CN105539883A - 一种基于矢量匹配的多敏感器星上自主互校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种利用卫星上多个姿态敏感器的测量输出信息自主进行互校验的方法，卫星在轨运行期间采用该方法能够自主校验出各姿态敏感器输出的正确性，确保卫星获得正确的姿态测量信息。本发明提出的多敏感器互校验方法包括如下步骤：步骤一、对各姿态敏感器的输出数据进行有效性自判断；步骤二、利用光轴矢量匹配法进行多个星敏感器(简称星敏)间的互校验；步骤三、利用太阳矢量匹配法进行星敏与太阳敏感器(简称太敏)的互校验；步骤四、利用地心矢量匹配法进行星敏与地球敏感器(简称地敏)的互校验；步骤五、利用角速度矢量匹配法进行星敏与陀螺的互校验；步骤六、利用日地夹角匹配法进行地敏与太敏的互校验。通过上述方法可校验出输出正确的敏感器。

Description

一种基于矢量匹配的多敏感器星上自主互校验方法

技术领域

本发明属于航天器姿态测量技术领域，涉及一种利用卫星上多个敏感器输出的测量数据，采用矢量(日、地、光轴等)匹配原理进行互校验的方法。

背景技术

正确的姿态能够保证卫星的能源、能够保证测控及载荷天线的指向，是卫星能否正常执行任务的先决条件。卫星上获取姿态信息采用的敏感器主要有星敏感器、太阳敏感器、地球敏感器以及陀螺等，可利用单个敏感器或敏感器组合确定卫星姿态。所以敏感器测量信息的正确性尤为重要，其直接决定了卫星姿态的正确性。

通常，卫星都采用阈值或滤波等方法对单个敏感器的数据进行处理，剔除敏感器输出的异常值或野值。但是对于敏感器的缓变故障信号，目前星上无法利用敏感器自身数据进行自主正确性判断。不同敏感器之间是异构关系，出现同样故障的概率较小，因此，可以利用多个敏感器的信息进行相互校验，判断敏感器输出的正确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，如何设计一种可在星上使用的多敏感器互校验方法，据此可以判断各敏感器输出信息的正确性，确保控制系统获取正确的卫星姿态信息。

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于矢量匹配的多敏感器互校验方法，所述卫星上包括多种敏感器(星敏感器、太阳敏感器、地球敏感器以及陀螺)，互校验方法包括如下步骤：步骤一、对各姿态敏感器的输出数据进行有效性自判断；步骤二、利用光轴矢量匹配法进行多个星敏间的互校验；步骤三、利用太阳矢量匹配法进行星敏与太敏的互校验；步骤四、利用地心矢量匹配法进行星敏与地敏的互校验；步骤五、利用角速度矢量匹配法进行星敏与陀螺的互校验；步骤六、利用日地夹角匹配法进行地敏与太敏的互校验。

可选的，步骤一中，对敏感器输出数据进行有效性判断，是结合单机特性，对于明显不符合逻辑和超范围数据或单机自身判断异常数据进行剔除，将本次无效数据进行标识。自判断为正确的敏感器进行后续互校验。

可选的，步骤二中，首先，利用星敏输出的姿态四元数计算星敏光轴矢量，之后计算每个光轴矢量之间的夹角；由于星敏光轴间的夹角在星敏安装于卫星星体上之后即为固定值，将安装后地面测量的夹角装订在星上，利用装订夹角与相应的测量夹角进行匹配，即相应夹角作差，判断差值是否小于指定的阈值，如果差值小于阈值，则匹配结果正确，参与计算夹角的星敏输出正确。

可选的，步骤三中，首先，利用星敏输出的姿态四元数计算惯性系到卫星本体系的转换矩阵，利用太阳模型计算当前惯性系下的太阳矢量，之后利用转换矩阵将太阳矢量转到卫星本体系；然后，利用太敏测量输出计算本体系太阳矢量；最后，将计算得到的同为卫星本体系下的太阳矢量进行匹配运算，即计算相应矢量的夹角，判断夹角是否小于指定的阈值，如果夹角小于阈值，则匹配结果正确，参与计算的星敏和太敏输出正确。

可选的，步骤四中，首先，利用星敏输出的姿态四元数计算惯性系到卫星本体系的转换矩阵，利用轨道信息计算惯性系下地心矢量，之后利用转换矩阵将地心矢量转到卫星本体系；然后，利用地敏测量输出计算本体系地心矢量；最后，将计算得到的同为卫星本体系下的地心矢量进行匹配运算，即计算相应矢量的夹角，判断夹角是否小于指定的阈值，如果夹角小于阈值，则匹配结果正确，参与计算的星敏和地敏输出正确。

可选的，步骤五中，利用星敏与陀螺输出的角速度矢量进行匹配运算，即利用角速度矢量在卫星本体系的三个投影分别进行差值运算，差值均小于指定阈值则匹配结果正确，星敏和陀螺输出正确。

可选的，步骤六中，首先，利用太阳模型计算当前惯性系下的太阳矢量，利用轨道信息计算惯性系下地心矢量，求出两个矢量的夹角；然后，分别利用太敏和地敏的输出计算本体系下太阳矢量和地心矢量并计算夹角；最后，计算夹角差值，如小于指定阈值，则地敏和太敏输出正确。

按照上述步骤，可以校验出正确的敏感器，实际应用中，通常根据敏感器的可靠性进行互校验优先级排序，可靠性高的敏感器优先级高并先进行互校验，互校验正确的高优先级敏感器可在与低优先级敏感器互校验时对其进行错误判断，即如果匹配结果不正确，该敏感器输出异常。

本发明的优点在于，充分利用星上的各种信息，采用简单、可靠的匹配方法实现了各敏感器间数据的互校验，通过合理选择匹配阈值，能够在星上实时地、准确地给出敏感器输出信息的校验结果。

附图说明

图1所示是本发明具体实施方式所提供的敏感器互相校验流程图。

图2所示是模拟太敏互校验标志。

图3所示是模拟太敏受反照时定姿太阳矢量偏差的结果。

具体实施方式

下面以某卫星在轨敏感器互校验的实际应用情况为典型实例，详细说明本发明的具体实施方式。所述卫星上配置3台星敏、2台陀螺、3台太敏以及1台地敏，按照各敏感器的可靠性对互校验优先级从高到低排序如下，星敏、太敏、地敏、陀螺。匹配阈值根据各敏感器的测量及安装精度、同时考虑一定余量后适当选取。按照图1所示的流程进行敏感器互校验。

步骤一、敏感器输出有效性自判断。

对敏感器输出数据进行有效性判断。结合单机特性，对于明显不符合逻辑或者超范围数据以及单机自身判断异常数据进行剔除，并将无效数据进行标识。星敏采用单机输出的有效性标志进行标识；太敏、地敏、陀螺均采用阈值法对输出进行判断，超过阈值的标识为异常。

步骤二、进行星敏间的互校验

根据步骤一结果，如两个或以上星敏有效，则进行星敏互校验。具体步骤如下：

①计算惯性系下星敏光轴矢量

根据星敏输出姿态四元数Q_si可以得到星敏坐标系相对惯性系的转换矩阵R_si，计算方法为：

Q_si＝q₁i+q₂j+q₃k+q₄

$R_{si}=\left[\begin{array}{ccc}{l}_{11}& l_{12}& l_{13}\\ l_{21}& l_{22}& l_{23}\\ l_{31}& l_{32}& l_{33}\end{array}\right]$

$l_{11}^2=q_4^2+q_1^2-q_2^2-q_3^2-l_{21}=2(q_1{q}_2-q_4{q}_3)$ l₃₁＝2(q₃q₁+q₄q₂)

l₁₂＝2(q₁q₂+q₄q₃) $l_{22}=q_4^2-q_1^2+q_2^2-q_3^2-l_{32}=2(q_3{q}_2-q_4{q}_1)$

l₁₃＝2(q₁q₃-q₄q₂)l₂₃＝2(q₂q₃+q₄q₁) $l_{33}=q_4^2-q_1^2-q_2^2+q_3^2$

星敏光轴在星敏坐标系下矢量为L，

$L=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

则星敏光轴在惯性系矢量：L_i＝R_si ^TL。

②计算光轴矢量夹角

利用惯性系光轴矢量计算姿态数据有效的任意两个星敏光轴矢量夹角α_i，

$\mathrm{\α}=acos\left(\frac{L1\·L2}{\left|L1\right|\left|L2\right|}\right)$

③进行夹角匹配

星上预置有在卫星安装阶段测量得到的各星敏光轴间夹角。将中计算得到的夹角与预置夹角进行匹配(即计算夹角差值)，匹配阈值设置为2°，如果夹角差小于等于阈值，则相应星敏输出正确。如果夹角差大于阈值，则本步无法判断星敏输出正确性，需通过后续互校验步骤判断。

步骤三、进行星敏和太敏互校验

(1)若通过步骤二能够校验出正确的星敏，则利用正确星敏校验太敏，校验方法如下：

①利用星敏输出计算本体系太阳矢量

根据星敏输出姿态四元数Q_si可以得到星敏坐标系相对惯性系的转换矩阵R_si，计算方法同步骤二①。计算卫星本体系相对惯性系的转换矩阵R_bi，

R_bi＝R_bsR_si

其中，R_bs为星敏在卫星上的安装矩阵。根据当前时间，利用下述太阳模型计算当前惯性系太阳矢量：

$T=\frac{int(T_0/86400+2191.5)}{36525.0}$

M＝6.2401+628.30196*T

L＝4.8951+628.3076*T+0.03342*sin(M)

eps＝0.4090928

$S_i=\left[\begin{array}{c}\cos L\\ \sin L*cos\left(eps\right)\\ \sin L*sin\left(eps\right)\end{array}\right]$

其中，int表示取整部分，T₀为自2006年1月1日0时0分0秒起算的积秒。

计算卫星本体系太阳矢量S_b＝R_biS_i。

②与太敏测量得到的本体系太阳矢量进行匹配

求解星敏计算太阳矢量和太敏测量太阳矢量的夹角，计算方法同步骤二②。设置匹配阈值为5°，夹角小于等于阈值，则太敏输出正确。如果夹角大于阈值，则太敏输出异常。

(2)若通过步骤二未能校验出正确的星敏，则各星敏分别与太敏进行互校验，方法同(1)。若能够找出正确匹配的星敏和太敏，则将其标识为正确；若无法匹配，则转到下一步继续校验。

步骤四、进行星敏和地敏互校验

(1)若通过步骤二、三能够校验出正确的星敏，则利用正确星敏校验地敏，校验方法如下：

①利用星敏输出计算本体系地心矢量

根据星敏输出姿态四元数Q_si得到转换矩阵R_bi，方法同步骤三(1)。根据卫星轨道(即位置r_i、速度v_i)，计算轨道相对惯性系转换矩阵R_oi，

k_i＝r_i/r

H_i＝r_i×v_i

j_i＝-H_i/H

i_i＝j_i×k_i

$R_{oi}=\left[\begin{array}{c}{i}_i^T\\ j_i^T\\ k_i^T\end{array}\right]$

根据R_bi和R_oi，计算本体系地心矢量E_sb：

R_bo＝R_biR_oi

E_sb＝R_bo[001]^T

②与地敏测量得到的本体系地心矢量进行匹配

求解星敏计算地心矢量和地敏测量地心矢量的夹角，计算方法同步骤二②。设置匹配阈值为5°，夹角小于等于阈值，则地敏输出正确。如果夹角大于阈值，则地敏输出异常。

(2)若通过步骤二、三未能校验出正确的星敏，则各星敏分别与地敏进行互校验，方法同(1)。若能够找出正确匹配的星敏和地敏，则将其标识为正确；若无法匹配，则无法通过互校验的方式找出正确星敏，直接转到步骤六。

步骤五、进行星敏和陀螺互校验

如果通过步骤二、三、四能够得到校验正确的星敏，则进行星敏与陀螺的互校验。利用星敏感器测量惯性角速度、陀螺测量惯性角速度相互诊断。陀螺测量角速度和星敏感器测量角速度在阈值范围内标识该陀螺正常，在阈值范围外标识陀螺数据异常。

步骤六、进行地敏和太敏互校验

地敏与太敏互校验的具体方法如下：

①计算惯性系下太阳矢量和地心矢量夹角

利用太阳模型计算惯性系太阳矢量(方法同步骤三)，利用卫星轨道计算惯性系地心矢量(方法同步骤四)，计算两个矢量夹角α1(方法同步骤二)。

②计算太敏测量太阳矢量和地敏测量地心矢量夹角α2

③进行夹角匹配

计算夹角差，选择匹配阈值为8°，夹角小于等于阈值，则地敏、太敏输出正确。

本实例已成功应用于某高轨卫星，卫星稳定对地期间，太敏受周围环境反照影响，导致输出太阳矢量与实际有偏差，取一天数据统计，偏差夹角最大约为25°，偏差超过阈值时，太敏互校验结果标记为异常。图2所示是2015年4月17日一天的太敏互校验标志，图3为太敏受反照时地面计算的太阳矢量偏差值。可见，自主互校验方法能够正确校验出敏感器的异常输出，确保控制系统得到正确的敏感器测量值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于矢量匹配的多敏感器星上自主互校验方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一、对各姿态敏感器的输出数据进行有效性自判断；步骤二、利用光轴矢量匹配法进行多个星敏感器即星敏间的互校验；步骤三、利用太阳矢量匹配法进行星敏与太阳敏感器即太敏互校验；步骤四、利用地心矢量匹配法进行星敏与地球敏感器即地敏的互校验；步骤五、利用角速度矢量匹配法进行星敏与陀螺的互校验；步骤六、利用日地夹角匹配法进行地敏与太敏的互校验。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，多个星敏间互校验是利用星敏输出姿态四元数计算星敏光轴矢量，计算光轴矢量间的夹角，与星上预置的地面安装实测结果进行匹配，匹配方法即相应夹角计算差值，判断其是否小于指定阈值，匹配结果正确证明参与匹配的星敏输出正确。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，星敏与太敏互校验是利用星敏输出姿态四元数和太阳模型输出的太阳矢量，计算得到卫星本体系太阳矢量，与太敏测量得到的太阳矢量进行匹配，匹配方法即相应矢量求夹角，判断夹角是否小于指定阈值，匹配结果正确证明参与匹配计算的星敏和太敏输出正确。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，太阳模型计算太阳矢量是仅以当前时间作为输入，利用关于时间的多项式即可计算出当前时间太阳矢量在惯性系的投影。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，星敏与地敏互校验是利用星敏输出姿态四元数和卫星轨道，计算得到卫星本体系下地心矢量，与地敏测量的地心矢量进行匹配，匹配结果正确证明参与计算的星敏和地敏输出正确。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，地敏与太敏互校验是利用模型输出的太阳矢量和卫星的轨道计算日地夹角，与由敏感器测量值计算得到的矢量夹角进行匹配，结果正确证明敏感器输出正确。