CN111982128A - 一种陀螺安装矩阵的在轨标定方法及星载软件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陀螺安装矩阵的在轨标定方法及星载软件，所述标定方法包括:获取卫星在第一工况下的第一期望角速度在轨遥测数组，记为{ω1_or1，ω1_or2…ω1_orN}；获取陀螺在第一工况下的第一实测角速度在轨遥测数组，记为{ω1_ob1，ω1_ob2…ω1_obN}；获取卫星在第二工况下的第二期望角速度在轨遥测数组，记为{ω2_or1，ω2_or2…ω2_orN}；获取陀螺在第二工况下的第二期望角速度在轨遥测数组，记为{ω2_ob1，ω2_ob2…ω2_obN}，其中，陀螺安装在卫星上；根据第一期望角速度在轨遥测数组、第一实测角速度在轨遥测数组、第二期望角速度在轨遥测数组以及第二期望角速度在轨遥测数组计算得到安装矩阵；根据安装矩阵计算得到与安装矩阵对应的安装四元数，其中，陀螺测量结果可根据安装四元数重新计算卫星角速度，以减小陀螺在卫星上的安装偏差。

Description

一种陀螺安装矩阵的在轨标定方法及星载软件

技术领域

本发明涉及航天航空技术领域，具体涉及一种陀螺安装矩阵的在轨标定方法及星载软件。

背景技术

对于敏捷小卫星，由于星敏感器配套数量和动态性能限制，在卫星根据载荷需求进行任意姿态机动过程中，不可避免需要使用陀螺积分作为姿态测量基准，因此对陀螺积分姿态确定精度提出了更高要求。随着光纤陀螺等惯性敏感器自身测量精度的不断提高和在轨陀螺常值漂移估计算法的不断成熟，在卫星快速姿态机动控制任务中，陀螺表头安装偏差已经成为制约陀螺积分姿态确定精度的主要因素。

发明内容

本发明设计了一种基于卫星期望角速度和实测角速度遥测的陀螺安装矩阵的在轨标定方法及星载软件，在星敏感器可用工况下，选取两个任务模式下的期望角速度和陀螺实测角速度，基于双矢量定姿原理，直接计算出陀螺的安装矩阵。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种陀螺安装矩阵的在轨标定方法，包括:

获取卫星在第一工况下的第一期望角速度在轨遥测数组，记为{ω1_or1，ω1_or2···ω1_orN}；

获取陀螺在第一工况下的第一实测角速度在轨遥测数组，记为{ω1_ob1，ω1_ob2···ω1_obN}；

获取所述卫星在第二工况下的第二期望角速度在轨遥测数组，记为{ω2_or1，ω2_or2···ω2_orN}；

获取所述陀螺在第二工况下的第二期望角速度在轨遥测数组，记为{ω2_ob1，ω2_ob2···ω2_obN}，其中，所述陀螺安装在所述卫星上；

根据所述第一期望角速度在轨遥测数组、所述第一实测角速度在轨遥测数组、所述第二期望角速度在轨遥测数组以及所述第二期望角速度在轨遥测数组计算得到安装矩阵；

根据所述安装矩阵计算得到与所述安装矩阵对应的安装四元数，其中，所述陀螺可根据所述安装四元数做出相应的姿态调整以减小所述陀螺在所述卫星上的安装偏差。

可选地，还包括：

上注所述安装四元数至卫星平台或所述卫星，其中，所述卫星平台用于将所述四元数发送至所述卫星，所述卫星上的陀螺测量值可根据所述四元数重新解算卫星角速度，以减小所述陀螺在所述卫星上的安装偏差。

可选地，所述安装矩阵为所述陀螺所在的测量矩阵相对于所述卫星所在的本体坐标系的转换矩阵。

可选地，所述第一期望角速度在轨遥测数组中的任一第一期望角速度与所述第二期望角速度在轨遥测数组中对应的第二期望角速度的夹角大于阈值值。

可选地，每个所述第一期望角速度的数组维数、每个所述第一实测角速度的数组维数、每个所述第二期望角速度的数组维数以及每个第二实测角速度的数组维数相等。

可选地，所述安装矩阵的计算步骤具体包括：

提取所述第一期望角速度在轨遥测数组中的第一期望角速度ω1_ork，其中，k可取1,2...N；

提取所述第一实测角速度在轨遥测数组中与所述第一期望角速度ω1_ork相对应的第一实测角速度ω1_obk；

提取所述第二期望角速度在轨遥测数据中与所述第一期望角速度ω1_ork相对应的第二期望角速度ω2_ork；

提取所述第二实测角速度在轨遥测数据中与所述第一期望角速度ω1_ork相对应的第二实测角速度ω2_obk；

根据所述第一期望角速度ω1_ork、所述第一实测角速度ω1_obk、所述第二期望角速度ω2_ork以及所述第二实测角速度ω2_obk计算得到第k拍的安装矩阵。

可选地，还包括：

重复所述安装矩阵的计算步骤若干次，得到若干个安装矩阵，其中，每次提取的第一期望角速度ω1_ork与之前提取过的第一期望角速度ω1_ork不重复。

可选地，所述四元数的计算步骤具体包括：

根据若干个所述安装矩阵计算得到若干个四元数；

对所述若干个四元数进行标部取正处理；

计算若干个标部取正处理后的四元数的平均值，得到平均四元数；

对所述平均四元数进行归一化处理，得到安装四元数。

可选地，所述卫星的质量小于1000公斤，该标定方法适用于敏捷小卫星上安装的陀螺。

另一方面，本发明还提供了一种星载软件，可安装在卫星上，用于执行上述的在轨标定方法以减小所述陀螺在所述卫星上的安装偏差。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点之一：

本发明中用于安装在卫星上的陀螺可无需安装基准棱镜，因此该方法成本低，易于工程实现；在星敏感器可用工况下，选取两个任务模式下的期望角速度和陀螺实测角速度，基于双矢量定姿原理，直接计算出陀螺的安装矩阵。

附图说明

图1为卫星凝视地面站和凝视目标星姿态控制示意图；

图2为某卫星凝视地面站姿态控制期望角速度曲线；

图3为2种卫星任务模式姿态控制期望角速度矢量示意图。

具体实施方式

以下结合附图1～3和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者现场设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者现场设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者现场设备中还存在另外的相同要素。

请参阅图1、图2和图3所示，本实施例提供的一种陀螺安装矩阵的在轨标定方法，适用于敏捷姿态机动卫星，特别是运行在倾斜轨道的小卫星，由于星敏感器配套数量和动态性能限制，在卫星根据载荷需求进行任意姿态机动过程中，不可避免需要使用陀螺积分作为姿态测量基准，因此对陀螺积分姿态确定精度提出了更高要求。随着光纤陀螺等惯性敏感器自身测量精度的不断提高和在轨陀螺常值漂移估计算法的不断成熟，在卫星快速姿态机动控制任务中，陀螺表头安装偏差已经成为制约陀螺积分姿态确定精度的主要因素。本实施例中提供的标定方法具体包括:

获取卫星在第一工况下的第一期望角速度在轨遥测数组(期望角速度的计算为现有技术，在此不再赘述)，记为{ω1_or1，ω1_or2···ω1_orN}；

获取陀螺在第一工况下的第一实测角速度在轨遥测数组，记为{ω1_ob1，ω1_ob2···ω1_obN}；

获取所述卫星在第二工况下的第二期望角速度在轨遥测数组，记为{ω2_or1，ω2_or2···ω2_orN}；

获取所述陀螺在第二工况下的第二期望角速度在轨遥测数组，记为{ω2_ob1，ω2_ob2···ω2_obN}，其中，所述陀螺安装在所述卫星上；

所述第一期望角速度在轨遥测数组、所述第一实测角速度在轨遥测数组、所述第二期望角速度在轨遥测数组以及所述第二期望角速度在轨遥测数组在相同参考坐标系内进行描述即可(例如轨道坐标系)，以便于后续数据的处理，位于同一遥测包中，同步遥测下传至地面。

根据所述第一期望角速度在轨遥测数组、所述第一实测角速度在轨遥测数组、所述第二期望角速度在轨遥测数组以及所述第二期望角速度在轨遥测数组计算得到安装矩阵；

根据所述安装矩阵计算得到与所述安装矩阵对应的安装四元数，其中，所述陀螺测量值可根据所述安装四元数重新解算卫星角速度，以减小所述陀螺在所述卫星上的安装偏差。

本实施例中，还包括：

本实施例中，所述安装矩阵为所述陀螺所在的测量矩阵相对于所述卫星所在的本体坐标系的转换矩阵。

本实施例中，所述第一期望角速度在轨遥测数组中的任一第一期望角速度与所述第二期望角速度在轨遥测数组中对应的第二期望角速度的夹角大于阈值，该阈值暂取45°，当其夹角小于该阈值时，后续计算的相关结果误差较大，该判断步骤可以有效地提升数据的有效性，该判断步骤可以放在数据的采集过程中或数据采集后。

本实施例中，每个所述第一期望角速度的数组维数、每个所述第一实测角速度的数组维数、每个所述第二期望角速度的数组维数以及每个第二实测角速度的数组维数相等；所述第一期望角速度在轨遥测数组的数组维数、所述第一实测角速度在轨遥测数组的数组维数、所述第二期望角速度在轨遥测数组的数组维数以及所述第二期望角速度在轨遥测数组的数组维数相等；上述四个数组维数设定位置对应的角速度信息属于同一拍，读取某一数组中设定位置的数据对应的角速度信息，读取出的角速度信息属于同一拍，以便于计算该拍的安装矩阵，无需再将各角速度所在的数据进行标记处理，降低运算量。

本实施例中，所述安装矩阵的计算步骤具体包括：

提取所述第一期望角速度在轨遥测数组中的第一期望角速度ω1_ork，其中，k可取1,2...N；

提取所述第一实测角速度在轨遥测数组中与所述第一期望角速度ω1_ork相对应的第一实测角速度ω1_obk；

提取所述第二期望角速度在轨遥测数据中与所述第一期望角速度ω1_ork相对应的第二期望角速度ω2_ork；

提取所述第二实测角速度在轨遥测数据中与所述第一期望角速度ω1_ork相对应的第二实测角速度ω2_obk；

根据所述第一期望角速度ω1_ork、所述第一实测角速度ω1_obk、所述第二期望角速度ω2_ork以及所述第二实测角速度ω2_obk(该四个角速度属于同一拍)计算得到第k拍的安装矩阵。

本实施例中，还包括：

重复所述安装矩阵的计算步骤若干次，得到若干个安装矩阵，其中，每次提取的第一期望角速度ω1_ork与之前提取过的第一期望角速度ω1_ork不重复。

本实施例中，所述四元数的计算步骤具体包括：

根据若干个所述安装矩阵计算得到若干个四元数；

对所述若干个四元数进行标部取正处理；

计算若干个标部取正处理后的四元数的平均值，得到平均四元数；

对所述平均四元数进行归一化处理，得到安装四元数。

本实施例中，所述卫星的质量小于1000公斤，该标定方法适用于敏捷小卫星上安装的陀螺；本实施例中的陀螺不再安装基准棱镜，通过地面标定方法保证了陀螺的姿态可及时调整，有效减小陀螺及卫星的质量，也降低了经济成本，适配于小卫星的陀螺产品，减小其受重量和尺寸的约束。

本实施例利用双矢量定姿原理计算陀螺测量坐标系相对卫星基准坐标系转换矩阵A_sb。对第k拍期望角速度矢量ω1_ork、ω2_ork陀螺实测速度矢量ω1_obk、ω2_obk进行归一化。

分别在陀螺的测量坐标系和卫星的本体坐标系建立参考坐标系如下：

定义：

A_sc＝[r₁ r₂ r₃]

A_bc＝[s₁ s₂ s₃]

进而按如下公式计算第k拍卫星本体坐标到陀螺测量坐标系的转换矩阵A_sb：

分别计算姿态转换矩阵对应的四元数，将姿态四元数做标部取正处理后，对四元数各分量取平均值后得到平均四元数，对该四元数进行归一化处理后即得到最终的陀螺测量坐标系相对卫星基准坐标系姿态四元数估计值。

分别取k＝1、2…N，第k拍四元数：

q_bsk＝dcm2quat(A_sbk)

对各拍四元数做标部取正处理后，求四元数各分量的平均值：

对该四元数进行归一化，得到陀螺测量坐标系相对卫星基准坐标系的安装四元数q_bs，进而通过遥控注数修改星载软件相应变量即可。

基于同一发明构思，本实施例还提供了一种星载软件，可安装在卫星上，用于执行上述的在轨标定方法以减小所述陀螺在所述卫星上的安装偏差。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种陀螺安装矩阵的在轨标定方法，其特征在于，包括:

获取卫星在第一工况下的第一期望角速度在轨遥测数组，记为{ω1_or1，ω1_or2···ω1_orN}；

获取陀螺在第一工况下的第一实测角速度在轨遥测数组，记为{ω1_ob1，ω1_ob2···ω1_obN}；

获取所述卫星在第二工况下的第二期望角速度在轨遥测数组，记为{ω2_or1，ω2_or2···ω2_orN}；

获取所述陀螺在第二工况下的第二期望角速度在轨遥测数组，记为{ω2_ob1，ω2_ob2···ω2_obN}，其中，所述陀螺安装在所述卫星上，第一工况与第二工况角速度方向须不相同；

根据所述第一期望角速度在轨遥测数组、所述第一实测角速度在轨遥测数组、所述第二期望角速度在轨遥测数组以及所述第二期望角速度在轨遥测数组计算得到安装矩阵；

根据所述安装矩阵计算得到与所述安装矩阵对应的安装四元数，其中，所述陀螺测量值可根据所述安装四元数重新解算出卫星角速度，以减小所述陀螺在所述卫星上的安装偏差。

2.如权利要求1所述的在轨标定方法，其特征在于，还包括：

上注所述安装四元数至卫星平台或所述卫星，其中，所述卫星平台用于将所述四元数发送至所述卫星，所述卫星上的陀螺可根据所述四元数重新解算卫星角速度，以减小所述陀螺在所述卫星上的安装偏差。

3.如权利要求1所述的在轨标定方法，其特征在于，所述安装矩阵为所述陀螺所在的测量矩阵相对于所述卫星所在的本体坐标系的转换矩阵。

4.如权利要求1所述的在轨标定方法，其特征在于，所述第一期望角速度在轨遥测数组中的任一第一期望角速度与所述第二期望角速度在轨遥测数组中对应的第二期望角速度的夹角大于阈值。

5.如权利要求1所述的在轨标定方法，其特征在于，每个所述第一期望角速度的数组维数、每个所述第一实测角速度的数组维数、每个所述第二期望角速度的数组维数以及每个第二实测角速度的数组维数相等。

6.如权利要求1或5所述的在轨标定方法，其特征在于，所述安装矩阵的计算步骤具体包括：

提取所述第一期望角速度在轨遥测数组中的第一期望角速度ω1_ork，其中，k可取1,2...N；

提取所述第一实测角速度在轨遥测数组中与所述第一期望角速度ω1_ork相对应的第一实测角速度ω1_obk；

提取所述第二期望角速度在轨遥测数据中与所述第一期望角速度ω1_ork相对应的第二期望角速度ω2_ork；

提取所述第二实测角速度在轨遥测数据中与所述第一期望角速度ω1_ork相对应的第二实测角速度ω2_obk；

根据所述第一期望角速度ω1_ork、所述第一实测角速度ω1_obk、所述第二期望角速度ω2_ork以及所述第二实测角速度ω2_obk计算得到第k拍的安装矩阵。

7.如权利要求6所述的在轨标定方法，其特征在于，还包括：

重复所述安装矩阵的计算步骤若干次，得到若干个安装矩阵，其中，每次提取的第一期望角速度ω1_ork与之前提取过的第一期望角速度ω1_ork不重复。

8.如权利要求7所述的在轨标定方法，其特征在于，所述四元数的计算步骤具体包括：

根据若干个所述安装矩阵计算得到若干个四元数；

对所述若干个四元数进行标部取正处理；

计算若干个标部取正处理后的四元数的平均值，得到平均四元数；

对所述平均四元数进行归一化处理，得到安装四元数。

9.如权利要求1所述的在轨标定方法，其特征在于，所述卫星的质量小于1000公斤。

10.一种星载软件，可安装在卫星上，其特征在于，用于执行如权利要求1至9任一项中所述的在轨标定方法以减小所述陀螺在所述卫星上的安装偏差。

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