CN110411438A - 一种基于多星敏感器的自适应组合确定卫星姿态角的方法 - Google Patents

一种基于多星敏感器的自适应组合确定卫星姿态角的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多星敏感器的自适应组合确定卫星姿态角的方法，属于航天器姿态确定与控制领域。首先根据地面评估结果确定星敏的优选顺序，精度较高的星敏感器或者夹角关系较好的星敏感器优先级高。其次，当高优先级的星敏感器无效，而低优先级星敏或星敏组合有效时，短时间内利用陀螺预估卫星姿态，高优先级星敏感器长时间无效再切换为低优先级星敏参与定姿。最后，当高优先级星敏组合有效时，则瞬时从低优先级星敏切换为高优先级星敏参与定姿。此方法实现了星敏定姿基准自适应组合定姿的目的，大大提高了姿态测量的精度。该算法已应用于多个在轨型号中。

Description

一种基于多星敏感器的自适应组合确定卫星姿态角的方法
技术领域
本发明涉及一种基于多星敏感器的自适应组合确定卫星姿态角的方法，属于航天器姿态确定与控制领域。
背景技术
为实现高精度的姿态测量功能，卫星一般配有多个高精度星敏感器和高精度陀螺。卫星广泛采用的技术手段为：
(1)采用陀螺测量卫星的惯性姿态角速度，预估卫星姿态角；
(2)星敏感器测量卫星的惯性姿态四元数，再结合轨道信息，采用卡尔曼滤波方法计算卫星的姿态角。
当星敏感器在大角速度或大角度姿态机动时难以提供精确的姿态测量数据，甚至无法提供姿态测量数据，在某个星敏感器无效时卫星采用其他星敏感器或者陀螺预估卫星姿态，当卫星恢复姿态后，可能又需要进行星敏感器切换。此时由于定姿基准的短时频繁切换将导致姿态测量和姿态确定存在波动。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于多星敏感器的自适应组合确定卫星姿态角的方法。
本发明的技术解决方案是：
一种基于多星敏感器的自适应组合确定卫星姿态角的方法，卫星上安装有N个星敏感器和M个陀螺，该方法的步骤包括：
(1)使用卫星上安装的M个陀螺测量卫星的惯性姿态角速度，得到卫星姿态角的预估值；
(2)确定用于定姿的星敏感器或星敏感器组合；
(3)采用步骤(2)确定的星敏感器或星敏感器组合测量卫星的惯性姿态四元数，再结合轨道信息，采用卡尔曼滤波方法对步骤(1)得到的卫星姿态角的预估值进行修正，得到卫星的姿态角。
所述的步骤(2)中，确定用于定姿的星敏感器或星敏感器组合的方法为：
第一步，确定星敏感器的优先级顺序，以星敏感器或星敏感器组合的测量精度来确定优先级顺序；优先级顺序最高的为测量精度最高的星敏感器或星敏感器组合；
第二步，根据每个控制周期星敏感器或星敏感器组合测量得到的数据的有效性，选取优先级最高的有效星敏感器或星敏感器组合，并记录优先级顺序的标号；
第三步，确定当前拟用于定姿的星敏感器或星敏感器组合，方法为：
设定初始时刻，使用任一有效的星敏感器或星敏感器组合进行定姿；
若当前周期拟用于定姿的星敏感器或星敏感器组合的优先级低于上一周期用于定姿的星敏感器或星敏感器组合的优先级，则进行计时器累计，当计时器累计值大于设定的阈值时，则当前周期使用当前拟用于定姿的星敏感器或星敏感器组合进行定姿，在计时器累计值小于等于设定的阈值时，当前周期仅通过陀螺测量卫星的惯性姿态角速度，不引入星敏感器进行姿态确定；
若当前周期拟用于定姿的星敏感器或星敏感器组合的优先级不低于上一周期用于定姿的星敏感器或星敏感器组合的优先级，则当前周期使用当前拟用于定姿的星敏感器或星敏感器组合进行定姿，同时进行计时器清零。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
(1)本项目提出的方法明显减小了现有方法在多星敏感器定姿基准的短时频繁切换带来的姿态确定和姿态测量误差；
(2)本方法综合陀螺性能指标和星敏感器性能指标进行设计合理的参数Lmt_Timer，提高了卫星的姿态确定和姿态测量精度，减小了由于定姿基准短时频繁切换带来的姿态波动。
(3)本方法根据地面评估结果以及在轨运行情况，综合确定星敏感器的优先级顺序F_Priority_ST，使得高精度星敏感器数据引入姿态确定，提高姿态确定的精度。
(4)针对由于定姿基准的短时频繁切换引起姿态测量和姿态确定的波动问题，在型号研制过程中提出了一种多星敏感器的自适应组合定姿方法，首先根据地面评估结果确定星敏的优选顺序，精度较高的星敏感器或者夹角关系较好的星敏感器优先级高。其次，当高优先级的星敏感器无效，而低优先级星敏或星敏组合有效时，短时间内利用陀螺预估卫星姿态，高优先级星敏感器长时间无效再切换为低优先级星敏参与定姿。最后，当高优先级星敏组合有效时，则瞬时从低优先级星敏切换为高优先级星敏参与定姿。此方法实现了星敏定姿基准自适应组合定姿的目的，大大提高了姿态测量的精度。方法的有效性通过地面数学仿真、系统测试和在轨飞行验证。该算法已应用于多个在轨型号中。
(5)对多星敏设计了一套自适应的组合定姿方法，以不同星敏优先级组合自主自适应切换的方式，解决了由于定姿基准的短时频繁切换导致的姿态测量和姿态确定的波动问题；
(6)为实现高精度的姿态测量功能，卫星一般配有多个高精度星敏感器和高精度陀螺，卫星采用陀螺测量卫星的惯性姿态角速度，星敏感器测量卫星的惯性姿态四元数，再结合轨道信息，采用卡尔曼滤波方法计算卫星的姿态角。当星敏感器在大角速度或大角度姿态机动时难以提供精确的姿态测量数据，甚至无法提供姿态测量数据，在某个星敏感器无效时卫星采用其他星敏感器或者陀螺预估卫星姿态，当卫星恢复姿态后，可能又需要进行星敏感器切换。此时由于定姿基准的短时频繁切换将导致姿态测量和姿态确定存在波动。
(7)本方法提出了一种多星敏感器的自适应组合定姿方法，首先根据地面评估结果确定星敏的优选顺序，精度较高的星敏感器或者夹角关系较好的星敏感器优先级高。其次，当高优先级的星敏感器无效，而低优先级星敏或星敏组合有效时，短时间内利用陀螺预估卫星姿态，高优先级星敏感器长时间无效再切换为低优先级星敏参与定姿。最后，当高优先级星敏组合有效时，则瞬时从低优先级星敏切换为高优先级星敏参与定姿。此方法实现了星敏定姿基准自适应组合定姿的目的，大大提高了姿态测量的精度。该算法已应用于多个在轨型号中。
具体实施方式
本发明提出的一种多星敏感器的自适应组合定姿方法，具体实施步骤如下：
Step1：根据地面评估结果以及在轨运行情况进行综合确定星敏的优先级顺序，将星敏优先级顺序保存到数组F_Priority_ST中，其中F_Priority_ST[0]中的星敏组合优先级最高，依次类推；
Step2：根据星敏部件状态和数据有效性的综合判定结果F_Valid_ST，取优先级最高的有效星敏组合，确定为当前拟引入系统姿态确定的星敏组合F_Use_ST0，并记录其优先级顺序标号Seq_F_Use_ST0；
Step3：若当前拟引入系统姿态确定的星敏组合的优先级Seq_F_Use_ST0低于上一周期引入系统姿态确定的星敏组合的优先级Seq_F_Use_ST，其中，Seq_F_Use_ST的初值为原始周期对应的数组F_Priority_ST中数组序号的最大值，则进行计时器累计Timer_Unuse_ST：当计时器大于一定的时间阈值Lmt_Timer时，将当前引入系统姿态确定的星敏组合F_Use_ST置为拟引入系统姿态确定的星敏组合F_Use_ST0，Seq_F_Use_ST＝Seq_F_Use_ST0，系统采用陀螺预估和星敏修正进行姿态确定；当计时器不大于一定的时间阈值Lmt_Timer时，当前周期仅通过陀螺预估卫星姿态，不引入星敏感器进行姿态确定；
Step4：若当前拟引入系统姿态确定的星敏组合的优先级Seq_F_Use_ST0高于上一周期引入系统姿态确定的星敏组合的优先级Seq_F_Use_ST，则将计时器累计Timer_Unuse_ST清零，将当前引入系统姿态确定的星敏组合F_Use_ST置为拟引入系统姿态确定的星敏组合F_Use_ST0，Seq_F_Use_ST＝Seq_F_Use_ST0，瞬时从低优先级星敏切换为高优先级星敏参与定姿，系统采用陀螺预估和星敏修正进行姿态确定。
实施例
对于安装4个高精度星敏感器、6个高精度陀螺的卫星，选取3个互相垂直的陀螺组合参与姿态确定。4个高精度星敏感器分别为第一高精度星敏感器使用a表示，第二高精度星敏感器使用b表示，第三高精度星敏感器使用c表示，第四高精度星敏感器使用d表示；
用于定姿的高精度星敏感器的优先级顺序依次为：cd组合、ab组合、bd组合、ac组合、ad组合、bc组合、c、d、a、b，计数器累计阈值为50；
一种多星敏感器的自适应组合定姿方法具体实施如下：
(1)使用卫星上安装的6个陀螺测量卫星的惯性姿态角速度，得到卫星姿态角的预估值；
(2)确定用于定姿的星敏感器或星敏感器组合；
(3)采用步骤(2)确定的星敏感器或星敏感器组合测量卫星的惯性姿态四元数，再结合轨道信息，采用卡尔曼滤波方法对步骤(1)得到的卫星姿态角的预估值进行修正，得到卫星的姿态角。
所述的步骤(2)中，确定用于定姿的星敏感器或星敏感器组合的方法为：
1)卫星稳态时，所有星敏均有效，初始时刻选取星敏cd组合进行定姿；星敏cd组合优先级标记为1；
2)卫星于2000～2100秒时星敏c受干扰无效，则当前周期拟使用星敏ab组合用于定姿，星敏ab组合优先级标记为2；
由于星敏ab组合优先级低于上一周期使用的星敏cd组合优先级，则进行计时器累计，当2051时，则切换为使用星敏ab组合进行定姿，在2000-2050秒时，仅通过陀螺测量卫星的惯性姿态角速度，不引入星敏感器进行姿态确定；
3)在2101秒时星敏c恢复有效，由于星敏cd组合的优先级高于上一周期使用的星敏ab组合，则当前周期使用星敏cd组合进行定姿，同时进行计时器清零。
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 (10)

1.一种基于多星敏感器的自适应组合确定卫星姿态角的方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)使用卫星上安装的陀螺测量卫星的惯性姿态角速度，得到卫星姿态角的预估值；
(2)确定用于定姿的星敏感器或星敏感器组合；
(3)采用步骤(2)确定的星敏感器或星敏感器组合测量卫星的惯性姿态四元数，再结合轨道信息，采用卡尔曼滤波方法对步骤(1)得到的卫星姿态角的预估值进行修正，得到卫星的姿态角。
2.根据权利要求1所述的一种基于多星敏感器的自适应组合确定卫星姿态角的方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，确定用于定姿的星敏感器或星敏感器组合的方法为：
第一步，确定星敏感器的优先级顺序，以星敏感器或星敏感器组合的测量精度来确定优先级顺序；优先级顺序最高的为测量精度最高的星敏感器或星敏感器组合；
第二步，根据每个控制周期星敏感器或星敏感器组合测量得到的数据的有效性，选取优先级最高的有效星敏感器或星敏感器组合，并记录优先级顺序的标号；
第三步，确定当前拟用于定姿的星敏感器或星敏感器组合，方法为：
设定初始时刻，使用任一有效的星敏感器或星敏感器组合进行定姿；
若当前周期拟用于定姿的星敏感器或星敏感器组合的优先级低于上一周期用于定姿的星敏感器或星敏感器组合的优先级，则进行计时器累计，当计时器累计值大于设定的阈值时，则当前周期使用当前拟用于定姿的星敏感器或星敏感器组合进行定姿，在计时器累计值小于等于设定的阈值时，当前周期仅通过陀螺测量卫星的惯性姿态角速度，不引入星敏感器进行姿态确定；
若当前周期拟用于定姿的星敏感器或星敏感器组合的优先级不低于上一周期用于定姿的星敏感器或星敏感器组合的优先级，则当前周期使用当前拟用于定姿的星敏感器或星敏感器组合进行定姿，同时进行计时器清零。
3.根据权利要求1所述的一种基于多星敏感器的自适应组合确定卫星姿态角的方法，其特征在于：卫星上安装有N个星敏感器和M个陀螺。
4.根据权利要求3所述的一种基于多星敏感器的自适应组合确定卫星姿态角的方法，其特征在于：卫星上安装有四个高精度星敏感器和六个高精度陀螺，选取三个互相垂直的高精度陀螺组合参与姿态确定。
5.根据权利要求4所述的一种基于多星敏感器的自适应组合确定卫星姿态角的方法，其特征在于：四个高精度星敏感器分别为第一高精度星敏感器使用a表示，第二高精度星敏感器使用b表示，第三高精度星敏感器使用c表示，第四高精度星敏感器使用d表示；用于定姿的高精度星敏感器的优先级顺序依次为：cd组合、ab组合、bd组合、ac组合、ad组合、bc组合、c、d、a、b。
6.根据权利要求5所述的一种基于多星敏感器的自适应组合确定卫星姿态角的方法，其特征在于：计数器累计阈值为50。
7.根据权利要求4所述的一种基于多星敏感器的自适应组合确定卫星姿态角的方法，其特征在于：卫星稳态时，所有高精度星敏感器均有效，初始时刻选取高精度星敏感器cd组合进行定姿；高精度星敏感器cd组合优先级标记为1。
8.根据权利要求7所述的一种基于多星敏感器的自适应组合确定卫星姿态角的方法，其特征在于：卫星于2000～2100秒时高精度星敏感器c受干扰无效，则当前周期拟使用高精度星敏感器ab组合用于定姿，高精度星敏感器ab组合优先级标记为2。
9.根据权利要求8所述的一种基于多星敏感器的自适应组合确定卫星姿态角的方法，其特征在于：由于高精度星敏感器ab组合优先级低于上一周期使用的高精度星敏感器cd组合优先级，则进行计时器累计，当2051时，则切换为使用高精度星敏感器ab组合进行定姿，在2000-2050秒时，仅通过高精度陀螺测量卫星的惯性姿态角速度，不引入星敏感器进行姿态确定。
10.根据权利要求9所述的一种基于多星敏感器的自适应组合确定卫星姿态角的方法，其特征在于：在2101秒时高精度星敏感器c恢复有效，由于高精度星敏感器cd组合的优先级高于上一周期使用的高精度星敏感器ab组合，则当前周期使用高精度星敏感器cd组合进行定姿，同时进行计时器清零。
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