CN111637879A - 基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权姿态确定方法 - Google Patents

基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权姿态确定方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111637879A
CN111637879A CN202010322627.4A CN202010322627A CN111637879A CN 111637879 A CN111637879 A CN 111637879A CN 202010322627 A CN202010322627 A CN 202010322627A CN 111637879 A CN111637879 A CN 111637879A
Authority
CN
China
Prior art keywords
star sensor
star
attitude
axis
error
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010322627.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111637879B (zh
Inventor
王晋鹏
陈超
陆栋宁
谢鸣宇
雷拥军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Control Engineering
Original Assignee
Beijing Institute of Control Engineering
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Control Engineering filed Critical Beijing Institute of Control Engineering
Priority to CN202010322627.4A priority Critical patent/CN111637879B/zh
Publication of CN111637879A publication Critical patent/CN111637879A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111637879B publication Critical patent/CN111637879B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/02—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by astronomical means

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Navigation (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明提供一种基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权姿态确定方法，将其它星敏感器的输出转换至目标星敏感器的坐标系后，明确得到新坐标下的二轴误差特性，并根据三维空间中矢量在二轴上的差异化误差特性进行加权得到更高精度的输出信息。本发明的方法可以将多个星敏感器的输出信息进行深度融合。在不同星敏感器构型下可以降低星敏感器输出的高频误差，不同程度地提高单个星敏感器的等效输出精度。通过分析星敏的测量误差，可以根据不同星敏的光轴/横轴的差异化误差特性，得到最优的加权系数，从而使加权后测量误差优于任何单个星敏单次测量的测量误差。本发明的方法定姿精度高，计算简单，工程实现容易。

Description

基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权姿态确定方法
技术领域
本发明属于航天器的姿态确定领域，涉及双星敏定姿下的姿态确定方法。
背景技术
星敏感器是航天器控制分系统进行姿态确定时最常使用的敏感器。星敏感器具有精度高，能直接确定惯性指向的特点。星敏感器输出精度可分为光轴精度与横轴精度，光轴精度通常为横轴精度的5～10倍。
在现有姿态确定算法中通常直接使用两个星敏感器的光轴进行双矢量的姿态确定，横轴的精度信息未加以利用，在光轴夹角越小时，横轴的误差将被放大得越大，甚至远远超出星敏自身的横轴误差。
经对现有技术文献的检索发现，现有技术中有对于二维平面内的矢量进行加权处理方法，而星敏感器的姿态输出位于三维空间内，且单个矢量在与之该矢量垂直的平面内两个方向上的误差特性不同，因此传统的矢量加权方法无法适用。
发明内容
本发明的技术解决问题是：提供了一种基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权姿态确定方法，将多个星敏感器的输出信息进行深度融合，在不同星敏感器构型下可以降低星敏感器输出的高频误差，不同程度地提高单个星敏感器的等效输出精度。
本发明的技术解决方案是：一种基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权定姿方法，包括如下步骤：
(1)测量得到星敏感器STS1和星敏感器STS2各自的光轴误差或横轴误差，其中，星敏感器横轴误差为光轴误差的k倍；
(2)由安装布局得到星敏感器STS1到星敏感器STS2的姿态转换矩阵C和对应的欧拉角
Figure BDA0002462022470000021
θ,ψ；
(3)使用2个星敏感器同时对星空成像，得到同一时刻各自的三轴姿态测量数据；
其中，星敏感器STS1得到的三轴姿态测量数据用
Figure BDA0002462022470000022
表示；星敏感器STS2得到的三轴姿态测量数据用
Figure BDA0002462022470000023
表示；
(4)根据步骤(2)中的姿态转换矩阵C及步骤(3)中测量得到的星敏感器STS1的三轴姿态测量数据，将星敏感器STS1的三轴姿态测量数据通过姿态转换矩阵C转换，得到转换后的星敏感器STS2的三轴姿态测量数据
Figure BDA0002462022470000024
(5)由星敏感器横轴与光轴误差倍数k和姿态转换矩阵对应的欧拉角
Figure BDA0002462022470000025
θ,ψ，求得加权系数p1,p2,p3；
(6)由
Figure BDA0002462022470000026
和
Figure BDA0002462022470000027
构建新的加权输出
Figure BDA0002462022470000028
(7)根据步骤(2)的姿态转换矩阵及步骤(3)中测量得到2个星敏感器的测量数据，将星敏感器STS2的三轴姿态测量数据通过姿态转换矩阵C-1转换，得到转换后的星敏感器STS1的三轴姿态测量数据
Figure BDA0002462022470000029
Figure BDA00024620224700000210
(8)由星敏感器横轴与光轴误差倍数k和姿态转换矩阵对应的欧拉角
Figure BDA00024620224700000211
θ,ψ，求取得到另一组加权系数p'1,p'2,p'3；
(9)由
Figure BDA00024620224700000212
和
Figure BDA00024620224700000213
构建新的加权星敏感器输出
Figure BDA0002462022470000031
步骤(4)中：
Figure BDA0002462022470000032
步骤(5)中，根据k,
Figure BDA0002462022470000033
θ,ψ求取最优的比例系数p1,p2,p3使得
Figure BDA0002462022470000034
的误差最小；如果欧拉角采用3-1-3转序，则
Figure BDA0002462022470000035
步骤(6)中，由
Figure BDA0002462022470000036
和
Figure BDA0002462022470000037
构建的新的加权输出
Figure BDA0002462022470000038
为：
Figure BDA0002462022470000039
Figure BDA00024620224700000310
Figure BDA00024620224700000311
步骤(8)中，根据k,
Figure BDA00024620224700000312
θ,ψ求取最优的比例系数p1',p'2,p'3使得
Figure BDA00024620224700000313
的误差最小；如果欧拉角采用3-1-3转序，则
Figure BDA00024620224700000314
步骤(9)中，由
Figure BDA00024620224700000315
和
Figure BDA00024620224700000316
构建的新的加权星敏感器输出
Figure BDA00024620224700000317
为：
Figure BDA0002462022470000041
Figure BDA0002462022470000042
Figure BDA0002462022470000043
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明的方法在三维空间内实现了在两个方向上具有差异化误差特性的矢量进行加权处理，使加权后矢量的误差特性优于原有的矢量；本发明的方法充分利用了星敏感器光轴和横轴的测量信息，使得在星敏感器的光轴夹角小的情况下，仍能保证加权后的星敏感器三轴姿态测量误差不会因为夹角较小而被放大。同时，本发明的方法可以方便扩展至更高维的矢量加权处理中。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图。
具体实施方式
本发明方法的流程框图如图1所示，基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权姿态确定方法，包括步骤如下：
1)测量得到2个星敏感器(定义为星敏感器STS1和星敏感器STS2)各自的光轴/横轴误差。
星敏感器横轴误差为光轴误差的k倍。k通常为5～30，与星敏感器光学系统设计相关。为后续描述方便，可以将测量得到的光轴误差定为m角秒，则横轴误差为km角秒。
2)由安装布局得到2个星敏感器间的姿态转换矩阵C和对应的欧拉角
Figure BDA0002462022470000044
θ,ψ。
姿态转换矩阵C可以用欧拉角
Figure BDA0002462022470000045
θ,ψ表示。在确定姿态转换矩阵的情况下，不同转序对应的欧拉角也不相同。为表述方便，后续选取3-1-3转序进行分析。
3)使用2个星敏感器同时对星空成像，得到同一时刻各自的三轴姿态测量数据。
其中，星敏感器STS1得到的三轴姿态测量数据用
Figure BDA0002462022470000051
表示；星敏感器STS2得到的三轴姿态测量数据用
Figure BDA0002462022470000052
表示；
4)将星敏感器STS1的三轴姿态测量数据通过姿态转换矩阵C转换，得到转换后的星敏感器STS2的三轴姿态测量数据
Figure BDA0002462022470000053
Figure BDA0002462022470000054
5)由星敏感器横轴与光轴误差倍数k和姿态转换矩阵对应的欧拉角
Figure BDA0002462022470000055
θ,ψ4个参数，求取得到加权系数p1,p2,p3。
以下加权系数是在3-1-3转序对应欧拉角的最优系数。
Figure BDA0002462022470000056
6)由
Figure BDA0002462022470000057
和
Figure BDA0002462022470000058
构建新的加权输出
Figure BDA0002462022470000059
即星敏感器STS2安装下的加权姿态测量数据为：
Figure BDA00024620224700000510
Figure BDA00024620224700000511
Figure BDA0002462022470000061
7)将星敏感器STS2的三轴姿态测量数据通过姿态转换矩阵C-1转换，得到转换后的星敏感器STS1的三轴姿态测量数据
Figure BDA0002462022470000062
Figure BDA0002462022470000063
8)由星敏感器横轴与光轴误差倍数k和姿态转换矩阵对应的欧拉角
Figure BDA00024620224700000615
θ,ψ4个参数，求取得到加权系数p'1,p'2,p'3。
以下加权系数是在3-1-3转序对应欧拉角的最优系数。
Figure BDA0002462022470000065
9)由
Figure BDA0002462022470000066
和
Figure BDA0002462022470000067
构建新的加权星敏感器输出
Figure BDA0002462022470000068
即星敏感器STS1安装下的加权姿态测量数据为：
Figure BDA0002462022470000069
Figure BDA00024620224700000610
Figure BDA00024620224700000611
通过理论分析，可以得到加权后的星敏感器STS2的误差特性如下：
(a)
Figure BDA00024620224700000612
在
Figure BDA00024620224700000613
方向上偏差的方差为
Figure BDA00024620224700000614
小于原有的方差m2。
Figure BDA0002462022470000071
在
Figure BDA0002462022470000072
方向上偏差的方差为
Figure BDA0002462022470000073
小于原有的方差m2。
(b)
Figure BDA0002462022470000074
在
Figure BDA0002462022470000075
方向上偏差的方差为
Figure BDA0002462022470000076
小于原有的方差k2m2。
在
Figure BDA0002462022470000077
方向上偏差的方差为
Figure BDA0002462022470000078
小于原有的方差m2。
(c)
Figure BDA0002462022470000079
在
Figure BDA00024620224700000710
方向上偏差的方差为
Figure BDA00024620224700000711
小于原有的方差k2m2。
在
Figure BDA00024620224700000712
方向上偏差的方差为
Figure BDA00024620224700000713
小于原有的方差m2。
通过理论分析，可以得到加权后的星敏感器STS1的误差特性如下：
(d)
Figure BDA00024620224700000714
在
Figure BDA00024620224700000715
方向上偏差的方差为
Figure BDA00024620224700000716
小于原有的方差m2。
在
Figure BDA00024620224700000717
方向上偏差的方差为
Figure BDA00024620224700000718
小于原有的方差m2。
(e)
Figure BDA00024620224700000719
在
Figure BDA00024620224700000720
方向上偏差的方差为
Figure BDA00024620224700000721
小于原有的方差k2m2。
在
Figure BDA00024620224700000722
方向上偏差的方差为
Figure BDA00024620224700000723
小于原有的方差m2。
(f)
Figure BDA0002462022470000081
在
Figure BDA0002462022470000082
方向上偏差的方差为
Figure BDA0002462022470000083
小于原有的方差k2m2。
在
Figure BDA0002462022470000084
方向上偏差的方差为
Figure BDA0002462022470000085
小于原有的方差m2。
选取一些特殊情况(按3-1-3转序)：
(a)当θ＝0时，即星敏感器STS1和星敏感器STS2的安装关系为仅绕Z轴旋转一定角度，此时加权得到的三轴测量矢量误差均为单个星敏感器测量的0.707倍；
(b)当
Figure BDA00024620224700000820
度，θ＝90时，即星敏感器STS1的Z轴与星敏感器STS2的Y轴重合，此时加权得到的Z轴矢量在
Figure BDA0002462022470000086
方向上偏差的方差为
Figure BDA0002462022470000087
在
Figure BDA0002462022470000088
方向上偏差的方差为
Figure BDA0002462022470000089
Y轴矢量在
Figure BDA00024620224700000810
方向上偏差的方差为
Figure BDA00024620224700000811
在
Figure BDA00024620224700000812
方向上偏差的方差为
Figure BDA00024620224700000813
X轴矢量在
Figure BDA00024620224700000814
方向上偏差的方差为
Figure BDA00024620224700000815
在
Figure BDA00024620224700000816
方向上偏差的方差为
Figure BDA00024620224700000817
即三轴测量精度均优于m2
典型工况仿真分析
(a)m＝1,k＝5，
Figure BDA00024620224700000818
θ＝90,ψ＝0(仿真50000个点)。
Figure BDA00024620224700000819
(b)m＝1,k＝5，
Figure BDA0002462022470000091
θ＝0,ψ＝0(仿真50000个点)。
Figure BDA0002462022470000092
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 (6)

1.一种基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权定姿方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)测量得到星敏感器STS1和星敏感器STS2各自的光轴误差或横轴误差，其中，星敏感器横轴误差为光轴误差的k倍；
(2)由安装布局得到星敏感器STS1到星敏感器STS2的姿态转换矩阵C和对应的欧拉角
Figure FDA0002462022460000011
θ,ψ；
(3)使用2个星敏感器同时对星空成像，得到同一时刻各自的三轴姿态测量数据；
其中，星敏感器STS1得到的三轴姿态测量数据用
Figure FDA0002462022460000012
表示；星敏感器STS2得到的三轴姿态测量数据用
Figure FDA0002462022460000013
表示；
(4)根据步骤(2)中的姿态转换矩阵C及步骤(3)中测量得到的星敏感器STS1的三轴姿态测量数据，将星敏感器STS1的三轴姿态测量数据通过姿态转换矩阵C转换，得到转换后的星敏感器STS2的三轴姿态测量数据
Figure FDA0002462022460000014
(5)由星敏感器横轴与光轴误差倍数k和姿态转换矩阵对应的欧拉角
Figure FDA0002462022460000015
θ,ψ，求得加权系数p1,p2,p3；
(6)由
Figure FDA0002462022460000016
和
Figure FDA0002462022460000017
构建新的加权输出
Figure FDA0002462022460000018
(7)根据步骤(2)的姿态转换矩阵及步骤(3)中测量得到2个星敏感器的测量数据，将星敏感器STS2的三轴姿态测量数据通过姿态转换矩阵C-1转换，得到转换后的星敏感器STS1的三轴姿态测量数据
Figure FDA0002462022460000019
Figure FDA0002462022460000021
(8)由星敏感器横轴与光轴误差倍数k和姿态转换矩阵对应的欧拉角
Figure FDA0002462022460000022
θ,ψ，求取得到另一组加权系数p1',p'2,p'3；
(9)由
Figure FDA0002462022460000023
和
Figure FDA0002462022460000024
构建新的加权星敏感器输出
Figure FDA0002462022460000025
2.根据权利要求1所述的基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权定姿方法，其特征在于：步骤(4)中：
Figure FDA0002462022460000026
3.根据权利要求1或2所述的基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权定姿方法，其特征在于：步骤(5)中，根据k,
Figure FDA0002462022460000027
θ,ψ求取最优的比例系数p1,p2,p3使得
Figure FDA0002462022460000028
的误差最小；如果欧拉角采用3-1-3转序，则
Figure FDA0002462022460000029
4.根据权利要求3所述的基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权定姿方法，其特征在于：步骤(6)中，由
Figure FDA00024620224600000210
和
Figure FDA00024620224600000211
构建的新的加权输出
Figure FDA00024620224600000212
为：
Figure FDA00024620224600000213
Figure FDA00024620224600000214
Figure FDA0002462022460000031
5.根据权利要求4所述的基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权定姿方法，其特征在于：步骤(8)中，根据k,
Figure FDA0002462022460000032
θ,ψ求取最优的比例系数p1',p'2,p'3使得
Figure FDA0002462022460000033
的误差最小；如果欧拉角采用3-1-3转序，则
Figure FDA0002462022460000034
6.根据权利要求5所述的基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权定姿方法，其特征在于：步骤(9)中，由
Figure FDA0002462022460000035
和
Figure FDA0002462022460000036
构建的新的加权星敏感器输出
Figure FDA0002462022460000037
为：
Figure FDA0002462022460000038
Figure FDA0002462022460000039
Figure FDA00024620224600000310
CN202010322627.4A 2020-04-22 2020-04-22 基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权姿态确定方法 Active CN111637879B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010322627.4A CN111637879B (zh) 2020-04-22 2020-04-22 基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权姿态确定方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010322627.4A CN111637879B (zh) 2020-04-22 2020-04-22 基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权姿态确定方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111637879A true CN111637879A (zh) 2020-09-08
CN111637879B CN111637879B (zh) 2021-10-01

Family

ID=72327807

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010322627.4A Active CN111637879B (zh) 2020-04-22 2020-04-22 基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权姿态确定方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111637879B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150185009A1 (en) * 2013-12-26 2015-07-02 National University Of Defense Technology Dynamic attitude measurement method of star sensor based on gyro's precise angular correlation
CN105318871A (zh) * 2015-11-09 2016-02-10 中国人民解放军63680部队 双星敏感器载体安装矩阵动态标定方法
CN105526951A (zh) * 2016-01-30 2016-04-27 武汉大学 一种星敏感器原始观测数据预处理方法及系统
CN106568462A (zh) * 2016-10-28 2017-04-19 北京控制工程研究所 一种多探头星敏感器融合姿态测试方法
CN107861919A (zh) * 2017-09-22 2018-03-30 上海航天控制技术研究所 一种星敏感器定姿星矢量权值实时分配方法
CN109489657A (zh) * 2018-11-22 2019-03-19 北京航天计量测试技术研究所 一种双视场星敏感器姿态融合测量装置及方法
CN110411438A (zh) * 2019-07-12 2019-11-05 北京控制工程研究所 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

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150185009A1 (en) * 2013-12-26 2015-07-02 National University Of Defense Technology Dynamic attitude measurement method of star sensor based on gyro's precise angular correlation
CN105318871A (zh) * 2015-11-09 2016-02-10 中国人民解放军63680部队 双星敏感器载体安装矩阵动态标定方法
CN105526951A (zh) * 2016-01-30 2016-04-27 武汉大学 一种星敏感器原始观测数据预处理方法及系统
CN106568462A (zh) * 2016-10-28 2017-04-19 北京控制工程研究所 一种多探头星敏感器融合姿态测试方法
CN107861919A (zh) * 2017-09-22 2018-03-30 上海航天控制技术研究所 一种星敏感器定姿星矢量权值实时分配方法
CN109489657A (zh) * 2018-11-22 2019-03-19 北京航天计量测试技术研究所 一种双视场星敏感器姿态融合测量装置及方法
CN110411438A (zh) * 2019-07-12 2019-11-05 北京控制工程研究所 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

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SUSAN MCKENNA-LAWLOR等: "The energetic NeUtral Atom Detector Unit (NUADU) for China’s Double Star Mission and its calibration", 《NUCLEAR INSTRUMENTS AND METHODS IN PHYSICS RESEARCH》 *
雷拥军: "星敏感器姿态测量相对基准偏差在轨标校方法研究", 《空间控制技术与应用》 *
马红亮等: "多星敏感器测量最优姿态估计算法", 《北京航空航天大学学报》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111637879B (zh) 2021-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111027010B (zh) 一种钢构件圆柱体拟合方法
US11654568B2 (en) 3D measurement model and spatial calibration method based on 1D displacement sensor
Vasconcelos et al. Geometric approach to strapdown magnetometer calibration in sensor frame
CN111707272B (zh) 一种地下车库自动驾驶激光定位系统
CN108225370B (zh) 一种运动姿态传感器的数据融合与解算方法
CN108896053B (zh) 一种行星着陆光学导航最优路标选取方法
CN104019799A (zh) 一种利用局部参数优化计算基础矩阵的相对定向方法
CN108458709B (zh) 基于视觉辅助测量的机载分布式pos数据融合方法和装置
CN107167116B (zh) 一种空间圆弧位姿的视觉检测方法
CN112304218B (zh) 工业机器人的工具中心点位置标定方法及系统
Liu et al. Tightly coupled modeling and reliable fusion strategy for polarization-based attitude and heading reference system
CN112540371A (zh) 一种近底多波束坐标转换处理方法
Sun et al. An orthogonal iteration pose estimation algorithm based on an incident ray tracking model
CN114234967B (zh) 一种基于多传感器融合的六足机器人定位方法
CN113295171B (zh) 一种基于单目视觉的旋转刚体航天器姿态估计方法
CN111637879B (zh) 基于多维差异化误差特性分布的双星敏加权姿态确定方法
CN111932612B (zh) 基于二阶隐马尔科夫模型的智能车视觉定位方法及装置
CN109945854B (zh) 一种基于四元数差值融合星敏感器数据的方法
Guan et al. Relative pose estimation for multi-camera systems from affine correspondences
CN111504276B (zh) 一种基于视觉投影尺度因子集的联合目标函数多推进器姿态角获取方法
CN114659709A (zh) 一种用于大型带翼航天飞行器的三维质心测量方法
CN114964259A (zh) 基于红外焦平面阵列时域信号与红外图像的姿态解算方法及系统
CN111323048B (zh) 一种相对位姿测量单机性能测试方法及系统
Mortari et al. Attitude and position estimation from vector observations
Li et al. Biomimetic navigation system using a polarization sensor and a binocular camera

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant