制可避免姿控发动机喷气控制，由于该模式中不进行姿态的喷气控制，所以可保证卫星加速度为零，为加速度计标定提供标定条件。
如图3所示，为利用恒星定向模式对加速度计零位偏差进行标定的方法流程图，具体步骤如下：
(1)按照图2所示的方法在星上设置恒星定向模式，该模式保持卫星惯性定向姿态，星体加速度为零。
(2)在卫星进行变轨之前，需要进入预先设置的恒星定向模式，利用恒星定向模式中加速度为零的特点，若加速度计不存在零位偏差，则加速度计采集到的速度增量应该为零。若加速度计有零位偏差，通过恒星定向模式中，对采集到的速度增量和时间增量进行累计直至恒星定向模式结束。
(3)将加速度计采集到的速度增量Δv的累计和与采集的累加时间Δt相比得到这段时间内加速度计零位偏差的平均值a0，即a0＝Δv/Δt，Δv、Δt在进入恒星定向模式前初始化为0，进入恒星定向模式后计算Δv＝Δv+v，Δt＝Δt+T，其中v为每个采样周期T内加速度计输出的速度增量；将a0作为加速度计零位偏差的标定结果。
(4)在轨控过程前将速度增量V初始化为零，将a0在加速度计测量的加速度中减掉，得到没有零位偏差影响的加速度计测量值，即a＝v/T-a0，消除加速度计零位偏差对轨控精度的影响；
(5)计算轨控过程中的速度增量V，即V＝V+a＊T，将计算得到的V与轨控前根据轨控需要给定的速度增量值进行比较，若V大于轨控前确定的速度增量值，轨控结束，否则从对加速度计零位偏差进行补偿开始直至轨控结束。
如图4所示，为本发明试变轨过程中加速度计速度增量累计值仿真曲线图，图5为其最后一秒内的局部放大图；仿真条件为：试变轨过程中采用490N轨控发动机，其推力为490N，试变轨中卫星质量为2000kg，试变轨时间为Os～400s，加速度计零位偏差实际值设为0.05m/s2，脉冲当量实际值设为1.1，按照利用恒星定向模式加速度为零的特点进行加速度计零位偏差标定的方法确定的零位偏差标定值a0为0.0498m/s2，该次轨控中地面给出的卫星速度增量δV为98m/s；从仿真曲线可以得到此次试变轨结束时加速度计速度增量累计值V为107.6m/s；则加速度计脉冲当量值标定结果k为：k＝107.6/98＝1.098加速度计脉冲当量值标定结果k与脉冲当量实际值1.1相比误差不足2‰，表明本方法具有很高的准确度。
Claims (8)
1、一种利用定轨数据标定加速度计的方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)在卫星进行试变轨之前，确定加速度计零位偏差标定值，并将速度增量累计值初始化为零，加速度计脉冲当量标定系数初始化为1；
(2)卫星进行试变轨，根据所述步骤(1)中的加速度计零位偏差标定值和加速度计脉冲当量标定系数对加速度计测量的加速度进行补偿，并根据补偿后的加速度计测量值累计试变轨过程中的速度增量，直至试变轨结束；
(3)试变轨结束后，依据地面测定轨后给出的试变轨过程中的速度增量δV和试变轨过程中的速度增量累计值，计算加速度计脉冲当量标定系数，并将速度增量累计值置零；
(4)在轨控过程中，根据步骤(3)中得到的脉冲当量标定系数和步骤(1)中确定的加速度计零位偏差标定值，对加速度计测量值进行补偿，得到消除脉冲当量误差和零位偏差的加速度测量值；
(5)计算轨控过程中的速度增量，并将计算得到的速度增量与轨控前根据轨控需要确定的一个变轨速度增量值进行比较，若计算的速度增量大于轨控前确定的速度增量值，轨控结束，否则从步骤(4)开始执行直至轨控结束。
2、根据权利要求1所述的一种利用定轨数据标定加速度计的方法，其特征在于：所述步骤(1)中加速度计零位偏差标定值采用利用恒星定向模式加速度为零的特点进行加速度计零位偏差标定的方法确定，该方法步骤为：
(1)在星上设置恒星定向模式，该模式保持卫星惯性定向姿态，星体加速度为零；
(2)卫星进行变轨之前，使卫星进入恒星定向模式，将初始化为零的速度增量和时间增量进行累计，直至恒星定向模式结束；
(3)根据恒星定向模式累计的速度增量和时间增量，确定加速度计零位偏差标定值；
(4)在轨控过程中对加速度计零位偏差进行补偿；
(5)计算轨控过程中的速度增量，并将计算得到的速度增量与轨控前根据轨控需要确定的一个变轨速度增量值进行比较，若计算的速度增量大于轨控前确定的速度增量值，轨控结束，否则从步骤(4)开始执行直至轨控结束。
3、根据权利要求2所述的一种利用定轨数据标定加速度计的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的设置恒星定向模式，首先设定目标姿态，目标姿态为任一惯性姿态，根据敏感器输出确定卫星当前惯性姿态，然后由当前姿态与目标姿态之差确定执行机构的控制量，通过执行机构控制使得恒星定向模式中的卫星姿态与目标姿态一致。
4、根据权利要求3所述的一种利用定轨数据标定加速度计的方法，其特征在于：所述的执行机构在控制过程中不对星体产生加速度，保证恒星定向模式中星体加速度为零。
5、根据权利要求2所述的一种利用定轨数据标定加速度计的方法，其特征在于：所述步骤(3)用恒星定向模式累计的速度增量除以时间，得到累计过程中的加速度计零位偏差的平均值，将该平均值作为加速度计零位偏差的标定值。
6、根据权利要求2所述的一种利用定轨数据标定加速度计的方法，其特征在于：所述步骤(4)中的对加速度计零位偏差进行补偿，在轨控过程中，加速度计测量的加速度值通过加速度计在采样周期内测量的速度增量除以采样周期得到，将加速度计测量的加速度值减去加速度计零位偏差的标定值，得到没有零位偏差影响的加速度计测量值，消除加速度计零位偏差对轨控精度的影响。
7、根据权利要求1所述的一种利用定轨数据标定加速度计的方法，其特征在于：所述步骤(1)中加速度计零位偏差标定值在不进行零位偏差补偿时置为零。
8、根据权利要求1所述的一种利用定轨数据标定加速度计的方法，其特征在于：所述步骤(1)中加速度计零位偏差标定值采用地面加速度计零位偏差标定方法确定。
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