CN102937450B - 一种基于陀螺测量信息的相对姿态确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于陀螺测量信息的相对姿态确定方法，包括以下步骤：(1)确定卫星初始姿态，所述初始姿态利用起始点t₀时刻卫星本体相对惯性系的四元数为q₀表示；(2)估计卫星的陀螺常值漂移，分别获得所述陀螺在俯仰、偏航、滚动方向上的常值漂移值；(3)根据所述初始姿态和所述常值偏移值确定卫星的相对姿态，所述卫星的相对姿态在每个姿态确定周期中，采用前一个周期卫星的相对姿态和本周期内角度增量累加的方式获得。该方法利用陀螺短时间内精度较高、漂移变化较小、起始点定姿精度较高的特点，实现对卫星相对姿态的高精度测量。

Description

一种基于陀螺测量信息的相对姿态确定方法

技术领域

本发明涉及一种基于陀螺测量信息的相对姿态确定方法。

背景技术

高精度测绘卫星一般利用星敏感器和陀螺联合进行绝对姿态确定，要求姿态确定精度为2.4″(3σ)。由于星敏感器测量误差除随机部分为3″(3σ)外，还包含幅值为8″左右的低频误差，采用传统的星敏感器和陀螺组合定姿的方法难以实现指标要求。考虑到陀螺的短期精度非常高，只是缺少绝对基准，因此利用陀螺的测量给出的一段时间内的相对姿态信息，能达到指标要求，实现测绘卫星的高精度姿态确定指标要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，本发明针对短时间内要求定姿精度较高的卫星，原有的星敏、陀螺联合定姿已经不能满足指标要求，提出了一种基于陀螺测量信息的相对姿态确定方法，该方法利用陀螺短时间内精度较高、漂移变化较小、起始点定姿精度较高的特点，实现对卫星相对姿态的高精度测量。

本发明的技术解决方案是：

一种基于陀螺测量信息的相对姿态确定方法，包括以下步骤：

(1)确定卫星初始姿态，所述初始姿态利用起始点t₀时刻卫星本体相对惯性系的四元数为q₀表示；

(2)估计卫星的陀螺常值漂移，分别获得所述陀螺在俯仰、偏航、滚动方向上的常值漂移值；

(3)根据所述初始姿态和所述常值偏移值确定卫星的相对姿态，所述卫星的相对姿态在每个姿态确定周期中，采用前一个周期卫星的相对姿态和本周期内角度增量累加的方式获得。

进一步的，在本发明所述基于陀螺测量信息的相对姿态确定方法中，所述本周期内角度增量得到的q_new根据下式确定，

$q_{\mathrm{new}}=q+\frac{1}{2}\·\left[\begin{array}{ccc}{q}_4& -q_3& q_2\\ q_3& q_4& -q_1\\ -q_2& q_1& q_4\\ -q_1& -q_2& -q_3\end{array}\right]\·\mathrm{\Δg}$

其中，q为代表前一个周期卫星本体相对惯性系的四元数；q_new为代表本周期卫星本体相对惯性系的四元数；以上各四元数q的定义为q＝[q₁q₂q₃q₄]，q₁、q₂、q₃是矢量部分，q₄是标量，标量大于0。

Δg＝ω_s·ΔT；其中ΔT为采样周期；ω_s＝[ω_sx，ω_sy，ω_sz]^T，ω_sx、ω_sy、ω_sz分别为的卫星本体相对惯性系的姿态角速度在本体系的三轴分量，计算公式如下：

ω_sx＝Δg_x/ΔT-b_x

ω_sy＝Δg_y/ΔT-b_y

ω_sz＝Δg_z/ΔT-b_z

其中Δg_x，Δg_y，Δg_z为陀螺测量出的本周期内卫星本体相对惯性系的角度增量在x轴、y轴、z轴的分量，单位为rad；b_x，b_y，b_z为陀螺常值漂移估计值在卫星本体系x轴、y轴、z轴的分量，单位为rad/s。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明所述的一种基于陀螺测量信息的相对姿态确定方法，可满足测绘卫星对短时间内高精度定姿的要求。该时间段内陀螺常值漂移通过陀螺和星敏感器测量信息联合标定，利用陀螺测量信息减去该段时间内陀螺常值漂移的稳态值，得到陀螺测量的惯性角速度，利用起始点的惯性姿态四元数和惯性角速度积分，得到相对起始点任意时刻的惯性四元数，并保证相对姿态确定精度满足高精度指标要求。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为仿真示意图；

图3为正向滤波陀螺漂移曲线；

图4为反向滤波陀螺漂移曲线。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

针对测绘卫星短时间内对姿态确定精度要求较高的问题，考虑利用起始点姿态测量精度较高、陀螺短时间测量精度较高、漂移变化较小的特点，提出了一种基于陀螺测量信息的相对姿态确定方法，如图1所示，该方法的过程如下。

卫星初始姿态确定

卫星初始姿态确定是指根据卫星上所带载荷的测量信息确定出初始时刻卫星的绝对姿态信息。根据卫星所带载荷不同，初始姿态确定方法不同。比如，测绘卫星可以根据所成图像信息反算出卫星姿态，SAR卫星可根据靶标点的位置反算出卫星姿态。

该卫星初始姿态利用起始点t0时刻卫星本体相对惯性系的四元数为q0表示。

以测绘卫星为例，其载荷为星相机，载荷的测量信息为对地所成的图象数据，根据载荷所成图像中地物点或者地标点的位置以及地物点或地标点的实际位置，可反算出卫星的姿态信息(可参见北京测绘出版社李德仁、周月琴、金为铣主编的《摄影测量与遥感概论》)。该方法所得姿态直接利用载荷数据，所确定的姿态精度较高，并可去除系统偏差等因素。

以该点(或该时刻)作为相对姿态确定的起始时刻，那么可认为起始时刻的确定姿态误差为0。

估计卫星的陀螺常值漂移

陀螺的测量误差可分为常值漂移b(°/h)和随机漂移两项。

对于陀螺漂移残差主要考察不同的星敏感器短周期误差对陀螺常值漂移估计误差的影响情况。表1为姿态确定滤波的初始条件。针对星敏感器有低频误差情况进行了数学仿真，仿真结果见图2。从大量的仿真情况看，星敏感器无低频误差时，陀螺常值漂移的估计残差小于0.005°/h，考虑星敏感器低频误差的情况下，陀螺常值漂移的估计残差最大在0.01°/h左右。

表1仿真条件

实际应用中陀螺常值漂移是利用下传的星敏感器数据和陀螺数据对该成像弧段内的陀螺常值漂移进行估计。采用实时扩展卡尔曼滤波算法，以星体惯性四元数和陀螺常值漂移为状态量，以两星敏感器的光轴测量作为观测量，按照参考文献《星敏感器测量模型及其在卫星姿态确定系统中的应用》(刘一武，宇航学报2003年3月第24卷第2期)的过程建立状态方程和观测方程，即可得到陀螺常值漂移。

由于卫星连续成像弧段较短，即星敏感器陀螺测量的连续数据时间较短(一般在15分钟以内)，因此这里采用正向和反向滤波两种方式分别获得陀螺的常值漂移，见图3和图4，将两次陀螺的常值漂移进行取平均值处理，作为该时间段内陀螺常值漂移的稳态值。由滤波结果可知：滤波得到的陀螺漂移变化量不超过0.01°/h。

根据上述确定的卫星初始姿态和陀螺常值漂移值确定卫星的相对姿态

对有高精度姿态要求的卫星一般选用高精度陀螺作为角速度测量装置。以北京控制工程研究所研制的三浮陀螺为例，其随机漂移指标d为进行分析。以相对定姿时长70s为例，分析利用陀螺进行相对姿态确定理论上可以达到的精度。设定使用三正交陀螺的情况(即三陀螺互相垂直安装)，此时本体三轴的等效噪声等于单个陀螺的测量噪声，则70s后由陀螺随机漂移引起的姿态测量误差为：0.0033＊sqrt(70/3600)＊3600＝1.67″(3σ)，陀螺随机漂移d引起的姿态测量误差的计算公式如下：

从图3、4的计算结果可以看出，陀螺常值漂移估计残差最大在0.01°/h以内，则70s后由常值漂移残差引起的姿态误差最大为0.7″，综合随机漂移和常值漂移残差两部分误差的影响，70s相对姿态确定精度为2.37″(3σ)，满足测绘卫星所需的定姿精度2.4″(3σ)的指标。按照陀螺的以上指标，其他时间的相对姿态确定精度分析结果如表2。

表2相对姿态确定精度理论分析结果

相对姿态确定的具体过程如下：

设起始点t0时刻卫星本体相对惯性系的四元数为q₀，采样周期为ΔT，该段时间内陀螺三轴常值漂移分别为bx，by，bz(单位rad/s)，则在每个姿态确定周期中卫星本体相对惯性系的四元数q_new为：

$q_{\mathrm{new}}=q+\frac{1}{2}\·\left[\begin{array}{ccc}{q}_4& -q_3& q_2\\ q_3& q_4& -q_1\\ -q_2& q_1& q_4\\ -q_1& -q_2& -q_3\end{array}\right]\·\mathrm{\Δg}$

即当前周期卫星的相对姿态等于前一个周期卫星的相对姿态和本周期内角度增量累加。

上式中，q为代表前一个周期卫星本体相对惯性系的四元数；q_new为代表本周期卫星本体相对惯性系的四元数；以上各四元数q的定义为q＝[q₁q₂q₃q₄]，前三个是矢量部分，第四个是标量，标量大于0。

Δg＝ω_s·ΔT；其中ΔT为采样周期；ω_s＝[ω_sx，ω_sy，ω_sz]^T，ω_sx、ω_sy、ω_sz分别为的卫星本体相对惯性系的姿态角速度在本体系的三轴分量，计算公式如下：

ω_sx＝Δg_x/ΔT-b_x

ω_sy＝Δg_y/ΔT-b_y

ω_sx＝Δg_z/ΔT-b_z

其中Δg_x，Δg_y，Δg_z为陀螺测量出的本周期内卫星本体相对惯性系的角度增量在x轴、y轴、z轴的分量，单位为rad；b_x，b_y，b_z为陀螺常值漂移估计值在卫星本体系x轴、y轴、z轴的分量，单位为rad/s。

利用本发明所述对卫星的相对姿态确定方法，对于测绘卫星确定出短时间内所成图像的高程精度在1.5m以内，折合定姿精度约0.6″(1σ)，满足定姿指标2.4″(3σ)的要求。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种基于陀螺测量信息的相对姿态确定方法，其特征在于以下步骤：

(1)确定卫星初始姿态，所述初始姿态利用起始点t₀时刻卫星本体相对惯性系的四元数为q₀表示；

(2)采用正向和反向滤波两种方式分别获得陀螺仪的常值漂移，然后将两次陀螺仪的常值漂移取平均值作为卫星的陀螺常值漂移，分别获得所述陀螺在俯仰、偏航、滚动方向上的常值漂移值；

(3)根据所述初始姿态和所述常值漂移值确定卫星的相对姿态，所述卫星的相对姿态在每个姿态确定周期中，采用前一个周期卫星的相对姿态和本周期内角度增量累加的方式获得；所述本周期内角度增量得到的q_new根据下式确定，

其中，q为代表前一个周期卫星本体相对惯性系的四元数；q_new为代表本周期卫星本体相对惯性系的四元数；以上各四元数q的定义为q＝[q₁q₂q₃q₄]，q₁、q₂、q₃是矢量部分，q₄是标量，标量大于0，

Δg＝ω_s·ΔT；其中ΔT为采样周期；ω_s＝[ω_sx，ω_sy，ω_sz]^T，ω_sx、ω_sy、ω_sz分别为卫星本体相对惯性系的姿态角速度在本体系的三轴分量，计算公式如下：

ω_sx＝Δg_x/ΔT-b_x

ω_sy＝Δg_y/ΔT-b_y

ω_sz＝Δg_z/ΔT-b_z

其中Δg_x，Δg_y，Δg_z为陀螺测量出的本周期内卫星本体相对惯性系的角度增量在x轴、y轴、z轴的分量，单位为rad；b_x，b_y，b_z为陀螺常值漂移值在卫星本体系x轴、y轴、z轴的分量，单位为rad/s。