CN112665570B - 一种基于星敏感器的mems陀螺零偏在轨简化工程计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于星敏感器的MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算方法，包括：S10：记录所述计算方法开始时刻；S30：判断控制周期时刻是否到来，控制周期时刻到达，数据采集模块对数据信息进行采集，数据信息为每个计算周期采集MEMS陀螺的角度增量，每个星敏感器数据采集周期采集星敏感器输出的姿态四元数；S50：根据第一条件判断是否需要将星敏感器姿态进行外推，如果符合第一条件，先进入到星敏姿态外推模块，然后进入纯MEMS陀螺定姿模块，不符合第一条件，则直接进入纯MEMS陀螺定姿模块；S70：根据第二条件判断是否进入更新MEMS陀螺零偏模块，符合第二条件，进入更新MEMS陀螺零偏模块，不符合第二条件，跳到步骤S30；S90：更新MEMS陀螺零偏模块之后，重复步骤S30～S90。

Description

一种基于星敏感器的MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算方法

技术领域

本发明涉及MEMS陀螺零偏领域。更具体地，涉及一种基于星敏感器的MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算方法。

背景技术

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)陀螺具有体积小、重量轻、低成本、功耗低、抗大过载冲击等优点，在民用、工业、航天等方面有广阔的应用空间。由于大多数MEMS陀螺处于中低精度级别，不能够满足战术级别和导航级别的需求。为此，人们基于误差补偿的思想，在地面通过对陀螺漂移进行测试，建立相应的误差模型，进而在系统中进行补偿。随着MEMS陀螺精度的提升，越来越多的空间飞行器采用MEMS陀螺进行姿态确定。

为保证MEMS陀螺表头工作在稳定的谐振状态，需保证表头内部的腔体具有较高的真空度及稳定的阻尼系数。然而，MEMS陀螺长期在轨暴露在真空环境中，腔体的真空度会发生变化，从而影响陀螺表头的品质因数和振动参数，导致陀螺零偏发生变化。由此，MEMS陀螺误差的在轨估算方法，具有较高的工程应用价值。

国内外大多数研究主要针对MEMS陀螺零偏、标度因数在地面进行温度补偿和热循环对陀螺性能的影响，MEMS陀螺误差的在轨估算方法的研究较少。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于星敏感器的MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算方法，解决MEMS陀螺长期在轨后零偏会发生较大漂移的问题。

为了实现上述目的，提供如下技术方案：

本发明的目的在于提供一种基于星敏感器的MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算方法，包括以下步骤：

S10：记录所述计算方法开始时刻；

S30：判断控制周期时刻是否到来，控制周期时刻到达，数据采集模块对数据信息进行采集，所述数据信息为每个MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算周期采集MEMS陀螺的角度增量，每个星敏感器数据采集周期采集星敏感器输出的姿态四元数；

S50：根据第一条件判断是否需要将星敏感器姿态进行外推，如果符合第一条件，先进入到星敏姿态外推模块，然后进入纯MEMS陀螺定姿模块，不符合第一条件，则直接进入纯MEMS陀螺定姿模块；

S70：根据第二条件判断是否进入更新MEMS陀螺零偏模块，符合第二条件，则进入更新MEMS陀螺零偏模块，不符合第二条件，则跳到步骤S30；

S90：更新MEMS陀螺零偏模块之后，重复步骤S30～S90。

在一个具体实施例中，所述步骤S50中第一条件为(t-t₀)与n的余数为0，其中，所述计算方法开始时刻为t₀，所述计算方法当前时刻为t，n为MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算周期。

在一个具体实施例中，星敏姿态外推模块在每个MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算周期将星敏感器姿态外推至当前时刻：

dt＝t-t_star

其中：t_star为星敏感器曝光中心时刻，单位为s；dAX、dAY、dAZ分别为当前控制周期内MEMS陀螺输出的角度增量，单位rad；q_0,star、q_1,star、q_2,star、q_3,star为星敏感器输出的姿态四元数；q_0T、q_1T、q_2T、q_3T为将星敏感器姿态四元数外推至当前时刻的姿态四元数。

在一个具体实施例中，所述纯MEMS陀螺定姿模块：

若初次进行纯MEMS陀螺定姿，则：

否则

在每个控制周期，进行纯MEMS陀螺定姿：

其中：BiasQ[0]、BiasQ[1]、BiasQ[2]、BiasQ[3]为纯MEMS陀螺定姿四元数；dAX、dAY、dAZ分别为当前控制周期内MEMS陀螺输出的角度增量，单位rad。

在每个控制周期，计算转换矩阵BiasM：

BiasM[i,j]＝BiasM1[i,j]+M[i,j]i＝1～3,j＝1～3

其中，BiasM1[i,j]表示的是上一次计算出的转换矩阵，BiasM[i,j]为本次计算出的转换矩阵。

在一个具体实施例中，所述第二条件为t>t₀且(t-t₀)与n的余数为0，其中，所述计算方法开始时刻为t₀，所述计算方法当前时刻为t，n为MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算周期。

在一个具体实施例中，所述更新MEMS陀螺零偏模块：每个MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算周期计算一次偏差四元数：

其中：q_0e、q_1e、q_2e、q_3e为偏差四元数；BiasQ[0]、BiasQ[1]、BiasQ[2]、BiasQ[3]纯MEMS陀螺定姿四元数；q_0T、q_1T、q_2T、q_3T为将星敏感器姿态四元数外推至当前时刻的姿态四元数。

在一个具体实施例中，还包括对计算后的偏差四元数进行归一化：

其中，q_0e、q_1e、q_2e、q_3e为偏差四元数。

在一个具体实施例中，还包括更新MEMS陀螺零偏：

其中：G0x、G0y、G0z分别为MEMS陀螺X向、Y向、Z向零偏；e_x、e_y、e_z分别为MEMS陀螺X向、Y向、Z向的偏差；BiasM为转换矩阵；α为滤波系数。

本发明的有益效果如下：

本发明公开了一种MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算方法，解决了MEMS陀螺长期在轨后零偏会发生较大漂移的问题。随着MEMS陀螺精度的提升，越来越多的空间飞行器采用MEMS陀螺进行姿态确定。MEMS陀螺长期在轨因腔体真空度的变化，零偏会发生较大变化，MEMS陀螺零偏在轨估算方法具有较高的工程应用价值。本发明给出了一种基于星敏感器的MEMS陀螺零偏在轨简化工程估算方法，可在轨实时计算，易于工程实现，极大地方便了地面监视并分析MEMS陀螺零偏的变化规律，为MEMS陀螺误差的在轨补偿提供了技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明一个实施例一种基于星敏感器的MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明的一个实施例提供一种基于星敏感器的MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算方法，如图1所示，包括以下步骤：

S10：记录所述计算方法开始时刻；

S30：判断控制周期T1时刻是否到来，控制周期时刻到达，数据采集模块对数据信息进行采集，所述数据信息为每个MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算周期采集MEMS陀螺的角度增量，每个星敏感器数据采集周期采集星敏感器输出的姿态四元数；

S50：根据第一条件判断是否需要将星敏感器姿态进行外推，如果符合第一条件，先进入到星敏姿态外推模块，然后进入纯MEMS陀螺定姿模块，不符合第一条件，则直接进入纯MEMS陀螺定姿模块；

S70：根据第二条件判断是否进入更新MEMS陀螺零偏模块，符合第二条件，则进入更新MEMS陀螺零偏模块，不符合第二条件，则跳到步骤S30；

S90：更新MEMS陀螺零偏模块之后，重复步骤S30～S90。

在一个具体实施例中，所述步骤S50中第一条件为(t-t₀)与n的余数为0，其中，所述计算方法开始时刻为t₀，所述计算方法当前时刻为t，n为MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算周期。

在一个具体实施例中，星敏姿态外推模块在每个MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算周期将星敏感器姿态外推至当前时刻：

dt＝t-t_star

其中：t_star为星敏感器曝光中心时刻，单位为s；dAX、dAY、dAZ分别为当前控制周期内MEMS陀螺输出的角度增量，单位rad；q_0,star、q_1,star、q_2,star、q_3,star为星敏感器输出的姿态四元数；q_0T、q_1T、q_2T、q_3T为将星敏感器姿态四元数外推至当前时刻的姿态四元数。

在一个具体实施例中，所述纯MEMS陀螺定姿模块：

若初次进行纯MEMS陀螺定姿，则：

否则

在每个控制周期，进行纯MEMS陀螺定姿：

其中：BiasQ[0]、BiasQ[1]、BiasQ[2]、BiasQ[3]为纯MEMS陀螺定姿四元数；dAX、dAY、dAZ分别为当前控制周期内MEMS陀螺输出的角度增量，单位rad。

在每个控制周期，计算转换矩阵BiasM：

BiasM[i,j]＝BiasM1[i,j]+M[i,j]i＝1～3,j＝1～3

其中，BiasM1[i,j]表示的是上一次计算出的转换矩阵，BiasM[i,j]为本次计算出的转换矩阵，即第n+1次计算出来的转换矩阵为第n次计算出的转换矩阵和第n+1次计算出的M矩阵相加的结果。

在一个具体实施例中，所述第二条件为t>t₀且(t-t₀)与n的余数为0，其中，所述计算方法开始时刻为t₀，所述计算方法当前时刻为t，n为MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算周期。

在一个具体实施例中，所述更新MEMS陀螺零偏模块：每个MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算周期计算一次偏差四元数：

其中：q_0e、q_1e、q_2e、q_3e为偏差四元数；BiasQ[0]、BiasQ[1]、BiasQ[2]、BiasQ[3]纯MEMS陀螺定姿四元数；q_0T、q_1T、q_2T、q_3T为将星敏感器姿态四元数外推至当前时刻的姿态四元数。

在一个具体实施例中，还包括对计算后的偏差四元数进行归一化：

其中，q_0e、q_1e、q_2e、q_3e为偏差四元数。

在一个具体实施例中，还包括更新MEMS陀螺零偏：

其中：G0x、G0y、G0z分别为MEMS陀螺X向、Y向、Z向零偏；e_x、e_y、e_z分别为MEMS陀螺X向、Y向、Z向的偏差；BiasM为转换矩阵；α为滤波系数。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种基于星敏感器的MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10：记录所述计算方法开始时刻；

S30：判断控制周期时刻是否到来，控制周期时刻到达，数据采集模块对数据信息进行采集，所述数据信息为每个MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算周期采集MEMS陀螺的角度增量，每个星敏感器数据采集周期采集星敏感器输出的姿态四元数；

S50：根据第一条件判断是否需要将星敏感器姿态进行外推，如果符合第一条件，先进入到星敏姿态外推模块，然后进入纯MEMS陀螺定姿模块，不符合第一条件，则直接进入纯MEMS陀螺定姿模块；

S70：根据第二条件判断是否进入更新MEMS陀螺零偏模块，符合第二条件，则进入更新MEMS陀螺零偏模块，不符合第二条件，则跳到步骤S30；

S90：更新MEMS陀螺零偏模块之后，重复步骤S30～S90；

所述步骤S50中第一条件为(t-t₀)与n的余数为0，其中，所述计算方法开始时刻为t₀，所述计算方法当前时刻为t，n为MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算周期；

星敏姿态外推模块在每个MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算周期将星敏感器姿态外推至当前时刻：

dt＝t-t_star

其中：t_star为星敏感器曝光中心时刻，单位为s；dAX、dAY、dAZ分别为当前控制周期内MEMS陀螺输出的角度增量，单位rad；q_0,star、q_1,star、q_2,star、q_3,star为星敏感器输出的姿态四元数；q_0T、q_1T、q_2T、q_3T为将星敏感器的姿态四元数外推至当前时刻的姿态四元数；

所述纯MEMS陀螺定姿模块：

若初次进行纯MEMS陀螺定姿，则：

否则

在每个控制周期，进行纯MEMS陀螺定姿：

其中：BiasQ[0]、BiasQ[1]、BiasQ[2]、BiasQ[3]为纯MEMS陀螺定姿四元数；dAX、dAY、dAZ分别为当前控制周期内MEMS陀螺输出的角度增量，单位rad；

在每个控制周期，计算转换矩阵BiasM：

BiasM[i,j]＝BiasM1[i,j]+M[i,j],i＝1～3,j＝1～3；

其中，BiasM1[i,j]表示的是上一次计算出的转换矩阵，BiasM[i,j]为本次计算出的转换矩阵；

所述第二条件为t>t₀且(t-t₀)与n的余数为0，其中，所述计算方法开始时刻为t₀，所述计算方法当前时刻为t，n为MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算周期。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述更新MEMS陀螺零偏模块：每个MEMS陀螺零偏在轨简化工程计算周期计算一次偏差四元数：

其中：q_0e、q_1e、q_2e、q_3e为偏差四元数；BiasQ[0]、BiasQ[1]、BiasQ[2]、BiasQ[3]为纯MEMS陀螺定姿四元数；q_0T、q_1T、q_2T、q_3T为将星敏感器姿态四元数外推至当前时刻的姿态四元数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括对计算后的偏差四元数进行归一化：

其中，q_0e、q_1e、q_2e、q_3e为偏差四元数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括更新MEMS陀螺零偏：

其中：G0x、G0y、G0z分别为MEMS陀螺X向、Y向、Z向零偏；e_x、e_y、e_z分别为MEMS陀螺X向、Y向、Z向的偏差；BiasM为转换矩阵；α为滤波系数。

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