CN107246883A - 一种高精度星敏感器安装矩阵在轨实时校准方法 - Google Patents
一种高精度星敏感器安装矩阵在轨实时校准方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种高精度星敏感器安装矩阵在轨实时校准方法，解算实测安装关系四元数，对安装关系四元数的矢量部分进行滤波校准，采用校准后的安装关系四元数解算安装矩阵。本发明在无准确先验信息的条件下，通过量测残差序列给出滤波收敛判据，若收敛，衰减因子取1，并在线估计参数R，以避免收敛判据失效，若发散，实时解算衰减因子，调整当前拍在滤波过程中的权重，可有效解决因模型不准确导致的滤波性能下降甚至发散问题，本发明对安装矩阵进行实时校准补偿，不需存储大量的量测信息，本发明直接对安装关系四元数的矢部进行滤波，而不是三轴欧拉角，避免了反三角解算引入的误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度星敏感器安装矩阵在轨实时校准方法。
背景技术
星敏感器作为目前精度最高的姿态敏感器在航天任务中得到了广泛应用。传统星敏感器星光来自单一视场，受视场限制，星间角距较小，导致解算出的光轴方向姿态角精度比另外两轴姿态角精度低一个数量级，导致三轴姿态精度不一致。当杂散光进视场，或者受空间辐射影响时可能无法稳定可靠的输出姿态。
为了进一步提高星敏感器的性能，近年来国外出现了多视场星敏感器的概念。如法国Sodern公司的Hydra星敏感器，美国Ball公司的FSC-701星敏感器，日本三菱电机的SIS星敏感器以及德国Jena-Optroni公司的ASTRO-APS星敏感器。与单视场星敏感器相比，对多个视场的观测信息融合处理，扩大了视场角，提高了光轴方向的精度，使多探头星敏感器三轴精度一致，可靠性更高。
在多视场观测信息融合过程中，涉及到各探头之间的空间关系转换，探头之间的安装矩阵准确与否对最终的融合姿态精度起到决定性作用。在航天器发射之前，通过安装装调已经确定了星敏感器各探头之间的空间关系。受航天器发射过程中的振动，以及在轨热环境等因素的影响，各探头的安装关系并非常值。因此，实时校准探头之间的安装关系成为保证多探头星敏感器精度的关键。
星矢量融合需要对不同探头测量坐标系下的定姿星做空间配准，安装矩阵的准确性直接影响了融合姿态的精度。由各探头输出的四元数直接解算出的实测安装关系包含了不同频率的误差成分，因此不能简单的做滤波去噪，如果不作处理直接采用该值，测量误差会导致融合结果无法达到要求。
发明内容
本发明提供一种高精度星敏感器安装矩阵在轨实时校准方法，可以在轨实时校准补偿卫星的结构变形对探头之间安装矩阵的影响，具有很强的跟踪能力和自适应性，用于多探头星敏感器视场融合中的空间配准，提高融合姿态的精度。
为了达到上述目的，本发明提供一种高精度星敏感器安装矩阵在轨实时校准方法，包含以下步骤：
步骤S1、解算实测安装关系四元数；
步骤S2、对安装关系四元数的矢量部分进行滤波校准；
步骤S3、采用校准后的安装关系四元数解算安装矩阵。
在步骤S1中，选定探头A为基准头部，由实时输出的探头A，探头B的四元数qA，qB解算探头A和探头B之间的实测安装关系四元数qBA：
实测安装关系四元数qBA表示为：
由于四元数的自由度为3，只对其矢部q滤波平滑；
取线性离散系统状态为则系统方程为：
式中，k为离散时间；系统在时刻k的状态矢量xk∈R3；yk∈R3为对应状态的观测矢量；wk～N(0,Qk)为高斯分布的过程激励噪声；vk～N(0,Rk)为高斯观测噪声；D为状态转移矩阵；G为观测矩阵；由于建立的是线性模型，这里D和G取为三阶单位阵。
所述的步骤S2中，对安装关系四元数的矢量部分进行滤波校准的方法包含以下步骤：
步骤S2.1、输入线性离散系统状态量的初始值x0和协方差的初始值P0；
地面安装装调时得到安装关系四元数初值，x0取其矢部，P0任取一量级小于单位阵的非零对角阵；
步骤S2.2、进行状态一步预测：
xk|k-1＝Dxk-1 (4)
步骤S2.3、计算量测残差：
vk＝yk-Gxk|k-1 (5)
步骤S2.4、判断系统是否发散，若收敛判据成立，说明滤波正常，进行步骤S2.5，若收敛判据不成立，说明滤波发散，进行步骤S2.6；
所述的收敛判据为：
式中，γ为储备系数(γ≥1)，γ＝1是最严格的收敛判据；
步骤S2.5、令衰减因子λk＝1，同时由量测残差在线估计测量噪声协方差R，进行步骤S2.7
式中，dk＝(1-b)/(1-bk+1)，b为遗忘因子，一般取0.95～0.99；
步骤S2.6、更新衰减因子，进行步骤S2.7；
步骤S2.7、一步预测协方差阵：
式中，Q为过程激励噪声协方差；
步骤S2.8、计算增益：
Kk＝Pk|k-1GT(R+GPk|k-1GT)-1 (9)
步骤S2.9、更新状态方程：
xk＝xk|k-1+Kkvk (10)
步骤S2.10、更新协方差阵：
Pk＝(I3×3-KkG)Pk|k-1 (11)。
所述的步骤S2.6中，更新衰减因子的方法具体包含以下步骤：
步骤S2.6.1、根据量测残差实时调整衰减因子：
步骤S2.6.2、判断衰减因子是否满足Lk≤ω，其中，ω是星敏运行角速度，若是，进行步骤S2.6.4，若否，进行步骤S2.6.3；
步骤S2.6.3、令Lk＝Lk/10，进行步骤S2.6.2；
步骤S2.6.4、令λk＝1+Lk，若λk＞λmax，取λk＝λmax，λmax为设定的衰减因子最大值。
所述的步骤S3中，采用校准后的安装关系四元数解算安装矩阵的方法包含以下步骤：
步骤S3.1、获得滤波校准后的安装关系四元数的矢量部分：
步骤S3.2、解算安装关系四元数的标量部分：
若q0＜0，则否则
步骤S3.3、根据安装关系四元数解算安装矩阵：
转换矩阵CBA由下式解得：
本发明在无准确先验信息的条件下，通过量测残差序列给出滤波收敛判据，若收敛，衰减因子取1，并在线估计参数R，以避免收敛判据失效，若发散，实时解算衰减因子，调整当前拍在滤波过程中的权重，可有效解决因模型不准确导致的滤波性能下降甚至发散问题，本发明对安装矩阵进行实时校准补偿，不需存储大量的量测信息，本发明直接对安装关系四元数的矢部进行滤波，而不是三轴欧拉角，避免了反三角解算引入的误差。
附图说明
图1是本发明提供的一种高精度星敏感器安装矩阵在轨实时校准方法的流程图。
图2是集中式星矢量融合示意图。
图3是对安装关系四元数的矢量部分进行滤波校准的方法的流程图。
图4是参数Q取不同值时的滤波结果。
图5是更新衰减因子的流程图。
图6是采用校准后的安装关系四元数解算安装矩阵的流程图。
具体实施方式
以下根据图1～图6，具体说明本发明的较佳实施例。
考虑到星敏感器在轨运行期间，受空间热环境影响，结构发生变形，本发明基于四元数自适应卡尔曼滤波原理(以下简称q-AKF)，根据量测残差实时调整当前拍在滤波中的权重，避免因模型不准导致滤波性能下降甚至发散的问题。
如图1所示，本发明提供一种高精度星敏感器安装矩阵在轨实时校准方法，包含以下步骤：
步骤S1、解算实测安装关系四元数；
步骤S2、对安装关系四元数的矢量部分进行滤波校准；
步骤S3、采用校准后的安装关系四元数解算安装矩阵。
如图2所示，是集中式星矢量融合示意图，在步骤S1中，选定探头A为基准头部，由实时输出的探头A，探头B的四元数qA，qB解算探头A和探头B之间的实测安装关系四元数qBA：
由于结构变形量较小，在短时间内(10～20min以内)也可认为不变，因此可建立线性离散卡尔曼Kalman滤波模型对安装矩阵进行实时校准；
实测安装关系四元数qBA可表示为：
由于四元数的自由度为3，所以可只对其矢部滤波平滑；
取线性离散系统状态为则系统方程为：
式中，k为离散时间；系统在时刻k的状态矢量xk∈R3；yk∈R3为对应状态的观测矢量；wk～N(0,Qk)为高斯分布的过程激励噪声；vk～N(0,Rk)为高斯观测噪声；D为状态转移矩阵；G为观测矩阵；由于建立的是线性模型，这里D和G取为三阶单位阵。
如图3所示，所述的步骤S2中，对安装关系四元数的矢量部分进行滤波校准的方法包含以下步骤：
步骤S2.1、输入线性离散系统状态量的初始值x0和协方差的初始值P0；
地面安装装调时得到安装关系四元数初值，x0取其矢部，P0任取一量级小于单位阵的非零对角阵；
步骤S2.2、进行状态一步预测：
xk|k-1＝Dxk-1 (4)
步骤S2.3、计算量测残差：
vk＝yk-Gxk|k-1 (5)
步骤S2.4、判断系统是否发散，若收敛判据成立，说明滤波正常，进行步骤S2.5，若收敛判据不成立，说明滤波发散，进行步骤S2.6；
所述的收敛判据为：
式中，γ为储备系数(γ≥1)，γ＝1是最严格的收敛判据；
步骤S2.5、令衰减因子λk＝1，同时，为了避免因参数R的取值不合理导致收敛判据失效，由量测残差在线估计测量噪声协方差R，进行步骤S2.7
式中，dk＝(1-b)/(1-bk+1)，b为遗忘因子，一般取0.95～0.99；
步骤S2.6、更新衰减因子，进行步骤S2.7；
步骤S2.7、一步预测协方差阵：
Pk|k-1＝D(λk*Pk-1)DT+Q (8)
式中，Q为过程激励噪声协方差，该参数被用来表示状态转换矩阵与实际过程之间的误差，因为无法直接观测到过程信号，所以Q的取值是很难确定的，无在轨数据支撑条件下，参数Q无法准确估计，如图4所示，在Q取值接近于真实值和小于真实值的条件下，安装矩阵三轴欧拉角总能收敛于参考值，Q越接近于真实值收敛速度越快，当Q过大时，融合姿态精度降低，所以Q取值不宜过大；
步骤S2.8、计算增益：
Kk＝Pk|k-1GT(R+GPk|k-1GT)-1 (9)
式中，R为测量噪声协方差，滤波器实际实现时，测量噪声协方差一般可以观测得到；
若星敏感器高频误差为Expect_Error角秒，测量噪声协方差R可由下式求出：
步骤S2.9、更新状态方程：
xk＝xk|k-1+Kkvk (10)
步骤S2.10、更新协方差阵：
Pk＝(I3×3-KkG)Pk|k-1 (11)。
如图5所示，所述的步骤S2.6中，更新衰减因子的方法具体包含以下步骤：
步骤S2.6.1、根据量测残差实时调整衰减因子：
步骤S2.6.2、判断衰减因子是否满足Lk≤ω，其中，ω是星敏运行角速度(ω的单位为度/秒)，若是，进行步骤S2.6.4，若否，进行步骤S2.6.3；
由于结构变形量与温度变化量成正比，星敏运行角速率ω与温度变化率成正比；
步骤S2.6.3、令Lk＝Lk/10，进行步骤S2.6.2；
步骤S2.6.4、令λk＝1+Lk，若λk＞λmax，取λk＝λmax，λmax为设定的衰减因子最大值。
如图6所示，所述的步骤S3中，采用校准后的安装关系四元数解算安装矩阵的方法包含以下步骤：
步骤S3.1、获得滤波校准后的安装关系四元数的矢量部分：
步骤S3.2、解算安装关系四元数的标量部分：
若q0＜0，则否则
步骤S3.3、根据安装关系四元数解算安装矩阵：
转换矩阵CBA可由下式解得：
本发明在无准确先验信息的条件下，通过量测残差序列给出滤波收敛判据，若收敛，衰减因子取1，并在线估计参数R，以避免收敛判据失效，若发散，实时解算衰减因子，调整当前拍在滤波过程中的权重，可有效解决因模型不准确导致的滤波性能下降甚至发散问题，本发明对安装矩阵进行实时校准补偿，不需存储大量的量测信息，本发明直接对安装关系四元数的矢部进行滤波，而不是三轴欧拉角，避免了反三角解算引入的误差。
本发明可以在轨实时校准补偿卫星的结构变形对探头之间安装矩阵的影响，具有很强的跟踪能力和自适应性，用于多探头星敏感器视场融合中的空间配准，提高融合姿态的精度。
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)
1.一种高精度星敏感器安装矩阵在轨实时校准方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1、解算实测安装关系四元数；
步骤S2、对安装关系四元数的矢量部分进行滤波校准；
步骤S3、采用校准后的安装关系四元数解算安装矩阵。
2.如权利要求1所述的高精度星敏感器安装矩阵在轨实时校准方法，其特征在于，在步骤S1中，选定探头A为基准头部，由实时输出的探头A，探头B的四元数qA，qB解算探头A和探头B之间的实测安装关系四元数qBA：
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实测安装关系四元数qBA表示为：
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由于四元数的自由度为3，只对其矢部滤波平滑；
取线性离散系统状态为则系统方程为：
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</mrow>
式中，k为离散时间；系统在时刻k的状态矢量xk∈R3；yk∈R3为对应状态的观测矢量；wk～N(0,Qk)为高斯分布的过程激励噪声；vk～N(0,Rk)为高斯观测噪声；D为状态转移矩阵；G为观测矩阵；由于建立的是线性模型，这里D和G取为三阶单位阵。
3.如权利要求2所述的高精度星敏感器安装矩阵在轨实时校准方法，其特征在于，所述的步骤S2中，对安装关系四元数的矢量部分进行滤波校准的方法包含以下步骤：
步骤S2.1、输入线性离散系统状态量的初始值x0和协方差的初始值P0；
地面安装装调时得到安装关系四元数初值，x0取其矢部，P0任取一量级小于单位阵的非零对角阵；
步骤S2.2、进行状态一步预测：
xk|k-1＝Dxk-1 (4)
步骤S2.3、计算量测残差：
vk＝yk-Gxk|k-1 (5)
步骤S2.4、判断系统是否发散，若收敛判据成立，说明滤波正常，进行步骤S2.5，若收敛判据不成立，说明滤波发散，进行步骤S2.6；
所述的收敛判据为：
<mrow>
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<mi>k</mi>
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<mi>v</mi>
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式中，γ为储备系数(γ≥1)，γ＝1是最严格的收敛判据；
步骤S2.5、令衰减因子λk＝1，同时由量测残差在线估计测量噪声协方差R，进行步骤S2.7
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</mrow>
式中，dk＝(1-b)/(1-bk+1)，b为遗忘因子，一般取0.95～0.99；
步骤S2.6、更新衰减因子，进行步骤S2.7；
步骤S2.7、一步预测协方差阵：
Pk|k-1＝D(λk*Pk-1)DT+Q (8)
式中，Q为过程激励噪声协方差；
步骤S2.8、计算增益：
Kk＝Pk|k-1GT(R+GPk|k-1GT)-1 (9)
步骤S2.9、更新状态方程：
xk＝xk|k-1+Kkvk (10)
步骤S2.10、更新协方差阵：
Pk＝(I3×3-KkG)Pk|k-1 (11)。
4.如权利要求3所述的高精度星敏感器安装矩阵在轨实时校准方法，其特征在于，所述的步骤S2.6中，更新衰减因子的方法具体包含以下步骤：
步骤S2.6.1、根据量测残差实时调整衰减因子：
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
步骤S2.6.2、判断衰减因子是否满足Lk≤ω，其中，ω是星敏运行角
速度，若是，进行步骤S2.6.4，若否，进行步骤S2.6.3；
步骤S2.6.3、令Lk＝Lk/10，进行步骤S2.6.2；
步骤S2.6.4、令λk＝1+Lk，若λk＞λmax，取λk＝λmax，λmax为设定的衰减因子最大值。
5.如权利要求4所述的高精度星敏感器安装矩阵在轨实时校准方法，其特征在于，所述的步骤S3中，采用校准后的安装关系四元数解算安装矩阵的方法包含以下步骤：
步骤S3.1、获得滤波校准后的安装关系四元数的矢量部分：
<mrow>
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<mi>q</mi>
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</mrow>
步骤S3.2、解算安装关系四元数的标量部分：
若q0＜0，则否则
步骤S3.3、根据安装关系四元数解算安装矩阵：
转换矩阵CBA由下式解得：
<mrow>
<msub>
<mi>C</mi>
<mrow>
<mi>B</mi>
<mi>A</mi>
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