CN107861919B - 一种星敏感器定姿星矢量权值实时分配方法 - Google Patents

一种星敏感器定姿星矢量权值实时分配方法 Download PDF

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Abstract

一种星敏感器定姿星矢量权值实时分配方法，包括以下步骤：S1、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和星矢量权值
Figure DDA0001415758400000013
其中i＝1,2,…,n，n为定姿星颗数,首次解算先验姿态四元数
Figure DDA0001415758400000011
S2、根据首次解算的先验姿态四元数
Figure DDA0001415758400000012
解算先验姿态矩阵A；S3、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和姿态矩阵A计算星矢量误差
Figure DDA0001415758400000015
；S4、根据矢量误差
Figure DDA0001415758400000014
计算动态权值ai；S5、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和动态权值ai二次迭代解算姿态四元数q。

Description

一种星敏感器定姿星矢量权值实时分配方法
技术领域
本发明涉及一种高精度星敏感器定姿星矢量权值实时分配方法。
背景技术
星敏感器是基于计算机视觉原理的光电测量仪器，其直接测量的物理量为恒星经光学系统在光电探测器上形成的近圆形光斑的质心，经质心提取、星矢量计算、星图匹配、姿态解算等步骤，最终得到卫星姿轨控系统需要的四元数。姿态四元数用于描述飞行器的姿态信息，准确的姿态矩阵A应满足公式：
Figure BDA0001415758380000011
式中：n为定姿星颗数，
Figure BDA0001415758380000012
是星敏感器测量坐标系下的观测星矢量；
Figure BDA0001415758380000013
是天球坐标系下的参考星矢量。
从星图成像到输出姿态，引入了各种误差，因此获得星敏感器姿态矩阵的准确值是不可能的，当前的求解思路大多基于1965年Wahba提出的最小损失函数:
Figure BDA0001415758380000014
式中：ai是恒星矢量的权值。
当前姿态解算算法中，大多以定姿星颗数为依据，采用等权值的方法解算姿态，由于星敏感器装调过程中产生的误差(比如像平面倾斜)及光学系统像差(球差、慧差、象散、场曲、位置色差、倍率色差、畸变)，以及恒星星等不一，质心算法提取的恒星矢量即使经过一系列处理，仍存在大小不一的残差。
发明内容
本发明的技术解决问题是：
克服现有技术的缺陷，提出一种计算量小，实现简单的方法，在轨飞行过程中实时估计观测星矢量的误差，以动态分配定姿星矢量的权值，提高姿态解算的精度，适用于高精度星敏感器的定姿星矢量权值的确定。
本发明的技术解决方案是：
一种星敏感器定姿星矢量权值实时分配方法，包括以下步骤：
S1、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和星矢量权值
Figure BDA00014157583800000211
其中i＝1,2,…,n，n为定姿星颗数，首次解算先验姿态四元数
Figure BDA0001415758380000021
S2、根据首次解算的先验姿态四元数
Figure BDA0001415758380000022
解算先验姿态矩阵A；
S3、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和姿态矩阵A计算星矢量误差
Figure BDA0001415758380000023
S4、根据矢量误差
Figure BDA0001415758380000024
计算动态权值ai；
S5、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和动态权值ai二次迭代解算姿态四元数q。
根据本发明的一个实施例，在步骤S1中，根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi，和星矢量权值
Figure BDA0001415758380000025
使用QUEST方法解算先验姿态四元数
Figure BDA0001415758380000026
根据本发明的一个实施例，在步骤S2中，先验姿态矩阵
Figure BDA0001415758380000027
根据本发明的一个实施例，在步骤S3中，根据等式
Figure BDA0001415758380000028
来计算星矢量误差
Figure BDA0001415758380000029
根据本发明的一个实施例，在步骤S4中，根据等式
Figure BDA00014157583800000210
来计算动态分配权值ai。
根据本发明的一个实施例，在步骤S5中，根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和动态权值ai使用QUEST方法进行二次迭代解算姿态四元数q。
一种存储了指令的计算机可读介质，当所述指令被至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器执行以下步骤：
S1、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和星矢量权值
Figure BDA0001415758380000031
其中i＝1,2,…,n，n为定姿星颗数，使用QUEST方法首次解算先验姿态四元数
Figure BDA0001415758380000032
S2、根据首次解算的先验姿态四元数
Figure BDA0001415758380000033
解算先验姿态矩阵A；
S3、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和姿态矩阵A计算星矢量误差
Figure BDA0001415758380000034
S4、根据矢量误差
Figure BDA0001415758380000035
计算动态权值ai；
S5、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和动态分配权值ai使用QUEST方法进行二次迭代解算姿态四元数q。
根据本发明的一个实施例，在步骤S2中，先验姿态矩阵
Figure BDA0001415758380000036
根据本发明的一个实施例，在步骤S3中，根据等式
Figure BDA0001415758380000037
来计算星矢量误差
Figure BDA0001415758380000038
根据本发明的一个实施例，在步骤S4中，根据等式
Figure BDA0001415758380000039
来计算动态权值ai。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)引入二次迭代，以解决无法直接准确计算每颗星矢量的误差问题；
(2)采用三维的星矢量信息计算误差，相对于转到二维焦平面内计算误差的方法，省去了将恒星矢量从天球坐标系反解到像平面坐标系的过程，节约了计算资源；
(3)采用动态权值的方法，相较于等权值解算姿态，可显著抑制光学系统像差等引起的误差。
附图说明
图1是高精度星敏感器定姿星矢量权值实时分配方法的流程图。
图2是单头星敏感器中的三轴姿态示意图。
图3是多头星敏感器中的三轴姿态示意图。
具体实施方式
下面结合附图，具体描述本发明的实施例。
如图1所示，高精度星敏感器定姿星矢量权值实时分配方法包括以下步骤：
S1、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和星矢量权值
Figure BDA0001415758380000041
其中i＝1,2,…,n，n为定姿星颗数，首次解算先验姿态四元数
Figure BDA0001415758380000042
在本发明的实施例中，将定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi，和星矢量权值
Figure BDA0001415758380000043
作为QUEST方法的输入，来解算先验姿态四元数
Figure BDA0001415758380000044
S2、根据首次解算的先验姿态四元数
Figure BDA0001415758380000045
解算先验姿态矩阵A。
在本发明的实施例中，先验姿态矩阵A如以下等式(3)所示：
Figure BDA0001415758380000046
S3、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和姿态矩阵A计算星矢量误差
Figure BDA0001415758380000047
在本发明的实施例中，
Figure BDA0001415758380000048
是根据以下等式(4)来计算的：
Figure BDA0001415758380000049
S4、根据矢量误差
Figure BDA00014157583800000410
计算动态分配权值ai。
在本发明的实施例中，在计算出n个矢量误差
Figure BDA00014157583800000411
后，计算n个矢量误差
Figure BDA00014157583800000412
的倒数的和
Figure BDA00014157583800000413
并根据以下等式(5)来计算动态权值ai：
Figure BDA00014157583800000414
S5、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和动态权值ai二次迭代解算姿态四元数q。
在本发明的实施例中，将定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和动态分配权值ai作为QUEST算法的输入，二次迭代解算姿态四元数q。
实施例
如图2所示，在单头星敏感器中，采用本发明的方法，解算姿态四元数q，再将姿态四元数q应用于敏感器，解算得到的三轴姿态相比于现有技术中的使用等权值解算得到的三轴姿态，在X,Y轴上精度均有提高。
如图3所示，在多头星敏感器中，采用本发明的方法，解算姿态四元数q，再将姿态四元数q应用于敏感器，解算得到的三轴姿态相比于现有技术中的使用等权值解算得到的三轴姿态，在X,Y,Z轴上精度均有提高。
综上所述，根据定姿星观测矢量的误差大小，来确定权值ai的动态分配的方法，可以有效提高姿态确定精度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种星敏感器定姿星矢量权值实时分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和星矢量权值
Figure FDA0002814823970000011
其中i＝1,2,…,n，n为定姿星颗数，首次解算先验姿态四元数
Figure FDA0002814823970000012
S2、根据首次解算的先验姿态四元数
Figure FDA0002814823970000013
解算先验姿态矩阵A；
S3、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和先验姿态矩阵A计算星矢量误差
Figure FDA0002814823970000014
S4、根据星矢量误差
Figure FDA0002814823970000015
计算动态权值ai；
S5、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和动态权值ai二次迭代解算姿态四元数q；
在步骤S3中，根据等式
Figure FDA0002814823970000016
来计算星矢量误差
Figure FDA0002814823970000017
2.根据权利要求1所述的星敏感器定姿星矢量权值实时分配方法，其特征在于，在步骤S1中，根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi，和星矢量权值
Figure FDA0002814823970000018
使用QUEST方法解算先验姿态四元数
Figure FDA0002814823970000019
3.根据权利要求2所述的星敏感器定姿星矢量权值实时分配方法，其特征在于，在步骤S2中，先验姿态矩阵
Figure FDA00028148239700000110
4.根据权利要求1所述的星敏感器定姿星矢量权值实时分配方法，其特征在于，在步骤S4中，根据等式
Figure FDA00028148239700000111
来计算动态权值ai。
5.根据权利要求1所述的星敏感器定姿星矢量权值实时分配方法，其特征在于，在步骤S5中，根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和动态权值ai使用QUEST方法进行二次迭代解算姿态四元数q。
6.一种存储了指令的计算机可读介质，其特征在于，当所述指令被至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器执行以下步骤：
S1、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和星矢量权值
Figure FDA0002814823970000021
其中i＝1,2,…,n，n为定姿星颗数，使用QUEST方法首次解算先验姿态四元数
Figure FDA0002814823970000022
S2、根据首次解算的先验姿态四元数
Figure FDA0002814823970000023
解算先验姿态矩阵A；
S3、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和姿态矩阵A计算星矢量误差
Figure FDA0002814823970000024
S4、根据矢量误差
Figure FDA0002814823970000025
计算动态权值ai；
S5、根据定姿星观测矢量Wi，参考矢量Vi和动态权值ai使用QUEST方法进行二次迭代解算姿态四元数q；
在步骤S3中，根据等式
Figure FDA0002814823970000026
来计算星矢量误差
Figure FDA0002814823970000027
7.根据权利要求6所述的存储了指令的计算机可读介质，其特征在于，在步骤S2中，先验姿态矩阵
Figure FDA0002814823970000028
8.根据权利要求6所述的存储了指令的计算机可读介质，其特征在于，在步骤S4中，根据等式
Figure FDA0002814823970000029
来计算动态权值ai。
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