CN112034402B - 微纳卫星的剩磁和剩磁矩联合标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微纳卫星的剩磁和剩磁矩联合标定方法，该方法包括：建立微纳卫星动力学模型；根据动力学模型建立UKF滤波模型；将陀螺仪输出的速度增量作为测量基准，利用UKF算法确定微纳卫星的剩磁和剩磁矩。本发明的微纳卫星剩磁和剩磁矩联合标定方法，通过在轨算法标定，可以去除整星剩磁干扰和采集引起的磁强计测量误差，有效提高磁强计的测量精度，满足在轨应用磁强计测量精度的要求。在轨标定过程降低了微纳卫星的研制成本，标定效率较高。通过陀螺仪的输出作为测量基准，操作简单，准确性高。

Description

微纳卫星的剩磁和剩磁矩联合标定方法

技术领域

本发明涉及航天器控制技术领域，尤其涉及一种微纳卫星的剩磁和剩磁矩联合标定方法。

背景技术

磁强计是微纳卫星最常用的敏感器，因具有价格低廉、质量轻、体积小、采样电路简单、性能稳定等优点，在卫星中得到广泛应用。为了降低卫星本体扰动磁场对磁强计测量值的影响，大卫星通常将磁强计通过长杆伸出到卫星外部，由于磁场强度与磁体距离的三次方呈反比，因此增加距离可以降低磁场强度，从而提高磁强计的测量精度。但是微纳卫星由于收到体积、质量的限制，通常只能将磁强计安装在微纳卫星的星体内部，与其他部组件之间的距离较近。因此，当星体内的其他组件工作产生磁场时，会严重影响磁强计的测量精度。当磁强计测量的地磁场与真实磁场存在较大偏差，基于该测量值计算的卫星姿态精度较低。此外，微纳卫星通常采用体装太阳电池阵，磁强计安装在太阳电池阵形成的空腔内，其产生的时变磁场对磁强计的影响更不可忽略。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种微纳卫星的剩磁和剩磁矩联合标定方法。具体技术方案如下：

一种微纳卫星的剩磁和剩磁矩联合标定方法，所述方法包括：

建立微纳卫星动力学模型；

根据动力学模型建立UKF滤波模型；

将陀螺仪输出的速度增量作为测量基准，利用UKF算法确定微纳卫星的剩磁和剩磁矩。

可选地，动力学模型包括：

磁强计的测量偏差值B₀的模型

式中，τ_b表示时间常数，η_b为系统噪声。

可选地，动力学模型还包括：

微纳卫星的磁矩m₀的模型

其中，τ_m表示时间常数，η_m为系统噪声。

可选地，动力学模型还包括：

误差角速度Δω的模型

式中，J表示卫星转动惯量矩阵，m₀表示卫星磁矩，B_m表示磁强计的测量输出值，B₀表示磁强计的测量偏值，T_c表示主动控制力矩，ω表示卫星姿态角速度。

可选地，根据动力学模型建立UKF滤波模型，进一步包括：

选取系统的状态变量为

建立系统动力学方程为

其中，

其中，0₃表示3阶零矩阵；

在[t_k,t_k+1]时间区间内，对系统动力学方程进行离散化可得：

X_k+1|k＝X_k+f(X_k)Δt

其中，Δt表示采样间隔时间。

可选地，将陀螺仪输出的速度增量作为观测方程输出，则有Z＝Δω；

系统观测方程为：

Z_k＝H_kX_k

其中，观测矩阵H_k＝[I₃ 0₃]，I₃表示3阶单位阵；

根据系统观测方程和离散化后的系统动力学方程，根据标准UKF滤波流程就确定状态参数B₀、m₀的值。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的微纳卫星的剩磁和剩磁矩联合标定方法，通过在轨算法标定，可以去除整星剩磁干扰和采集引起的磁强计测量误差，有效提高磁强计的测量精度，满足在轨应用磁强计测量精度的要求。且在轨标定过程降低了微纳卫星的研制成本，标定效率较高。通过陀螺仪的输出作为测量基准，操作简单，准确性高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施例提供的微纳卫星的剩磁和剩磁矩联合标定方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

本发明实施例提供了一种微纳卫星的剩磁和剩磁矩联合标定方法，如附图1所示，该方法包括：

建立微纳卫星动力学模型；

根据动力学模型建立UKF滤波模型；

将陀螺仪输出的速度增量作为测量基准，利用UKF算法确定微纳卫星的剩磁和剩磁矩。

本发明实施例提供的微纳卫星的剩磁和剩磁矩联合标定方法，通过在轨算法标定，可以去除整星剩磁干扰和采集引起的磁强计测量误差，有效提高磁强计的测量精度，满足在轨应用磁强计测量精度的要求。且在轨标定过程降低了微纳卫星的研制成本，标定效率较高。通过陀螺仪的输出作为测量基准，操作简单，准确性高。

具体地，以下对本发明实施例提供的微纳卫星的剩磁和剩磁矩联合标定方法的具体原理进行说明：

由于磁强计作为敏感器件经过严格的标定，所以磁强计本身的零偏远小于由剩磁引起的偏差。因此，磁强计的输出可以表示为：

B_m＝B_b+B₀ (1)

其中，B_m为磁强计的测量输出值，B_b为卫星当前位置地磁场强度真值，B₀为磁强计的测量偏值。

由于微纳卫星上的剩磁是慢时变的，则磁强计的测量偏差值B₀可以建模为：

其中，τ_b表示时间常数，η_b为系统噪声。

此外，微纳卫星的磁矩m₀也是慢时变的，同理可以建模为：

其中，τ_m表示时间常数，η_m为系统噪声。

剩磁和剩磁矩相互作用，会对微纳卫星的姿态产生干扰力矩T_d，卫星受到的剩磁干扰力矩T_d可以表示为：

T_d＝m₀×B_m-m₀×B₀ (4)

由于微纳卫星一般均为刚性的，因此微纳卫星的姿态动力学模型可以表示为：

其中，ω表示卫星姿态角速度，J表示卫星转动惯量矩阵，T_c表示主动控制力矩。

假设估计角速度为

误差角速度为Δω，也满足动力学方程，则有：

由于

因此将上述方程进行线性化后，可得：

根据动力学模型式(2)、式(3)和式(7)建立UKF滤波模型。

选取系统的状态变量为：

建立系统动力学方程为：

其中，

0₃表示3阶零矩阵。

在[t_k,t_k+1]时间区间内，对上式进行离散化可得：

X_k+1|k＝X_k+f(X_k)Δt (10)

其中，Δt表示采样间隔时间。

将陀螺仪输出的速度增量作为观测方程输出，则有

Z＝Δω (11)

则系统观测方程可以表示为：

Z_k＝H_kX_k (12)

其中，观测矩阵H_k＝diag([I₃ 0₃ 0₃])，I₃表示3阶单位阵。

根据式(10)和式(12)，根据标准UKF滤波流程就能确定状态参数B₀、m₀的值，从而在轨估计出微纳卫星上的剩磁和剩磁矩。

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、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种微纳卫星的剩磁和剩磁矩联合标定方法，其特征在于，所述方法包括：

建立微纳卫星动力学模型；

根据动力学模型建立UKF滤波模型；

将陀螺仪输出的速度增量作为测量基准，利用UKF算法确定微纳卫星的剩磁和剩磁矩；

其中，动力学模型包括：

磁强计的测量偏差值B₀的模型

微纳卫星的磁矩m₀的模型

误差角速度Δω的模型

其中，τ_b和τ_m表示时间常数，η_b和η_m为系统噪声，J表示卫星转动惯量矩阵，m₀表示卫星磁矩，B_m表示磁强计的测量输出值，B₀表示磁强计的测量偏差值，T_c表示主动控制力矩，ω表示卫星姿态角速度；

其中，根据动力学模型建立UKF滤波模型，包括：

选取系统的状态变量为

建立系统动力学方程为

其中，

其中，0₃表示3阶零矩阵；

在[t_k,t_k+1]时间区间内，对系统动力学方程进行离散化得到：

X_k+1|k＝X_k+f(X_k)Δt

其中，Δt表示采样间隔时间；

其中，将陀螺仪输出的速度增量作为观测方程输出，则有Z＝Δω；

系统观测方程为：

Z_k＝H_kX_k

其中，观测矩阵H_k＝[I₃ 0₃]，I₃表示3阶单位阵；

根据系统观测方程和离散化后的系统动力学方程，根据标准UKF滤波流程确定状态参数B₀、m₀的值。

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