CN107421541B - 一种容错非接触式失效卫星的形态参数测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种容错非接触式失效卫星的形态参数测算方法，在所建立的基于对偶矢量四元数的相对运动学与动力学模型的基础上，根据分别来自两颗方案飞行的微小卫星的测量输入设计容错卡尔曼形态参数测算算法，对所需要测算的失效卫星形态参数进行测算。所采用的容错卡尔曼滤波器的观测量是将分别来自两颗编队飞行微小卫星的用现有的观测技术获得的带有噪声的失效卫星姿态四元数以及相对距离作为测量值。采用基于联邦滤波的信息分配算法处理来自不同微小卫星的形态参数测算值，从而处理参数测算过程中出现的不确定性环境以及测量错误来的形态参数错误估计等问题，获得对失效卫星准确的形态参数测算。

Description

一种容错非接触式失效卫星的形态参数测算方法

技术领域

本发明涉及航天领域的空间在轨服务技术，属于失效卫星的位姿、转动惯量与目标质心位置的参数测算领域，特别涉及一种容错非接触式失效卫星的形态参数测算方法。

背景技术

随着航天科技的发展与各类航天任务的开展，越来越多的卫星被应用于各种任务中。由于使用年限，未知故障以及空间环境影响等各种内外因素影响，有一定数量的卫星已经或正在结束其服务。然而，由于这类太空资产价值昂贵且占据宝贵的太空轨道资源，仅仅由于一些故障而使其不得不终止服务或任由其占据空间位置将会对后续空间任务产生重大影响并且造成资源大幅浪费。因此，对这类失效的卫星进行在轨服务是当前急需完成的任务，对其进行抓捕前的非接触式形态参数测算是亟待解决的问题之一。

由于微小卫星成本低，研制周期短，采用编队飞行的微小卫星进行诸多空间服务是目前的一大趋势。采用编队飞行的微小卫星进行在轨服务更能提其性能。

对失效卫星的形态参数进行自适应非接触式测算有着重要意义：其一，测算出的形态参数能够对失效卫星的状态进行评估；其二，利用已经获得的形态参数能够对下一步的抓捕提供重要参考。

对失效卫星而言，现有的参数测算技术大多是接触式的参数辨识技术，这类技术虽然具有一定的精度，然而由于需要服务航天器与目标接触而限制了其使用范围。同时，对失效卫星进行参数测算的应用中，极少有对失效卫星的形态参数一并测算的技术。大多数只是对其姿态或者位置进行分开测算，而忽略其质量特性参数的测算。这样会造成参数测算不完全，并且参数测算效率较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是采用两颗编队飞行的微小卫星，提成了一种容错非接触式失效卫星的形态参数测算方法，在非接触的情况对翻滚状态的失效卫星的形态参数进行一体化的测算。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种容错非接触式失效卫星的形态参数测算方法，包括：

1)基于矢量对偶四元数，建立失效卫星相对于服务航天器的运动学与动力学模型；

2)对失效卫星的姿态与相对距离做出带噪声的测量；

3)采用编队飞行的微小卫星系统，在建立基于对偶矢量四元数相对运动学与动力学的基础上，以测得的含有噪声的卫星姿态四元数以及相对距离数据作为观测量，构建容错卡尔曼滤波算法，实时地估计出系统的形态参数信息。

所述的形态参数信息包括：相对位置参数、相对姿态参数、失效卫星的转动惯量比值参数及失效卫星的质心参数。

所述的卡尔曼滤波算法是基于扩展卡尔曼滤波器，并且采用分别来自两颗微小卫星的形态参数估计作为输入，并对来自两颗微小卫星的形态参数估计进行信息分配，针对不确定的空间环境以及测量误差对失效卫星的形态参数做出测算。

采用激光成像系统对失效卫星的姿态与相对距离做出带噪声的测量。

失效卫星相对每颗微小卫星基于对偶矢量四元数运动学方程为：

其中为

是失效卫星的相对距离，

是惯性系{I}相对于失效卫星本体系{B}的姿态四元数；

是卫星自转的角速度矢量，

是失效卫星的相对速度矢量。

对偶矢量四元数的动力学方程为：

定义运算：

以及：

其中，

为失效卫星三轴转动惯量矩阵，

并且

形态参数信息为：

其中，

为相对姿态对偶矢量四元数，

为相对姿态运动对偶矢量四元数，

为转动惯量比值对偶矢量四元数且

为失效卫星质心位置对偶矢量四元数且ρ＝[ρ_xρ_yρ_z]为失效卫星质心位置矢量在失效卫星本体坐标系的表达，i＝1，2，分别代表两颗方案飞行微小卫星。

测量相对距离的观测方程为：

其中，q_m,i，r_m,i为第i个微小卫星对测量的失效卫星相对姿态四元数与相对距离，v_i为第i个微小卫星观测噪声，i＝1，2，分别代表两颗方案飞行微小卫星。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明针对空间中的失效卫星采用对偶矢量四元数建立其运动学与动力学的模型，因此能够一体化获得有关失效卫星的形态参数；采用两颗方案飞行的微小卫星针对空间环境的复杂性以及测量的失误设计了容错形态参数测算滤波算法，采用这种方法能够将微小卫星编队引入对失效卫星的在轨服务中，进而能够发挥微小卫星的优势，并且能够在单颗微小卫星测量失效的条件下仍对失效卫星形态参数做出准确测算，更利于实际应用。在所建立的基于对偶矢量四元数的相对运动学与动力学模型的基础上，根据分别来自两颗方案飞行的微小卫星的测量输入设计容错卡尔曼形态参数测算算法，对所需要测算的失效卫星形态参数进行测算。所采用的容错卡尔曼滤波器的观测量是将分别来自两颗编队飞行微小卫星的用现有的观测技术获得的带有噪声的失效卫星姿态四元数以及相对距离作为测量值。采用基于联邦滤波的信息分配算法处理来自不同微小卫星的形态参数测算值，从而处理参数测算过程中出现的不确定性环境以及测量错误来的形态参数错误估计等问题，获得对失效卫星准确的形态参数测算。

附图说明

图1为两颗编队微小卫星与失效卫星的相对模型；

图2为设计的容错对偶矢量四元数形态参数滤波算法流程图；

图3为位姿参数估计值的误差收敛实例图；

图4为质量特性参数(转动惯量比值)估计值的误差收敛过程的实例图；

图5为质量特性参数(失效卫星的质心位置)估计值的误差收敛过程的实例图。

图中，1为小卫星1，2为小卫星2，3为视觉敏感器1，4为视觉敏感器2，5为识别位置，6为空间非合作目标。

具体实施方式

本发明首先采用新型的对偶矢量四元数对失效卫星进行运动学与动力学的建模；其次，采用激光成像系统对失效卫星的姿态与相对距离做出带噪声的测量。随即，在上述模型和测量的基础上，针对两颗进行方案飞行的微小卫星，设计基于对偶矢量四元数容错形态参数滤波算法，在外界干扰以及测量有误的情况下对失效卫星的位置参数，姿态参数，转动惯量比值与失效卫星的质心位置进行一体化的容错参数测算。

本发明的方法具体包括以下步骤：

步骤一：建立失效卫星相对每颗微小卫星基于对偶矢量四元数运动学方程

其中为

是失效卫星的相对距离，

是惯性系{I}相对于失效卫星本体系{B}的姿态四元数；

是卫星自转的角速度矢量，

是失效卫星的相对速度矢量。

步骤二：建立对偶矢量四元数的动力学方程：

定义运算：

以及：

其中，

为失效卫星三轴转动惯量矩阵，

并且

步骤三：建立形态参数状态(i＝1，2，分别代表两颗方案飞行微小卫星)：

其中，

为相对姿态对偶矢量四元数，

为相对姿态运动对偶矢量四元数，

为转动惯量比值对偶矢量四元数且

为失效卫星质心位置对偶矢量四元数且ρ＝[ρ_x ρ_y ρ_z]为失效卫星质心位置矢量在失效卫星本体坐标系的表达。

步骤四：考虑到失效卫星的翻滚，其姿态四元数以及相对服务航天器的距离可以借助现有的技术直接观测到，建立观测方程(i＝1，2)：

其中，q_m,i，r_m,i为第i个微小卫星对测量的失效卫星相对姿态四元数与相对距离，v_i为第i个微小卫星观测噪声。

步骤五：结合基于对偶矢量四元数的运动学与动力学方程以及观测方程，设计每颗微小卫星针对失效卫星基于对偶矢量四元数的形态参数测算滤波算法。

步骤六：在上一步得到的滤波算法基础上，针对失效卫星所处的空间环境干扰以及测量误差进行分析，设计采用两颗方案飞行微小卫星的基于对偶矢量四元数的容错参数测算滤波算法。

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对本发明内容做进一步说明。

图1展示了两颗编队飞行微小卫星与失效卫星的相对模型。其中{I}为惯性坐标系，{B}为失效卫星本体坐标系，{B1}和{B2}为微小卫星本体系且在方案飞行状态下两者相互平行。失效卫星的姿态四元数所反映的就是从惯性坐标系到本体坐标系的旋转。服务航天器使用立体视觉设备或激光测距仪可以测得姿态四元数四个变量随时间变化的函数。由于干扰力矩和观测误差的影响，测量结果是受噪声污染的。应用本方法，可以利用这些观测噪声实时地估计出该失效卫星的形态参数(转动惯量比值以及失效卫星的质心位置)，具体包括以下步骤：

步骤一：基于矢量对偶四元数，建立失效卫星相对于服务航天器的运动学与动力学模型。详见方程(0.1)～(..9)。

步骤二：针对每一颗微小卫星(i＝1，2)，令X_i表示失效卫星将被估计的形态参数，以姿态四元数q_i以及相对距离r_m,i的实时观测量为输入，构建基于对偶矢量四元数的扩展卡尔曼滤波算法。

步骤三：利用步骤二所设计的基于对偶矢量四元数的扩展卡尔曼滤波算法时所获得的新息信息，针对不确定空间环境以及观测误差，设计针对两颗编队飞行的微小卫星的基于对偶矢量四元数的容错扩展卡尔曼滤波算法，生成新的失效卫星形态参数X，算法流程图如图2所示。具体为：

a、初始化；

b、单颗微小卫星对偶矢量四元数扩展卡尔曼滤波；

c、每颗微小卫星形态参数估计协方差计算；

d、基于c的四种情况分类；

e、针对不同情况，基于对偶矢量的容错形态参数估计：

e1.两颗微小卫星均测量正常，则输出为两者的平均值；

e2.微小卫星1测量正常，微小卫星2测量不正常，则输出为微小卫星1的估计值；

e3.微小卫星1测量不正常，微小卫星2测量正常，则输出为微小卫星2的估计值；

e4.两颗微小卫星均测量不正常，则根据两者各自的输出与协方差矩阵，输出信息融合后的综合估计值；

f、重构参数赋值；

h、返回步骤b。

步骤四：利用步骤三所设计的算法得到有关X的测算结果如图3，图4，图5所示，可见估计值与真实值的相对误差随着观测量的增加而趋近于零。

本实例中采用的系统真实初始参数值如表1所示(两颗编队飞行微小卫星参数一致)。

表1

本实例中采用的系统仿真初始参数的值如表2所示。

表2

本发明保护范围不仅局限于实施例，实施例用于解释本发明，凡与本发明在相同原理和构思下的变更或修改均在本发明公开的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种容错非接触式失效卫星的形态参数测算方法，其特征在于，包括：

1)基于矢量对偶四元数，建立失效卫星相对于服务航天器的运动学与动力学模型；

2)对失效卫星的姿态与相对距离做出带噪声的测量；

3)采用编队飞行的微小卫星系统，在建立基于对偶矢量四元数相对运动学与动力学的基础上，以测得的含有噪声的卫星姿态四元数以及相对距离数据作为观测量，构建容错卡尔曼滤波算法，实时地估计出系统的形态参数信息；

所述的形态参数信息包括：相对位置参数、相对姿态参数、失效卫星的转动惯量比值参数及失效卫星的质心参数；

所述的卡尔曼滤波算法是基于扩展卡尔曼滤波器，并且采用分别来自两颗微小卫星的形态参数估计作为输入，并对来自两颗微小卫星的形态参数估计进行信息分配，针对不确定的空间环境以及测量误差对失效卫星的形态参数做出测算；

采用激光成像系统对失效卫星的姿态与相对距离做出带噪声的测量；

在上述模型和测量的基础上，针对两颗飞行微小卫星，设计基于对偶矢量四元数容错形态参数滤波算法，在外界干扰以及测量有误的情况下对失效卫星的相对位置参数、相对姿态参数、失效卫星的转动惯量比值参数及失效卫星的质心参数进行一体化的形态参数测算；

失效卫星相对每颗微小卫星基于对偶矢量四元数运动学方程为：

其中，

是失效卫星与服务航天器之间的相对距离在失效卫星本体坐标系中的表达，

是惯性系{I}相对于失效卫星本体坐标系{B}的姿态四元数；

是卫星自转的角速度矢量，

是失效卫星的相对速度矢量；

对偶矢量四元数的动力学方程为：

定义运算：

以及：

其中，

为失效卫星三轴转动惯量矩阵，

并且

2.根据权利要求1所述的容错非接触式失效卫星的形态参数测算方法，其特征在于：

形态参数信息为：

其中，

为转动惯量比值对偶矢量四元数，且

为失效卫星质心位置对偶矢量四元数，且ρ＝[ρ_x ρ_y ρ_z]为失效卫星质心位置矢量在失效卫星本体坐标系{B}的表达，i＝1，2，分别代表两颗飞行微小卫星。

3.根据权利要求2所述的容错非接触式失效卫星的形态参数测算方法，其特征在于：测量相对距离的观测方程为：

其中，q_m,i、r_m,i为第i个微小卫星对测量的失效卫星相对姿态四元数与相对距离，v_i为第i个微小卫星观测噪声，i＝1，2，分别代表两颗飞行微小卫星。

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