CN111207776A - 一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法 - Google Patents

一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法，使火星探测器在全生命周期任意姿态基准下，都能够完成星敏感器和陀螺的联合标定。火星探测器在稳态飞行过程中，根据星敏感器及陀螺的测量模型在惯性基准下构造标定算法。与现有技术相比，其有益效果是，一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法，使火星探测器可以在惯性空间任意姿态下进行星敏感器和陀螺的联合标定，提高了标定的弧段，增加了星敏感器和陀螺联合标定的可靠性。

Description

一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法
技术领域
本发明涉及一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法，用于火星探测器在飞行全过程星敏感器与陀螺联合标定，适应火星探测器在任意惯性姿态下的星敏感器与陀螺联合标定需求。
背景技术
火星探测器在轨利用星敏感器直接确定探测器的惯性姿态，利用陀螺直接测量探测器相对惯性系的角速度。但星敏感器测量存在随机误差，陀螺存在常值漂移，因此，为保证姿态测量及控制精度，一方面需要对星敏感器测量的随机误差进行抑制，另一方面需要补偿陀螺的常值漂移。
近地卫星的工作模式一般为三轴稳定对地，其星敏感器与陀螺联合标定在对地轨道坐标系下进行，其实施一般要求卫星姿态相对于轨道坐标系为小姿态。而对于火星探测任务，姿态基准不固定，无法像近地卫星一样进行星敏感器和陀螺联合标定。
火星探测任务对地通讯、对日巡航以及特定姿态保持等任务需求要求探测器需具备在任意惯性姿态下进行星敏感器和陀螺联合标定的能力，因此，可以研究一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提出了一种一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法，用于火星探测器在飞行全过程星敏感器与陀螺联合标定。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案实现：
一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法，包括如下步骤：
(1)判断每拍星敏感器数据是否有效，如果星敏感器数据无效，当拍不再进行标定计算；如果星敏感器数据有效，则进入步骤(2)；
(2)判断当前拍是否为首拍，如果是首拍，进入步骤(4)；如果不是首拍，则进入步骤(3)；
(3)按照星敏感器输出姿态四元数前后拍绝对值最大的分量符号决定是否对星敏感器当前拍的姿态四元数进行取反操作；
(4)进行陀螺漂移扣除计算；
(5)利用扣除常值漂移后的陀螺角速度，积分惯性姿态；
(6)计算星敏感器输出惯性姿态与陀螺积分惯性姿态之间的偏差；
(7)根据观测构型，预测星敏感器与陀螺积分之间的姿态偏差，进而计算陀螺常值漂移的估计值及姿态偏差的估计值；
(8)估计环绕器的惯性姿态。
进一步的，所述步骤(1)中，星敏感器数据有效的条件是星敏感器的模式处于星跟踪且数据有效标志为有效。
进一步的，所述步骤(3)中，按照星敏感器输出姿态四元数前后拍绝对值最大的分量符号决定是否对星敏感器当前拍的姿态四元数进行取反操作，具体为：判断当前星敏感器输出的姿态四元数绝对值最大的分量与前一拍的姿态四元数绝对值最大的分量符号是否相同，如果相同，则进入步骤(4)；如果不同，将当前拍星敏感器输出的姿态四元数各分量取反后进入步骤(4)。
进一步的，所述步骤(4)进行陀螺漂移扣除计算，具体为：从惯性角速度中扣除陀螺漂移估计值，得到扣除常值漂移后的陀螺角速度。
进一步的，步骤(5)中，对扣除的陀螺漂移进行限幅，限幅范围为[-0.2，0.2]rad/s，陀螺积分惯性四元数采用按欧拉轴计算。
进一步的，所述步骤(6)中计算星敏感器输出惯性姿态与陀螺积分惯性姿态之间的偏差，计算方法为先对陀螺积分姿态求四元数的逆，然后按照四元数圈乘方法右乘星敏感器输出四元数，并取矢量部分作为姿态偏差的观测值。
进一步的，所述步骤(7)中，偏差姿态的估计值计算方法为上一拍姿态偏差值减去0.1倍的上一拍陀螺常值漂移估计值，偏差姿态的估计值初值为[0 0 0]。
进一步的，陀螺常值漂移计算所用的系数分别为K1＝K2＝K3＝0.00361；K4＝K5＝K6＝-0.0001305。
进一步的，所述步骤(9)中，环绕器惯性姿态的计算方法为将偏差姿态按照四元数构型归一化后，左边圈乘陀螺积分惯性姿态四元数。
本发明采用的方法与现有技术相比，其优点和有益效果是：
(1)本发明通过提出一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法，解决了火星环绕器全生命周期下星敏感器与陀螺联合标定的问题。
(2)本发明标定方法可以使火星探测器在惯性空间任意姿态下进行星敏感器和陀螺的联合标定，提高了标定的弧段，增加了星敏感器和陀螺联合标定的可靠性。
(3)本发明对星敏感器输出姿态四元数的最大分量进行前后拍符号一致性判断，避免星敏感器输出姿态四元数标量过0时出现标定量跳变情况。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
本发明公开了一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法，使火星探测器在全生命周期任意姿态基准下，都能够完成星敏感器和陀螺的联合标定。火星探测器在稳态飞行过程中，根据星敏感器及陀螺的测量模型在惯性基准下构造标定算法。
如图1所示，本发明提出的一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法，包括如下步骤：
(1)判断每拍星敏感器数据是否有效，如果星敏感器数据无效，当拍不再进行标定计算；如果星敏感器数据有效，则进入步骤(2)；
星敏感器数据有效的条件是星敏感器的模式处于星跟踪且数据有效标志为有效。
(2)判断当前拍是否为首拍，如果是首拍，进入步骤(4)；如果不是首拍，则进入步骤(3)；
(3)按照星敏感器输出姿态四元数前后拍绝对值最大的分量符号决定是否对星敏感器当前拍的姿态四元数进行取反操作；
具体为：判断当前星敏感器输出的姿态四元数绝对值最大的分量与前一拍的姿态四元数绝对值最大的分量符号是否相同，如果相同，则进入步骤(4)；如果不同，将当前拍星敏感器输出的姿态四元数各分量取反后进入步骤(4)。
(4)进行陀螺漂移扣除计算；
具体为：从惯性角速度中扣除陀螺漂移估计值，得到扣除常值漂移后的陀螺角速度。
(5)利用扣除常值漂移后的陀螺角速度，积分惯性姿态；
积分惯性姿态过程中，对扣除的陀螺漂移进行限幅，限幅范围为[-0.2，0.2]rad/s，陀螺积分惯性四元数采用按欧拉轴计算。
(6)计算星敏感器输出惯性姿态与陀螺积分惯性姿态之间的偏差；
计算方法为先对陀螺积分姿态求四元数的逆，然后按照四元数圈乘方法右乘星敏感器输出四元数，并取矢量部分作为姿态偏差的观测值。
(7)根据观测构型，预测星敏感器与陀螺积分之间的姿态偏差，进而计算陀螺常值漂移的估计值及姿态偏差的估计值；
偏差姿态的估计值计算方法为上一拍姿态偏差值减去0.1倍的上一拍陀螺常值漂移估计值，偏差姿态的估计值初值为[0 0 0]。陀螺常值漂移计算为已知计算方法，本发明仅需确定陀螺常值漂移计算所用的滤波增益系数分别为K1＝K2＝K3＝0.00361；K4＝K5＝K6＝-0.0001305。
(8)估计环绕器的惯性姿态。环绕器惯性姿态的计算方法为将偏差姿态按照四元数构型归一化后，左边圈乘陀螺积分惯性姿态四元数。
给出本发明实施例：
标定方法流程具体描述如下：
输入：惯性角速度ωxbi、ωybi、ωzbi，星敏计算的惯性系到本体系的姿态四元数qbi，陀螺惯性四元数qgbi(第一拍初值为qbi赋值)，计算周期T；
输出：陀螺漂移估计值bx、by、bz；
处理过程：
1.陀螺积分一步预测四元数
1)扣除陀螺漂移固定值
`ωxbi＝ωxbi-bx
`ωybi＝ωybi-by
`ωzbi＝ωzbi-bz
2)调用陀螺积分惯性四元数算法，计算qgbi
注：qgbi的初值为算法启动时刻器上星敏有效值qbi。
3)修正qgbi符号
令
qm＝′max(qbi)
注：qm表示取qbi中绝对值最大的量。
如果
qm(n)·qm(n+1)<0
则
qgbi＝-qgbi
2.测量偏差四元数求取
δqgi0＝qgbi0·qbi0+qgbi1·qbi1+qgbi2·qbi2+qgbi3·qbi3
δqgi1＝-qgbi1·qbi0+qgbi0·qbi1+qgbi3·qbi2-qgbi2·qbi3
δqgbi2＝-qgbi2·qbi0-qgbi3·qbi1+qgbi0·qbi2+qgbi1·qbi3
δqgbi3＝-qgbi3·qbi0+qgbi2·qbi1-qgbi1·qbi2+qgbi0·qbi3
3.陀螺漂移估计(初始值：δqi1＝δqi2＝δqi3＝0，Δbx＝Δby＝Δbz＝0，陀螺组合常值漂移的初值取bx＝by＝bz＝0；(滤波增益：K1＝K2＝K3＝0.00361；K4＝K5＝K6＝-0.0001305)。
1)偏差四元数预测(仅取矢量部分)
δqif1＝δqi1+0.5`ωzbi·δqi2-0.5`ωybiδqi3-0.25Δbx
δqif2＝-0.5`ωzbi·δqi1+δqi2+0.5`ωxbiδqi3-0.25Δby
δqif3＝0.5`ωybi·δqi1-0.5`ωxbi·δqi2+δqi3-0.25Δbz
2)偏差四元数及常值漂移增量估计
δqi1＝δqif1+K1(δqgi1-δqif1)
δqi2＝δqif2+K2(δqgi2-δqif2)
δqi3＝δqif3+K3(δqgi3-δqif3)
Δbx＝K4(δqgi1-δqif1)
Δby＝K5(δqgi2-δqif2)
Δbz＝K6(δqgi3-δqif3)
3)常值漂移估计
Figure BDA0002391730000000061
4)更新姿态
Figure BDA0002391730000000062
上述方法使火星探测器可以在惯性空间任意姿态下进行星敏感器和陀螺的联合标定，提高了标定的弧段，增加了星敏感器和陀螺联合标定的可靠性。

Claims (9)

1.一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)判断每拍星敏感器数据是否有效，如果星敏感器数据无效，当拍不再进行标定计算；如果星敏感器数据有效，则进入步骤(2)；
(2)判断当前拍是否为首拍，如果是首拍，进入步骤(4)；如果不是首拍，则进入步骤(3)；
(3)按照星敏感器输出姿态四元数前后拍绝对值最大的分量符号决定是否对星敏感器当前拍的姿态四元数进行取反操作；
(4)进行陀螺漂移扣除计算；
(5)利用扣除常值漂移后的陀螺角速度，积分惯性姿态；
(6)计算星敏感器输出惯性姿态与陀螺积分惯性姿态之间的偏差；
(7)根据观测构型，预测星敏感器与陀螺积分之间的姿态偏差，进而计算陀螺常值漂移的估计值及姿态偏差的估计值；
(8)估计环绕器的惯性姿态。
2.根据权利要求1所示的一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法，其特征在于：所述步骤(1)中，星敏感器数据有效的条件是星敏感器的模式处于星跟踪且数据有效标志为有效。
3.根据权利要求1所述的一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法，其特征在于：所述步骤(3)中，按照星敏感器输出姿态四元数前后拍绝对值最大的分量符号决定是否对星敏感器当前拍的姿态四元数进行取反操作，具体为：判断当前星敏感器输出的姿态四元数绝对值最大的分量与前一拍的姿态四元数绝对值最大的分量符号是否相同，如果相同，则进入步骤(4)；如果不同，将当前拍星敏感器输出的姿态四元数各分量取反后进入步骤(4)。
4.根据权利要求1所述的一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法，其特征在于：所述步骤(4)进行陀螺漂移扣除计算，具体为：从惯性角速度中扣除陀螺漂移估计值，得到扣除常值漂移后的陀螺角速度。
5.根据权利要求1所述的一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法，其特征在于：步骤(5)中，对扣除的陀螺漂移进行限幅，限幅范围为[-0.2，0.2]rad/s，陀螺积分惯性四元数采用按欧拉轴计算。
6.根据权利要求1所述的一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法，其特征在于：所述步骤(6)中计算星敏感器输出惯性姿态与陀螺积分惯性姿态之间的偏差，计算方法为先对陀螺积分姿态求四元数的逆，然后按照四元数圈乘方法右乘星敏感器输出四元数，并取矢量部分作为姿态偏差的观测值。
7.根据权利要求1所述的一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法，其特征在于：所述步骤(7)中，偏差姿态的估计值计算方法为上一拍姿态偏差值减去0.1倍的上一拍陀螺常值漂移估计值，偏差姿态的估计值初值为[0 0 0]。
8.根据权利要求7所述的一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法，其特征在于：陀螺常值漂移计算所用的系数分别为K1＝K2＝K3＝0.00361；K4＝K5＝K6＝-0.0001305。
9.根据权利要求1所述的一种适用于火星探测的星敏感器与陀螺联合标定方法，其特征在于：所述步骤(9)中，环绕器惯性姿态的计算方法为将偏差姿态按照四元数构型归一化后，左边圈乘陀螺积分惯性姿态四元数。
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