CN109781103A - 基于双超平台的姿态角速度测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双超平台的姿态角速度测量方法及系统，包括：将运动学特性引入姿态测量模型，利用双超平台进行准静态姿态测量，获取陀螺的测量数据；利用双超平台的姿态测量结果对陀螺的常值漂移进行修正；基于被测对象的运动学特性，对出陀螺的动态测量误差进行修正；对修正后的数据进行反演插值，获取全时空内的测量结果。本发明适用于“高精高稳”的双超平台，可抑制陀螺的角随机游走，提高测量精度。

Description

基于双超平台的姿态角速度测量方法及系统

技术领域

本发明涉及姿态运动学领域，具体地，涉及基于双超平台的高精度姿态角速度测量方法及系统。

背景技术

随着卫星领域的不断发展，当前卫星领域已逐步从定性的功能化要求转变成高精度的定量化应用，测绘、气象、侦查等领域均对卫星的姿态稳定度提出更高的要求。为了获取超高精度的姿态稳定度，首先要解决高精度姿态角速度测量的问题。

卫星姿态角速度测量敏感器为陀螺。陀螺测量误差包含常偏、常值漂移和角随机游走。其中常偏可通过地面标定修正；常值漂移可通过姿态测量敏感器(如星敏感器)在轨修正；但角随机游走产生的随机测量噪声难以修正，影响陀螺的测量精度。

张洪华在《用于卫星角速度高精度测量的角动量陀螺》(见《控制工程》，1997年，第6期，页码1-6)一文里，介绍了通过陀螺可实现1×10^-4°/s量级的姿态角速度测量，该文章从姿态敏感器的角度阐述了陀螺的测量原理，未涉及更高精度的姿态角速度测量方法。

廖晖、周凤岐、周军在《利用预测滤波法估计小卫星姿态角速度》(见《西北工业大学学报》，2001年，第1期19卷，页码84-87)一文里，结合卫星姿态运动学方程和预测滤波法,建立了简单的线性估计模型,实时估计姿态角速度,并保证了估计的最优性。该方法适用于陀螺的常值漂移修正，无法补偿角随机游走。

李晓、赵宏、武延鹏、王立在《基于星敏感器的卫星角速度估计精度分析》(见《空间控制技术与应用》，2012年，第3期38卷，页码16-20)一文里，介绍了一种基于星敏感器差分的卫星姿态角速度测量方法。文中提到，该方法可用于陀螺的故障诊断，同时作为备份，在陀螺失效时为控制系统提供角速度信息，无法满足高精度测量需求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于双超平台的姿态角速度测量方法及系统。

根据本发明提供的一种基于双超平台的姿态角速度测量方法，包括

准静态姿态测量步骤：将运动学特性引入姿态测量模型，利用双超平台进行准静态姿态测量，获取陀螺的测量数据；

常值漂移修正步骤：利用双超平台的姿态测量结果对陀螺的常值漂移进行修正；

动态测量误差修正步骤：基于被测对象的运动学特性，对出陀螺的动态测量误差进行修正；

反演插值步骤：对修正后的数据进行反演插值，获取全时空内的测量结果。

较佳的，所述常值漂移修正步骤包括：获取陀螺的测量数据后，首先进行预处理，包括剔除陀螺常偏和轨道角速度，然后再进行常值漂移修正；

常值漂移修正引入姿态敏感器的测量数据，结合卫星的运动学方程，通过卡尔曼滤波算法，实时修正陀螺的常值漂移。

较佳的，所述动态测量误差修正步骤包括：

结合双超平台卫星超静超稳的运动学特性，利用连续的空间信号的动态测量误差修正方法，通过增加陀螺积分时间实现动态测量误差修正。

较佳的，设积分时间长度为Δt，则陀螺测量误差补偿后的结果为：

上式中，为t时刻误差补偿后的姿态角速度结果，w(t)为陀螺测量结果；展开上式得到：

w₀为卫星实际姿态角速度，n_v为陀螺角速度测量随机误差。

较佳的，所述反演插值步骤包括：

结合双超平台卫星超静超稳的运动学特性，对陀螺的测量数据按泰勒公式展开式求解，反演平滑滤波后姿态角速度变化曲线，并进行分段多项式插值，获取全时空内的测量结果。

根据本发明提供的一种基于双超平台的姿态角速度测量系统，包括

准静态姿态测量模块：将运动学特性引入姿态测量模型，利用双超平台进行准静态姿态测量，获取陀螺的测量数据；

常值漂移修正模块：利用双超平台的姿态测量结果对陀螺的常值漂移进行修正；

动态测量误差修正模块：基于被测对象的运动学特性，对出陀螺的动态测量误差进行修正；

反演插值模块：对修正后的数据进行反演插值，获取全时空内的测量结果。

较佳的，所述常值漂移修正模块包括：获取陀螺的测量数据后，首先进行预处理，包括剔除陀螺常偏和轨道角速度，然后再进行常值漂移修正；

常值漂移修正引入姿态敏感器的测量数据，结合卫星的运动学方程，通过卡尔曼滤波算法，实时修正陀螺的常值漂移。

较佳的，所述动态测量误差修正模块包括：

结合双超平台卫星超静超稳的运动学特性，利用连续的空间信号的动态测量误差修正方法，通过增加陀螺积分时间实现动态测量误差修正。

较佳的，设积分时间长度为Δt，则陀螺测量误差补偿后的结果为：

上式中，为t时刻误差补偿后的姿态角速度结果，w(t)为陀螺测量结果；展开上式得到：

w₀为卫星实际姿态角速度，n_v为陀螺角速度测量随机误差。

较佳的，所述反演插值模块包括：

结合双超平台卫星超静超稳的运动学特性，对陀螺的测量数据按泰勒公式展开式求解，反演平滑滤波后姿态角速度变化曲线，并进行分段多项式插值，获取全时空内的测量结果。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明适用于“高精高稳”的双超平台，可抑制陀螺的角随机游走，提高测量精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供的一种基于双超平台的姿态角速度测量方法，包括

陀螺测量常值漂移修正步骤：利用双超平台的姿态测量结果和轨道数据对陀螺的常值漂移进行修正。

步骤一：采集星上陀螺的原始测量数据，对陀螺的测量数据进行积分处理，得到初始的卫星姿态角速度测量结果；

上式中，θ₀为陀螺原始测量数据；Δt_g为积分时间；ω₀为初始的卫星姿态角速度测量结果。

步骤二：根据卫星的轨道信息计算出卫星的轨道角速度，在陀螺的初始的卫星姿态角速度测量结果里减掉卫星轨道角速度，完成轨道角速度修正；

ω₁＝ω₀-ω_sat

上式中，ω_sat为卫星的轨道角速度；ω₁为剔除卫星轨道角速度后的姿态角速度测量结果，

步骤三：引入姿态敏感器(如星敏感器)的测量数据，结合卫星的运动学方程，通过线性最小方差估计，实时计算陀螺的常值漂移，得到剔除常值漂移姿态角速度测量结果ω₂。

动态测量误差修正步骤：基于被测对象的运动学特性，对陀螺的动态测量误差进行修正。

步骤1：结合卫星的姿态动力学方程分析卫星的姿态角速度变化趋势。卫星的动力学方程可写为：

其中，为卫星的真实姿态角加速度，ω为卫星的真实姿态角速度，I为卫星的转动惯量，T为干扰力矩。

由于双超平台具有“高精高稳”的特点，可以隔离高频振动，因此干扰力矩T为常值量或长周期量，且量级较小。根据上述公式，可以得出卫星的姿态角速度变化缓慢，为长周期变化。

步骤2：分析陀螺的动态测量误差特性。陀螺的动态测量误差模型如下所示，

上式中，ω₂为剔除常值漂移和轨道角速度的姿态角速度测量结果，ω为卫星的真实姿态角速度，n_v为陀螺的角随机游走，Δt_g为积分时间。

因此，若要实现动态测量误差修正，提高陀螺测量精度，需要降低角随机游走对测量结果的影响。

步骤3：通过中值平均滤波抑制陀螺角随机游走引起的随机噪声。由于卫星的真实姿态角速度变化缓慢，且无高频振动，通过中值平均滤波后，有效降低了陀螺测量的高频随机噪声。

反演插值步骤：对修正后的数据进行反演插值，获取全时空内的测量结果。

步骤1：对所有的陀螺的测量数据按时间顺序划分成多段数据，每段数据包含5个陀螺测量数据；

步骤2：对于每一段数据，将5个测量数据按上述步骤进行常值漂移修正和动态测量误差修正；

步骤3：对5个修正后的陀螺数据进行二阶多项式拟合，得到该时间区域内的卫星姿态角速度与时间变化关系。

通过上述方式对陀螺数据进行分段拟合，即可获取全时空内的测量结果。

为了实现卫星的全时空高精度姿态角速度测量，可对误差补偿后的陀螺测量数据进行分段多项式插值。为了避免插值高阶震荡，发生龙格现象，多项式阶数不能选择太高，考虑到双超平台的高稳定性，选择二阶多项式拟合即可。

在上述一种基于双超平台的姿态角速度测量方法的基础上，本发明还提供一种基于双超平台的姿态角速度测量系统，包括

准静态姿态测量模块：将运动学特性引入姿态测量模型，利用双超平台进行准静态姿态测量，获取陀螺的测量数据。

传统的高精度姿态角速度测量方法是依赖测量敏感器陀螺的性能，其测量精度与卫星平台的运动学特性无直接关系，需要高精度的陀螺来保证，但仍无法消除角随机游走引入的随机误差。本文提出的基于双超平台的姿态角速度测量方法，结合卫星平台“高精高稳”的运动学特性，在准静态测量环境下实现测量误差补偿，实现动态测量误差抑制，提高测量精度。

常值漂移修正模块：利用双超平台的姿态测量结果对陀螺的常值漂移进行修正。

获取陀螺的测量数据后，首先进行预处理，包括剔除陀螺常偏和轨道角速度；然后再进行常值漂移修正。

常值漂移修正需要引入姿态敏感器(如星敏感器)的测量数据，结合卫星的运动学方程，通过卡尔曼滤波算法(一种基于状态估计的线性最小方差估计)，实时修正陀螺的常值漂移。

动态测量误差修正模块：基于被测对象的运动学特性，对出陀螺的动态测量误差进行修正。

陀螺的角随机游走会产生姿态角速度测量随机误差，需要通过特定的方法进行补偿。由于双超平台具有“高精高稳”的特点，卫星的姿态角速度变化缓慢，因此可以通过提高积分时间的方式抑制随机噪声。设积分时间为Δt，则陀螺测量误差补偿后的结果为：

上式中，为t时刻误差补偿后的姿态角速度结果；Δt为积分时间长度；w(t)为陀螺测量结果。对上式展开，可写成：

上式中，w₀为卫星实际姿态角速度；n_v为陀螺角速度测量随机误差。从上式可以看出，随着积分时间的增加，随机误差可被有效抑制。

反演插值模块：对修正后的数据进行反演插值，获取全时空内的测量结果。

为了实现卫星的全时空高精度姿态角速度测量，可对误差补偿后的陀螺测量数据进行分段多项式插值。为了避免插值高阶震荡，发生龙格现象，多项式阶数不能选择太高，考虑到双超平台的高稳定性，选择二阶多项式拟合即可。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于双超平台的姿态角速度测量方法，其特征在于，包括：

准静态姿态测量步骤：将运动学特性引入姿态测量模型，利用双超平台进行准静态姿态测量，获取陀螺的测量数据；

常值漂移修正步骤：利用双超平台的姿态测量结果对陀螺的常值漂移进行修正；

动态测量误差修正步骤：基于被测对象的运动学特性，对出陀螺的动态测量误差进行修正；

反演插值步骤：对修正后的数据进行反演插值，获取全时空内的测量结果。

2.根据权利要求1所述的基于双超平台的姿态角速度测量方法，其特征在于，所述常值漂移修正步骤包括：获取陀螺的测量数据后，首先进行预处理，包括剔除陀螺常偏和轨道角速度，然后再进行常值漂移修正；

常值漂移修正引入姿态敏感器的测量数据，结合卫星的运动学方程，通过卡尔曼滤波算法，实时修正陀螺的常值漂移。

3.根据权利要求1所述的基于双超平台的姿态角速度测量方法，其特征在于，所述动态测量误差修正步骤包括：

结合双超平台卫星超静超稳的运动学特性，利用连续的空间信号的动态测量误差修正方法，通过增加陀螺积分时间实现动态测量误差修正。

4.根据权利要求3所述的基于双超平台的姿态角速度测量方法，其特征在于，设积分时间长度为Δt，则陀螺测量误差补偿后的结果为：

上式中，为t时刻误差补偿后的姿态角速度结果，w(t)为陀螺测量结果；展开上式得到：

w₀为卫星实际姿态角速度，n_v为陀螺角速度测量随机误差。

5.根据权利要求1所述的基于双超平台的姿态角速度测量方法，其特征在于，所述反演插值步骤包括：

结合双超平台卫星超静超稳的运动学特性，对陀螺的测量数据按泰勒公式展开式求解，反演平滑滤波后姿态角速度变化曲线，并进行分段多项式插值，获取全时空内的测量结果。

6.一种基于双超平台的姿态角速度测量系统，其特征在于，包括：

准静态姿态测量模块：将运动学特性引入姿态测量模型，利用双超平台进行准静态姿态测量，获取陀螺的测量数据；

常值漂移修正模块：利用双超平台的姿态测量结果对陀螺的常值漂移进行修正；

动态测量误差修正模块：基于被测对象的运动学特性，对出陀螺的动态测量误差进行修正；

反演插值模块：对修正后的数据进行反演插值，获取全时空内的测量结果。

7.根据权利要求6所述的基于双超平台的姿态角速度测量系统，其特征在于，所述常值漂移修正模块包括：获取陀螺的测量数据后，首先进行预处理，包括剔除陀螺常偏和轨道角速度，然后再进行常值漂移修正；

常值漂移修正引入姿态敏感器的测量数据，结合卫星的运动学方程，通过卡尔曼滤波算法，实时修正陀螺的常值漂移。

8.根据权利要求6所述的基于双超平台的姿态角速度测量系统，其特征在于，所述动态测量误差修正模块包括：

结合双超平台卫星超静超稳的运动学特性，利用连续的空间信号的动态测量误差修正方法，通过增加陀螺积分时间实现动态测量误差修正。

9.根据权利要求8所述的基于双超平台的姿态角速度测量系统，其特征在于，设积分时间长度为Δt，则陀螺测量误差补偿后的结果为：

上式中，为t时刻误差补偿后的姿态角速度结果，w(t)为陀螺测量结果；展开上式得到：

w₀为卫星实际姿态角速度，n_v为陀螺角速度测量随机误差。

10.根据权利要求6所述的基于双超平台的姿态角速度测量系统，其特征在于，所述反演插值模块包括：

结合双超平台卫星超静超稳的运动学特性，对陀螺的测量数据按泰勒公式展开式求解，反演平滑滤波后姿态角速度变化曲线，并进行分段多项式插值，获取全时空内的测量结果。