CN104061928A - 一种自主择优使用星敏感器信息的方法 - Google Patents

Abstract

一种自主择优使用星敏感器信息的方法，(1)对所有星敏感器分别进行自检信息判断、星敏感器输出信息与预估值一致性判断以及星敏感器之间的一致性判断，当星敏感器同时满足上述三个判断时，标记为有效星敏感器，否则为无效星敏感器；(2)将上述有效星敏感器的时标统一到同一个时标下；并计算上述有效星敏感器两两之间测量的光轴、横轴矢量夹角与相应标称夹角的误差，根据误差的大小，给星敏感器记分；(3)根据星敏感器的分数对星敏感器进行排序，若出现星敏感器分数相同，则进一步考虑分数相同星敏感器的遮光性能满足裕度、星敏感器之间光轴夹角标称大小进行排序；根据工程需要，按照排序顺序选择星敏感器信息。

Description

一种自主择优使用星敏感器信息的方法

技术领域

本发明属于飞行器(航空和航天)的自动控制领域，涉及一种自主择优使用星敏感器信息的方法。

背景技术

随着空间任务要求的不断提高，星敏感器得到广泛使用，星敏感器的配置个数也越来越多，星敏感器不仅用于飞行器姿态控制，而且作为载荷的辅助测量设备以提高载荷技术水平。考虑到星敏感器的使用要求和测量误差影响因素，各星敏感器的实际性能在飞行期间会有不同变化，甚至会出现星敏感器数据短期无效，为了充分利用星敏感器，需要自主择优使用星敏感器信息，否则将无效数据或误差大的数据引入闭环控制系统，会影响姿态控制性能。

以往关于星敏感器的文献有很多，但是只是关注星敏感器设计及其性能提高的方法、偏差标定、姿态确定滤波算法研究等，而未见自主择优使用星敏感器信息的文献。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对星敏感器使用的问题，提供了一种自主择优使用星敏感器信息的方法。

本发明的技术解决方案是：一种自主择优使用星敏感器信息的方法，包括以下步骤：

(1)对所有星敏感器分别进行自检信息判断、星敏感器输出信息与预估值一致性判断以及星敏感器之间的一致性判断，当星敏感器同时满足上述三个判断时，标记为有效星敏感器，否则为无效星敏感器；

(2)将上述有效星敏感器的时标统一到同一个时标下；并计算上述有效星敏感器两两之间测量的光轴、横轴矢量夹角与相应标称夹角的误差，根据误差的大小，给星敏感器记分；

(3)根据星敏感器的分数对星敏感器进行排序，若出现星敏感器分数相同，则进一步考虑分数相同星敏感器的遮光性能满足裕度、星敏感器之间光轴夹角标称大小进行排序；根据工程需要，按照排序顺序选择星敏感器信息。

在步骤(1)之前对星敏感器信息进行补偿或者步骤(3)之后对选择的星敏感器信息进行补偿。

所述步骤(2)中的记分与误差之间的关系：

其中N_i,j代表星敏感器i和j的记分器N_i和N_j，即对记分器N_i和N_j同时进行记分操作，δ_zij为测量的光轴矢量夹角与相应标称夹角的误差，δ_xij为测量的横轴矢量夹角与相应标称夹角的误差，ε_zij1、ε_xij1、ε_zij2、ε_xij2为可信度区间值，一般取ε_zij1＝(1.5～3)ε_zij2、ε_xij1＝(1.5～3)ε_xij2。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)可以自主择优使用星敏感器信息，既适应于飞行器在轨使用，也适用于地面应用系统使用，工程可实现性强。

2)“多数表决”择优方法，设计了不同的奇偶方程、设置了多个可信度区间及其相应的记分规则，并综合考虑了星敏感器光轴标称夹角、遮光性能满足裕度等情况。

3)所设计的奇偶方程融合了测量值、预估值和标称值等多种信息源，既考虑了测量值与实时预估值之间的关系，又考虑了测量值与装订的标称值之间的关系。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种自主择优使用星敏感器信息的方法，如果从设计之初就开始考虑星敏感器的择优使用问题，则在设计时，应尽可能的使得星敏感器同步和采样满足下列要求：

星敏感器同步：根据星敏感器内部计时精度、同步信号源及其精度、星敏感器数据时标精度要求等确定同步方法(含同步间隔)，满足：(内部计时精度+同步信号源精度)<时标精度。

星敏感器采样：根据星敏感器更新频率及时序和精度、姿态精度要求等确定采样方法(含采样时刻和间隔)。采样间隔不小于星敏感器更新周期，根据星敏感器时序和数据更新时间精度，确定星敏感器同步更新数据的时间范围，考虑设计裕度确定采样时刻(采样时刻在该时间范围内)，满足：时延小、星敏感器数据时标相同。

针对已有星敏感器，自主择优使用的步骤如下：

(1)数据有效性判断

对所有星敏感器输出信息进行如下三个判断，当某一星敏感器同时满足下列三个判断条件时，将该星敏感器标记为有效，否则无效。

自检信息判断：根据星敏感器的姿态数据包信息进行自检信息判断(如有效标志位信息、时延、通讯状态等)，有效标志位显示有效、通讯正常且时延小于阈值(如3个控制周期)则数据有效。

星敏感器输出信息与预估值之间的一致性判断：利用星敏感器光轴、横轴的测量值与估计的相应预估值的一致性来判断该星敏感器的数据有效性。如： $|Z_{1I}^T\&CenterDot;{\hat{Z}}_{1I}-1.0|<{\mathrm{\&epsiv;}}_1,|X_{1I}^T\&CenterDot;{\hat{X}}_{1I}-1.0|<{\mathrm{\&epsiv;}}_2,$ 其中Z_1I(X_1I)和分别为星敏感器1光轴(横轴)的测量值和预估值，ε₁、ε₂为判断一致性的阈值，且ε₁<ε₂，Z_1B、X_1B分别为星敏感器1的光轴、横轴的安装方位，C_bi为飞行器本体系相对赤道惯性系的姿态矩阵。

星敏感器之间的一致性判断：利用两两星敏感器之间测量的光轴、横轴矢量夹角与相应标称夹角的一致性来判断星敏感器的数据有效性。如： $|a\cos (Z_{1I}^T\&CenterDot;Z_{2I})-a\cos (Z_{1B}^T\&CenterDot;Z_{2B})|<{\mathrm{\&epsiv;}}_3,|a\cos (X_{1I}^T\&CenterDot;X_{2I})-a\cos (X_{1B}^T\&CenterDot;X_{2B})|<{\mathrm{\&epsiv;}}_4,$ 其中Z_1I(X_1I)和Z_2I(X_2I)分别为星敏感器1和2的光轴(横轴)的测量值，Z_1B(X_1B)和Z_2B(X_2B)分别为星敏感器1和2的光轴(横轴)的安装方位，ε₃、ε₄为判断一致性的阈值，且ε₃<ε₄，一般分别取为1～3度、4～6度。若不满足上述两个不等式，则认为星敏感器1、2都不满足上述一致性判断，标记为无效。

(2)数据择优表决

将上述有效星敏感器的时标统一到同一个时标下，例如预估值的时标下，或者某一星敏感器的时标下。

例如：将星敏感器1统一到星敏感器2的时标方法为： $Z_{1\mathrm{Im}}=Z_{1I}+(t_{\mathrm{ss}2}-t_{\mathrm{ss}1}){\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{bi}}^I\&times;Z_{1I},X_{1\mathrm{Im}}=X_{1I}+(t_{\mathrm{ss}2}-t_{\mathrm{ss}1}){\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{bi}}^I\&times;X_{1I},$ 其中Z_1I和X_1I为星敏感器1光轴、横轴的测量值，Z_1Im和X_1Im为统一时标后的星敏感器1的光轴、横轴值，t_ss1和t_ss2分别为星敏感器1和2数据的对应时间，为卫星本体系相对赤道惯性系的角速度在惯性系的表示。

计算星敏感器两两之间测量的光轴、横轴矢量夹角与相应标称夹角的误差，设置多个可信度区间，可信度高的记高分，对星敏感器数据两两之间(例如：星敏感器1和2、1和3、2和3等)进行判断，给相应星敏感器进行记分。

记星敏感器i和j的记分器分别为N_i、N_j，测量的光轴矢量夹角与相应标称夹角的误差为δ_zij，测量的横轴矢量夹角与相应标称夹角的误差为δ_xij，其它组合类似，只是下标i和j与相应星敏感器对应。择优表决的记分规则如下：

上述公式的含义是：当两个星敏感器i和j的误差分别满足上述公式右边的判断条件即可信度区间时，两个星敏感器i和j的记分器值N_i、N_j分别在各自计分器已计分基础上增加相应的分值。各个星敏感器的计分器在进行数据择优表决前清0。

其中N_i,j代表N_i和N_j，即对记分器N_i和N_j同时进行记分操作，ε_zij1、ε_xij1、ε_zij2、ε_xij2为可信度区间值，一般取ε_zij1＝(1.5～3)ε_zij2、ε_xij1＝(1.5～3)ε_xij2，且ε_zij1＝(0.85～0.95)ε₃、ε_xij1＝(0.85～0.95)ε₄。同样地，对星敏感器的其它两两组合进行上述记分判断。

例如，择优表决第一次判断，当标号为1的星敏感器与标号为2的星敏感器对应误差值满足上述第一个条件时，则N₁＝0+2＝2，N₂＝0+2＝2；继续对标号为1的星敏感器与标号为3的星敏感器进行择优表决，假设满足第二个条件，则此时，N₁＝2+5＝7，N₃＝0+5＝5；依次类推，直至所有星敏感器两两表决完成。

若出现星敏感器分数相同的情况，则进一步根据遮光性能满足裕度、星敏感器之间光轴夹角标称大小等确定优秀星敏感器，确定原则为记分优、遮光性能满足裕度大、星敏感器之间光轴夹角接近90度。

这样就能够得到一个从优到次的星敏感器排序，实际工程应用时，则按照上述排序，择优选择需要的星敏感器。

(3)数据补偿

安装偏差补偿：其中C_SB分别为补偿前、后的星敏感器安装位置矩阵，C_Δ为安装偏差补偿矩阵。

时间补偿：t₀为飞行器当前时间，对应飞行器姿态为惯性角速度为ω。t_s为星敏感器1数据时间，对应测量的光轴、横轴矢量分别为Z_1I(t_s)、X_1I(t_s)，Δt＝t₀-t_s，则统一到飞行器当前时间的星敏感器相应数据为： $Z_{1I}\left(t_0\right)=Z_{1I}\left(t_s\right)+C_{t_0}^T{\mathrm{\&omega;}}^{\&times;}{Z}_{1B}\mathrm{\&Delta;t},X_{1I}\left(t_0\right)=X_{1I}\left(t_s\right)+C_{t_0}^T{\mathrm{\&omega;}}^{\&times;}{X}_{1B}\mathrm{\&Delta;t},$ 其中Z_1B和X_1B为星敏感器光轴和横轴在飞行器本体系的安装方位。

光行差补偿：如果星敏感器没有进行光行差自校正，则需要根据飞行器轨道信息对星敏感器数据进行光行差补偿；

岁差补偿：如果星敏感器数据的惯性坐标系定义与飞行器采用的不一致，则需要根据飞行器轨道信息对星敏感器数据进行岁差补偿。

上述补偿为目前本领域公知常识，此处不过多进行说明。

(4)联合姿态确定

对选择的星敏感器(例如双星敏感器1和2、1和3、2和3、…，单星敏感器1、2、3、…)进行卡尔曼滤波修正，利用优秀星敏感器补偿后的测量信息和陀螺信息来修正飞行器姿态，并估计陀螺常值漂移。卡尔曼滤波修正参数可以通过地面注入修改。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种自主择优使用星敏感器信息的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对所有星敏感器分别进行自检信息判断、星敏感器输出信息与预估值一致性判断以及星敏感器之间的一致性判断，当星敏感器同时满足上述三个判断时，标记为有效星敏感器，否则为无效星敏感器；

(2)将上述有效星敏感器的时标统一到同一个时标下；并计算上述有效星敏感器两两之间测量的光轴、横轴矢量夹角与相应标称夹角的误差，根据误差的大小，给星敏感器记分；

(3)根据星敏感器的分数对星敏感器进行排序，若出现星敏感器分数相同，则进一步考虑分数相同星敏感器的遮光性能满足裕度、星敏感器之间光轴夹角标称大小进行排序；根据工程需要，按照排序顺序选择星敏感器信息。

2.根据权利要求1所述的一种自主择优使用星敏感器信息的方法，其特征在于：在步骤(1)之前对星敏感器信息进行补偿或者步骤(3)之后对选择的星敏感器信息进行补偿。

3.根据权利要求1所述的一种自主择优使用星敏感器信息的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的记分与误差之间的关系：

其中N_i,j代表星敏感器i和j的记分器N_i和N_j，即对记分器N_i和N_j同时进行记分操作，δ_zij为测量的光轴矢量夹角与相应标称夹角的误差，δ_xij为测量的横轴矢量夹角与相应标称夹角的误差，ε_zij1、ε_xij1、ε_zij2、ε_xij2为可信度区间值，一般取ε_zij1＝(1.5～3)ε_zij2、ε_xij1＝(1.5～3)ε_xij2。