CN103852082A - 一种星间测量和陀螺的姿态轨道一体化滤波估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种星间测量和陀螺的姿态轨道一体化滤波估计方法，仅依靠陀螺和星间测量信息，由惯性系下误差四元数建立的姿态动力学和追踪星轨道系下建立的相对运动动力学组成的编队卫星姿轨一体化动力学方程，通过大量的星间测量和陀螺测量数据结合卡尔曼滤波算法解决系统的可观性问题，实现对非合作目标的相对导航和姿态确定。本发明与现有技术相比，其效果是：系统配置要求简单，仅需要星间测量和陀螺信息，减少了系统对星敏等定姿系统的依赖，提高了系统可靠性；能够应用于非合作编队卫星；采用间接测量方程，观测阵的耦合特性不强，算法计算简单，易于工程应用。

Description

一种星间测量和陀螺的姿态轨道一体化滤波估计方法

  

技术领域

本发明涉及卫星自主编队技术，尤其是一种仅依靠星间测量和陀螺的姿态轨道一体化滤波设计方法。 

  

背景技术

卫星编队飞行是一项重要的技术，但是已不再是一个新理念。中国天宫一号已成功在轨实现交会对接试验。当前卫星编队飞行任务应用于多星立体成像、合成孔径雷达等领域。其中，卫星的编队构型保持和姿态指向确定使其在轨任务完成的主要前提。对于非合作目标卫星，由于缺少对其通信链路，地面测定轨精度较低，卫星姿态轨道的自主确定是实现对其近距离编队、捕获等的唯一途径。 

编队卫星姿态轨道的一体化滤波与控制一直是国内外的研究热点。相对姿态轨道的运动学和动力学的耦合使得高精度的姿态轨道一体化滤波和控制难以实现。近年来，国外学者对卫星姿态和相对轨道的一体化滤波也进行了研究，Soo-Goo Kim等在AIAA Guidance Navigation and Control Conference发表文章《Kalman Filtering for Relative Spacecraft Attitude and Position Estimation》研究了合作目标多个电光源（PSD）测量的姿态和相对轨道一体化滤波，滤波算法较复杂，星间测量设备工作复杂，且不能在非合作目标编队应用。Michael s.Andrle等在AIAA/AAS发表《Relative Attitude Determination of Formation Flying Spacecraft》研究了提出了分布式卫星三颗星间相对运动的测量进行卫星姿态确定算法，该算法是一种确定性算法，即系统完全可观。国内对编队卫星姿态轨道一体化滤波研究较少。

  

发明内容

本发明的目的在于提供一种星间测量和陀螺的姿态轨道一体化滤波估计方法，它仅依靠陀螺和星间测量信息实现对非合作目标的相对导航和姿态确定，并且其算法使系统配置简单。 

为了达到上述发明目的，本发明的一种星间测量和陀螺的姿态轨道一体化滤波估计方法，包括如下步骤： 

步骤一，建立误差四元数姿态动力学

在惯性系下，利用陀螺测量信息，取状态为误差四元数的向量部分和陀螺的零偏，来建立误差四元数姿态动力学；

步骤二，建立相对运动动力学

在追踪星轨道系下，取状态为目标星的相对位置和相对速度，以CW方程建立相对运动动力学方程；

步骤三，将误差四元数动力学和相对运动动力学组成姿轨一体化动力学方程，通过离散化处理，计算一体化动力学的状态转移阵和噪声阵；可采用泰勒两阶展开进行离散化，并计算其动力学状态转移阵和噪声阵；如相对运动采用CW方程，相对运动方程的转移阵和噪声阵的离散化可采用解析方法。联合姿态和相对运动动力学的状态转移阵和噪声阵，组成离散化姿轨一体化动力学方程。

步骤四，将星间测量值转化到追踪星轨道系，光电设备由相机和激光测距仪组成，输出两星间的相对距离和相对角度信息，采用一节泰勒展开实现光电极坐标系下直接测量值到笛卡尔轨道坐标系下的间接测量值。 

步骤五，间接测量值对步骤三中的状态求偏导得到观测阵，按照卡尔曼滤波器设计方法，进行动力学和观测值噪声特性整定，进行卡尔曼滤波递推运算实现状态最优估计。 

本发明仅光电陀螺信息的姿态轨道一体化滤波估计方法，与现有技术相比，其优点和有益效果是： 

1）配置要求简单，提高系统可靠性

陀螺是卫星的常规配置，光电是自主编队卫星的必需配置，仅依靠陀螺和光电信息完成姿态确定和相对导航降低了对系统配置的要求，提高系统可靠性。

2）可用于非合作卫星编队 

不需要目标卫星的反馈信息，由光电进行主动测量，能够应用于对非合作目标卫星的编队。

3）观测值姿态轨道耦合特性不强，观测阵计算简单 

观测方程采用直角坐标系下的间接测量值，姿轨耦合特性不强，扩展卡尔曼滤波方程的观测阵计算简单。

  

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 

图1是本发明选用的参考直角坐标系； 

图2是本发明适用的卫星编队示意图。

  

具体实施方式

定义误差四元数 

式中    

  

——代表惯性系到体坐标系转动的真实姿态四元数

  

——姿态误差四元数

  

——姿态四元数估计值

在J2000坐标系下建立误差四元数姿态动力学方程。

其中，

是误差四元数的向量部分；

是陀螺零偏；

，

，

是陀螺测量值；

是陀螺的测量坐标系到卫星本体系的转移矩阵；

，

分别是陀螺的测量和零漂噪声。

如图1所示，O为卫星质心，Z轴指向地心，Y轴指向轨道面法向反向，X轴指向满足右手定则，即LVLH坐标系，作为参考直角坐标系。在该坐标系下，建立相对运动方程。卫星运行在圆轨道，相对运动方程为CW方程： 

其中，

为追踪星轨道角速度。

，

，表示各轴的加速度建模误差等效噪声。为了分析方便，设各轴加速度噪声相同，

。

取，，离散化周期T，姿态动力学采用两阶离散化，得： 

其中：

，

，

为式中噪声部分的离散化处理，噪声特性满足：

其中，

如图2所示，追踪星和目标星处于编队飞行状态，目标星位于追踪星的正前方。星间测量设备光电安装在追踪星上，光电伺服机构提供俯仰轴和偏航轴驱动，使其视线轴对准目标星。光电跟踪目标卫星，并输出视线距离

、俯仰角

、偏航角

。与参考系下相对位置关系为：

其中，

是星间测量噪声，为高斯白噪声，满足

。

将其直接测量数据转换到参考坐标系下，得参考系下间接测量方程： 

测量噪声较小，近似线性化处理，参考坐标系下噪声分布特性为：

其中，

。

观测阵为：

其中，

。

Claims (3)

1.一种星间测量和陀螺的姿态轨道一体化滤波估计方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，建立误差四元数姿态动力学

在惯性系下，利用陀螺测量信息，取状态为误差四元数的向量部分和陀螺的零偏，来建立误差四元数姿态动力学；

步骤二，建立相对运动动力学

在追踪星轨道系下，取状态为目标星的相对位置和相对速度，以CW方程建立相对运动动力学方程；

步骤三，将误差四元数动力学和相对运动动力学组成姿轨一体化动力学方程，通过离散化处理，得到一体化动力学的状态转移阵和噪声阵；

步骤四，将星间测量值转化到追踪星轨道系，作为间接测量值；

步骤五，间接测量值对步骤三中的状态求偏导得到观测阵，按照卡尔曼滤波器设计方法，进行动力学和观测值噪声特性整定，进行卡尔曼滤波递推运算实现状态最优估计。

2.根据权利要求1所述的星间测量和陀螺的姿态轨道一体化滤波估计方法，其特征在于：所述的步骤三中，一体化动力学方程的状态为：                                                ，离散化周期T，姿态动力学采用两阶离散化：

，

其中：

，

，，为式中噪声部分的离散化处理；

为追踪星轨道角速度；

是误差四元数

的向量部分；

是陀螺零偏；

，

，

是陀螺测量值；是陀螺的测量坐标系到卫星本体系的转移矩阵；

，

，

是追踪星轨道系下目标星相对位置。

3.根据权利要求1所述的星间测量和陀螺的姿态轨道一体化滤波估计方法，其特征在于：所述的步骤五中，观测方程的公式为：

其中：视线距离

、俯仰角、偏航角

、观测噪声

观测阵为：

其中，，

为

表示的J2000惯性坐标系到卫星本体系的坐标转换矩阵。