CN107228683A - 一种多星敏感器间慢变误差实时在轨修正方法 - Google Patents

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Abstract

一种多星敏感器间慢变误差实时在轨修正方法，修正星敏感器各头部之间的慢变误差，包含如下步骤：S1、计算星敏感器各头部两两之间的坐标变换四元数滤波实测值QRotOHiOHjCAL；S2、由地面控制中心指定星敏感器上某一头部为基准头部OHref；S3、计算基准头部OHref到星敏感器各头部OHi的坐标变换四元数地面精测值QOHiOHref；S4、计算星敏感器各头部OHi到基准头部OHref的坐标变换四元数实测值QRotOHiOHref；S5、根据S3和S4得到的QOHiOHref和QRotOHiOHref计算修正头部间慢变误差后的各头部姿态四元数qOHiRc。本发明能在轨实时估计并修正，通过简单的计算方式提高多星敏感器联合定姿的姿态确定精度，并且简单有效的修正非基准头部与基准头部之间的慢变误差，并获得修正头部间慢变误差后的头部姿态四元数。

Description

一种多星敏感器间慢变误差实时在轨修正方法
技术领域
本发明涉及卫星星敏感器姿态修正技术领域，具体涉及一种多星敏感器间慢变误差实时在轨修正方法。
背景技术
随着航天科技与应用领域的不断发展与开拓,卫星的研制与实现技术呈现出两种趋势:一是以高精度遥感卫星为代表,任务要求决定了卫星星体的结构组成复杂、系统控制精度指标极高；另一个方向是朝着小型、快捷、低成本、结构与配置简化方向发展,实现单一任务,或者通过发射较多数量实现多任务或某项复杂工作。针对前一种趋势的复杂卫星,控制系统通常配置星敏感器作为姿态敏感器部件。
星敏感器是目前卫星上使用的精度最高的姿态测量敏感器，它通过测量恒星的观测矢量在卫星坐标系中的方位以及恒星亮度，再利用星历表得到这些恒星在惯性坐标系中的方位，经姿态确定算法计算即可提供卫星在惯性系中的姿态信息，精度可达到角秒级。但由于星敏感器光轴方向的测量噪声较大，单星敏感器姿态确定精度较低，不能满足高精度姿态确定要求。因此，目前主流的高精度控制系统都采用多星敏感器联合定姿技术来提高姿态确定的精度，利用一个星敏感器垂直光轴方向的姿态信息来补偿另一个星敏感器光轴方向姿态测量精度的不足。
卫星在轨运行过程中受太阳照射角度影响呈现温度周期性慢变，因此，星敏感器安装结构会受其影响而产生形变，导致星敏感器测量输出相对本体坐标系基准发生动态偏离。此外，星敏感器观测恒星过程中，其光轴所指向的天区随卫星轨道运动发生周期性变化，导致光学系统误差、标定误差和星表误差随恒星进出视场而变，也会造成周期性慢变误差，这些变化对星敏感器基准头部及非基准头部的姿态四元数均产生影响，进而对多星敏感器联合定姿的姿态确定精度造成影响。因此，为了获取高精度的可信的卫星姿态,需要对多星敏感器间慢变误差的实时估计及修正方法进行研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多星敏感器间慢变误差实时在轨修正方法，应用于卫星上多个星敏感器之间修正慢变误差。
一种多星敏感器间慢变误差实时在轨修正方法，修正星敏感器各头部之间的慢变误差，包含如下步骤：
S1、计算星敏感器各头部两两之间的坐标变换四元数滤波实测值QRotOHiOHjCAL；
S2、由地面控制中心指定星敏感器上某一头部为基准头部OHref；
S3、计算基准头部OHref到星敏感器各头部OHi的坐标变换四元数地面精测值QOHiOHref；
S4、计算星敏感器各头部OHi到基准头部OHref的坐标变换四元数实测值QRotOHiOHref；
S5、根据S3和S4得到的QOHiOHref和QRotOHiOHref计算修正头部间慢变误差后的各头部姿态四元数qOHiRc。
上述的一种多星敏感器间慢变误差实时在轨修正方法，其中，所述步骤S1包含：
S11、计算任意星敏感器头部OHi到另一任意头部OHj的坐标变换四元数Q’RotOHiOHjCAL，其中，i＝1，2，3……N-1，j＝i+1，i+2，i+3……N，N为头部的个数；
S12、对S1得到的Q’RotOHiOHjCAL进行滤波，得到任意头部OHi到另一任意头部OHj的坐标变换四元数滤波实测值QRotOHiOHjCAL，其初值为地面安装精测值；
S13、重复步骤S11和S12直至遍历所有头部。
上述的一种多星敏感器间慢变误差实时在轨修正方法，其中，所述步骤S12中的滤波算法如下：
其中T为控制系统的控制周期，L为滤波时间常数，k为滤波算法计算时刻。
上述的一种多星敏感器间慢变误差实时在轨修正方法，其中，所述步骤S3中，
其中，QbOHref表示基准头部OHref姿态测量坐标系到卫星本体坐标系的转换四元数。
上述的一种多星敏感器间慢变误差实时在轨修正方法，其中，所述步骤S4中，
当i＜ref时，该头部与基准头部的坐标变换四元数实测值为：
QRotOHiOHref＝QRotOHiOHjCAL
当i＞ref时，该头部与基准头部的坐标变换四元数实测值为：
本发明的优点和有益效果是：
(1)本发明可由星上软件运行，能在轨实时估计并修正，通过简单的计算方式，即可提高多星敏感器联合定姿的姿态确定精度。
(2)本发明简单有效的修正非基准头部与基准头部之间的慢变误差，并获得修正头部间慢变误差后的头部姿态四元数。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
图2是本发明中步骤S1的细化流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，是一种多星敏感器间慢变误差实时在轨修正方法，包含如下步骤：
S1、计算星敏感器各头部两两之间的坐标变换四元数滤波实测值QRotOHiOHjCAL；
S2、由地面控制中心指定星敏感器上某一头部OHj为基准头部OHref；
S3、计算基准头部OHref到星敏感器各头部OHi的坐标变换四元数地面精测值QOHiOHref：
其中，QbOHref表示基准头部OHref姿态测量坐标系到卫星本体坐标系的转换四元数。若地面控制中心指定以OH1为基准头部，则QbOHref＝QbOH1；若地面控制中心指定以OH2为基准头部，则QbOHref＝QbOH2；若地面控制中心指定以OHj为基准头部，则QbOHref＝QbOHj，各头部与本地系的转换四元数均由地面进行精测得到。
S4、计算星敏感器各头部OHi到基准头部OHref的坐标变换四元数实测值QRotOHiOHref：
当i＜ref时，该头部与基准头部的坐标变换四元数实测值为：
QRotOHiOHref＝QRotOHiOHjCAL
当i＞ref时，该头部与基准头部的坐标变换四元数实测值为：
S5、根据S3和S4得到的QOHiOHref和QRotOHiOHref计算修正头部间慢变误差后的各头部姿态四元数qOHiRc：
其中，QRotOHiOHref为星敏感器头部OHi测量坐标系转换到基准头部OHref测量坐标系的四元数实际值；QOHiOHref为基准头部OHref测量坐标系转换到星敏感器头部OHi测量坐标系的安装四元数精测值。
如图2所示，所述步骤S1具体包含：
S11、计算任意星敏感器头部OHi到另一任意头部OHj的坐标变换四元数Q’RotOHiOHjCAL：
其中，i＝1，2，3……N-1，j＝i+1，i+2，i+3……N，N为头部的个数，QOHiRc为任意头部OHi输出的姿态四元数，QOHjRc为另一任意头部OHj输出的姿态四元数。；
S12、对S1得到的Q’RotOHiOHjCAL进行滤波，得到任意头部OHi到另一任意头部OHj的坐标变换四元数滤波实测值QRotOHiOHjCAL，其初值为地面安装精测值；
S13、重复步骤S11和S12直至遍历所有头部。
其中，所述步骤S12中的滤波算法如下：
式中，T为控制系统的控制周期，L为滤波时间常数，k为滤波算法计算时刻。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种多星敏感器间慢变误差实时在轨修正方法，修正星敏感器各头部之间的慢变误差，其特征在于，包含如下步骤：
S1、计算星敏感器各头部两两之间的坐标变换四元数滤波实测值QRotOHiOHjCAL；
S2、由地面控制中心指定星敏感器上某一头部为基准头部OHref；
S3、计算基准头部OHref到星敏感器各头部OHi的坐标变换四元数地面精测值QOHiOHref；
S4、计算星敏感器各头部OHi到基准头部OHref的坐标变换四元数实测值QRotOHiOHref；
S5、根据S3和S4得到的QOHiOHref和QRotOHiOHref计算修正头部间慢变误差后的各头部姿态四元数qOHiRc。
2.如权利要求1所述的一种多星敏感器间慢变误差实时在轨修正方法，其特征在于，所述步骤S1包含：
S11、计算任意星敏感器头部OHi到另一任意头部OHj的坐标变换四元数Q’RotOHiOHjCAL，其中i＝1，2，3……N-1，j＝i+1，i+2，i+3……N，N为头部的个数；
S12、对S1得到的Q’RotOHiOHjCAL进行滤波，得到任意头部OHi到另一任意头部OHj的坐标变换四元数滤波实测值QRotOHiOHjCAL；
S13、重复步骤S11和S12直至遍历所有头部。
3.如权利要求2所述的一种多星敏感器间慢变误差实时在轨修正方法，其特征在于，所述步骤S12中的滤波算法如下：
<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mi>o</mi> <mi>t</mi> <mi>O</mi> <mi>H</mi> <mi>i</mi> <mi>O</mi> <mi>H</mi> <mi>j</mi> <mi>C</mi> <mi>A</mi> <mi>L</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>L</mi> <mo>+</mo> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>T</mi> <mo>(</mo> <msub> <msup> <mi>Q</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mrow> <mi>R</mi> <mi>o</mi> <mi>t</mi> <mi>O</mi> <mi>H</mi> <mi>i</mi> <mi>O</mi> <mi>H</mi> <mi>j</mi> <mi>C</mi> <mi>A</mi> <mi>L</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <msup> <mi>Q</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mrow> <mi>R</mi> <mi>o</mi> <mi>t</mi> <mi>O</mi> <mi>H</mi> <mi>i</mi> <mi>O</mi> <mi>H</mi> <mi>j</mi> <mi>C</mi> <mi>A</mi> <mi>L</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>+</mo> <mo>(</mo> <mrow> <mi>L</mi> <mo>-</mo> <mi>T</mi> </mrow> <mo>)</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mi>o</mi> <mi>t</mi> <mi>O</mi> <mi>H</mi> <mi>i</mi> <mi>O</mi> <mi>H</mi> <mi>j</mi> <mi>C</mi> <mi>A</mi> <mi>L</mi> </mrow> </msub> <mo>(</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中T为控制系统的控制周期，L为滤波时间常数，k为滤波算法计算时刻。
4.如权利要求1所述的一种多星敏感器间慢变误差实时在轨修正方法，其特征在于，所述步骤S3中，
<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>O</mi> <mi>H</mi> <mi>i</mi> <mi>O</mi> <mi>H</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>O</mi> <mi>H</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CircleTimes;</mo> <msubsup> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>O</mi> <mi>H</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msubsup> </mrow>
其中，QbOHref表示基准头部OHref姿态测量坐标系到卫星本体坐标系的转换四元数。
5.如权利要求1所述的一种多星敏感器间慢变误差实时在轨修正方法，其特征在于，所述步骤S4中，
当i＜ref时，该头部与基准头部的坐标变换四元数实测值为：
QRotOHiOHref＝QRotOHiOHjCAL
当i＞ref时，该头部与基准头部的坐标变换四元数实测值为：
<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mi>o</mi> <mi>t</mi> <mi>O</mi> <mi>H</mi> <mi>i</mi> <mi>O</mi> <mi>H</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mi>o</mi> <mi>t</mi> <mi>O</mi> <mi>H</mi> <mi>i</mi> <mi>O</mi> <mi>H</mi> <mi>j</mi> <mi>C</mi> <mi>A</mi> <mi>L</mi> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msubsup> <mo>.</mo> </mrow> 1
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