CN109945854B - 一种基于四元数差值融合星敏感器数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于四元数差值融合星敏感器数据的方法，包括：确定两个星敏感器的测量精度和动态跟踪角速率，其中所述两个星敏感器的视轴彼此平行，基于由两个星敏感器输出的姿态四元数计算误差四元数以确定误差空间轴及空间角；根据所述两个星敏感器的测量精度和动态跟踪角速率确定两个星敏感器的数据融合的权重比例系数，并且在此基础上确定融合空间角并得到融合差值四元数；以及根据融合差值四元数及两个星敏感器的输出四元数确定所述两个星敏感器的星敏感器数据融合四元数。通过该方法，可以进行满足视轴安装方向相同的两个星敏感器的数据融合，从而有效提高定姿精度。

Description

一种基于四元数差值融合星敏感器数据的方法

技术领域

本发明总的来说涉及航天器姿态控制技术领域，具体而言涉及一种基于四元数差值融合星敏感器数据的方法。

背景技术

随着卫星研制技术逐渐成熟和不断发展，卫星的应用范围也越来越广。这其中，观测侦查类功能的卫星占了很大比例，该类卫星的一大特点是高精度定姿，而定姿精度的高低，直接决定了任务的成败。卫星的定姿精度主要取决于传感器的精度。在卫星姿态控制系统中，目前精度最高的传感器为星敏感器，其精度可达角秒量级。星敏感器的工作原理是以一定星等的恒星为基准，测量其相对于航天器的角位置，并将其与星历表中该星的角位置参数进行比对，从而确定航天器的位置。在实际应用中，由于机械安装路、控制线等环节的误差干扰，星敏感器无法达到理想的定姿精度，需要采取数据融合等算法对星敏感器的测量数据进行处理，以提高星敏感器的定姿精度。

工程上，星敏感器的数据融合主要采用双矢量定姿算法，以多星敏感器视轴方向为基准，对星敏感器进行数据融合，以达到提高定姿精度的目的。然而，由于双矢量定姿算法以星敏感器视轴方向为基准，因此其融合算法仅适用于星敏感器的视轴不平行的情况。而为了保证星敏感器能够连续稳定输出高精度的姿态，某些卫星会配置视轴平行的两个星敏感器，使得在理论上两个星敏感器的输出姿态四元数应该方向一致，因此在该情况下，双矢量定姿算法并不适用，从而无法达到数据融合、提高定姿精度的目的。

目前需要一种适用于视轴平行的星敏感器的数据融合方案。

发明内容

本发明的任务是提供一种基于四元数差值融合星敏感器数据的方法，通过该方法，可以在考虑到由于两个星敏感器的机械安装误差、测量误差、热形变误差等原因造成的两个星敏感器输出的四元数不完全相同这一情况下进行满足视轴安装方向相同的两个星敏感器的数据融合，从而有效提高定姿精度。

根据本发明，该任务通过一种基于四元数差值融合星敏感器数据的方法来解决，该方法包括：

确定两个星敏感器的测量精度和动态跟踪角速率，其中所述两个星敏感器的视轴彼此平行，

基于由两个星敏感器输出的姿态四元数计算误差四元数以确定误差空间轴及空间角；

根据所述两个星敏感器的测量精度和动态跟踪角速率确定两个星敏感器的数据融合的权重比例系数，并且在此基础上确定融合空间角并得到融合差值四元数；以及

根据融合差值四元数及两个星敏感器的输出四元数确定所述两个星敏感器的星敏感器数据融合四元数。

在本发明的一个优选方案中规定，确定两个星敏感器的测量精度和动态跟踪角速率包括：

在稳态跟踪的情况下确定两个星敏感器的测量精度和动态跟踪角速率；以及

在姿态机动的情况下确定两个星敏感器的测量精度和动态跟踪角速率。

在本发明的另一优选方案中规定，基于由两个星敏感器输出的姿态四元数计算误差四元数以确定误差空间轴及空间角包括：

确定两个星敏感器的实时输出的姿态四元数q_A和q_B：

根据两个星敏感器测量的姿态四元数计算出误差四元数q_e：

其中

表示误差空间角；

根据两个星敏感器的误差四元数q_e确定误差空间角

和空间轴E：

其中

在本发明的又一优选方案中规定，根据所述两个星敏感器的测量精度和动态跟踪角速率确定两个星敏感器的数据融合的权重比例系数包括：

确定两个星敏感器的动态跟踪角速率ω_A1、ω_A2及ω_B1、ω_B2四者之间的大小关系；

根据两个星敏感器的动态跟踪角速率确定两个星敏感器的数据融合的权重比例系数λ。

在本发明的另一优选方案中规定，并且在此基础上确定融合空间角并得到融合差值四元数包括：

假设ω_A1≤ω_B1≤ω_A2≤ω_B2，确定权重比例系数λ如下：

确定融合空间角E(θ)：

并确定融合差值四元数q_re：

在本发明的又一优选方案中规定，根据融合差值四元数及两个星敏感器的输出四元数确定所述两个星敏感器的星敏感器数据融合四元数包括：

根据融合差值四元数q_re及星敏感器的姿态四元数q_A确定两个星敏感器的数据融合四元数：

q_rAB＝q_A·q_re。

附图说明

下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的两个星敏感器的姿态数据融合方法的示意图；

图2示出了稳定跟踪情况下的第一星敏感器A的三轴姿态测量精度；

图3示出了稳定跟踪情况下的第二星敏感器B的三轴姿态测量精度；

图4示出了稳定跟踪时两个星敏感器A、B的数据融合定姿精度；

图5示出了姿态机动情况下第一星敏感器A的三轴姿态测量精度；

图6示出了姿态机动情况下第二星敏感器B的三轴姿态测量精度；以及

图7示出了姿态机动时两个星敏感器A、B的数据融合定姿精度。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

下面以两个实施例来阐述本发明。

实施例一

本发明提供了一种基于四元数差值的星敏感器数据融合算法，包括：

步骤一、分析视轴平行安装的两个星敏感器(或简称星敏)的姿态测量精度和动态跟踪角速率，并基于两星敏感器输出的姿态四元数计算误差四元数，确定误差空间轴及空间角；

步骤二、根据两星敏感器的测量精度和动态跟踪角速率性能分析结果，确定权重比例系数，在此基础上确定融合空间角并得到融合差值四元数；

步骤三、根据融合差值四元数及两个星敏感器的输出四元数，最终确定两星敏数据融合四元数。

下面详细描述各步骤。

在所述步骤一，星敏感器工作在动态环境中，通常星敏感器测量精度指标附带动态跟踪角速率，首先对星敏感器的测量精度和动态跟踪角速率进行分析。

星敏感器的测量精度指标主要从两方面进行考核：1、稳态跟踪(|ω|≤ω₁)时的测量精度；2、姿态机动(|ω|＞ω₁且|ω|≤ω₂)时的测量精度。

第一星敏感器A的测量精度及动态跟踪角速率如下：

第二星敏感器B的测量精度及动态跟踪角速率如下：

Z轴为星敏感器视轴方向，通常Z轴测量精度为X/Y轴测量精度的8～10倍。

卫星在轨运动时，星敏感器A、B实时输出的姿态四元数如下，

根据星敏感器A、B测量的姿态四元数计算出误差四元数：

若q_0e＜0，则：q_e＝[-q_0e -q_1e -q_2e -q_3e]^T

根据姿态四元数的定义可知，四元数由标量和三维矢量组成，标量代表欧拉轴转角，三维矢量代表欧拉轴方向，因此，误差四元数可表示为：

进一步，根据星敏感器A、B计算出的误差四元数得到误差空间角

和空间轴E：

进一步，所述步骤二中，根据两星敏感器的测量精度和动态跟踪角速率，确定卫星以不同姿态角速率运动时，星敏感器A、B数据融合的权重比例系数λ。

首先比较分析星敏A、B动态跟踪角速率ω_A1、ω_A2及ω_B1、ω_B2四者之间的大小关系。

其次，根据星敏A、B动态跟踪角速率比较分析结果，设计星敏感器A/B数据融合的权重比例系数λ。

为了叙述方便，假设ω_A1≤ω_B1≤ω_A2≤ω_B2，权重比例系数λ设计如下：

在此基础上确定融合空间角：

参见图1，图1示出了

之间的关系，并示出了数据融合的过程的示意图。

然后，确定融合差值四元数：

步骤三、根据融合差值四元数及星敏感器A测量姿态四元数，最终确定星敏感器A、B数据融合四元数：

q_rAB＝q_A·q_re

实施例二

本实例针对某型号卫星，描述本发明实例的具体实施方式。

以某科学探测卫星为例，该卫星的主要功能是探测宇宙中的X射线，卫星需要完成常规巡天观测及不同巡天观测目标点的姿态机动指向切换任务。为了满足巡天观测时载荷对观测目标的指向精度需求，对卫星的定姿精度提出了高精度要求。

本发明实施例提供的一种基于四元数差值的星敏感器数据融合算法包括：

步骤一、分析视轴平行安装的两个星敏感器的姿态测量精度和动态跟踪角速率：

星敏感器的测量精度指标主要从两方面进行考核：1、稳态跟踪(|ω|≤ω₁)时的测量精度；2、姿态机动(|ω|＞ω₁且|ω|≤ω₂)时的测量精度。

第一星敏感器A的测量精度及动态跟踪角速率如下：

第二星敏感器B的测量精度及动态跟踪角速率如下：

图2和图3分别为在稳定跟踪情况下，星敏感器A和B的三轴姿态测量精度，图5和图6为姿态机动时星敏感器A和B的三轴姿态测量精度，在此基础上计算两星敏感器的四元数差值，确定角度差；

步骤二、根据两星敏感器的精度和动态性能分析结果，确定权重系数：

在此基础上确定融合空间角：

并确定融合差值四元数如下：

步骤三、根据融合差值四元数，确定数据融合四元数：

q_AB＝q_A·q_re

图4为稳定跟踪情况下，采用本发明提出的星敏四元数融合算法得到的融合四元数，从仿真曲线可知：稳定跟踪时，星敏A、B测量精度[4 4 40]角秒，星敏A、B数据融合后姿态精度达到[3 3 30]角秒。

图7为姿态机动情况下，采用本发明提出的星敏四元数融合算法得到的融合四元数，从仿真曲线可知：姿态机动时，星敏A、B测量精度[40 40 400]角秒，星敏A、B数据融合后姿态精度达到[30 30 300]角秒。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (2)

1.一种基于四元数差值融合星敏感器数据的方法，包括：

确定两个星敏感器的测量精度和动态跟踪角速率，其中所述两个星敏感器的视轴彼此平行，其中确定两个星敏感器的测量精度和动态跟踪角速率包括：

在稳态跟踪的情况下确定两个星敏感器的测量精度和动态跟踪角速率；以及

在姿态机动的情况下确定两个星敏感器的测量精度和动态跟踪角速率；

基于由两个星敏感器输出的姿态四元数计算误差四元数以确定误差空间轴及空间角，包括：

其中基于由两个星敏感器输出的姿态四元数计算误差四元数以确定误差空间轴及空间角包括：

确定两个星敏感器的实时输出的姿态四元数q_A和q_B：

根据两个星敏感器测量的姿态四元数计算出误差四元数q_e：

其中

表示误差空间角；以及

根据两个星敏感器的误差四元数q_e确定误差空间角

和空间轴E：

其中

根据所述两个星敏感器的测量精度和动态跟踪角速率确定两个星敏感器的数据融合的权重比例系数，并且在此基础上确定融合空间角并得到融合差值四元数，包括：

确定两个星敏感器的动态跟踪角速率ω_A1、ω_A2及ω_B1、ω_B2四者之间的大小关系；

根据两个星敏感器的动态跟踪角速率确定两个星敏感器的数据融合的权重比例系数λ；

假设ω_A1≤ω_B1≤ω_A2≤ω_B2，确定权重比例系数λ如下：

确定融合空间角E(θ)：

以及

并确定融合差值四元数q_re：

以及

根据融合差值四元数及两个星敏感器的输出四元数确定所述两个星敏感器的星敏感器数据融合四元数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中根据融合差值四元数及两个星敏感器的输出四元数确定所述两个星敏感器的星敏感器数据融合四元数包括：

根据融合差值四元数q_re及星敏感器的姿态四元数q_A确定两个星敏感器的数据融合四元数：

q_rAB＝q_A·q_re。

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