KR101294623B1 - Enhanced ground based precise attitude determination method of imaging satellite - Google Patents

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KR101294623B1
KR101294623B1 KR1020120157528A KR20120157528A KR101294623B1 KR 101294623 B1 KR101294623 B1 KR 101294623B1 KR 1020120157528 A KR1020120157528 A KR 1020120157528A KR 20120157528 A KR20120157528 A KR 20120157528A KR 101294623 B1 KR101294623 B1 KR 101294623B1
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posture
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박근주
이윤기
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한국항공우주연구원
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Abstract

PURPOSE: An enhanced ground based precise posture determination method of a low-orbit imaging satellite is provided to accurately determine the posture of the satellite by dually using gyro measurement data and star tracker measurement data. CONSTITUTION: Gyro measurement data and star tracker measurement data are obtained in different intervals through a gyro sensor and a star tracker using a dual MIL-STD-1553 bus communication device (S100). The gyro measurement data and the star tracker measurement data are stored and transmitted to a ground station (S200). A posture quaternion estimated value is repeatedly predicted until the star tracker measurement data is received after calculating an angular speed by restoring the transmitted gyro measurement data again (S300). A modified value is calculated by using the posture quaternion estimated value and the star tracker measurement data, and an error posture quaternion is applied as a corrected value by using the modified value (S400). [Reference numerals] (S100) Measured data obtaining step; (S200) Measured data transmitting step; (S300) Angular speed calculating and predicting step; (S400) Correcting step

Description

저궤도 영상촬영위성의 향상된 지상 정밀자세결정 방법{Enhanced Ground Based Precise Attitude Determination Method of Imaging Satellite}Improved Ground Based Precise Attitude Determination Method of Imaging Satellite

본 발명은 저궤도 영상촬영위성의 정밀자세결정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저궤도 상을 운행하면서 고해상도의 영상을 촬영하여 지상국에 송신하는 저궤도 영상촬영위성의 정밀자세결정을 위성에 탑재된 탑재컴퓨터에서 수행하는 대신, 지상에서 수행함으로써 저궤도 영상촬영위성의 기동영역에서의 자세결정의 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 저궤도 영상촬영위성의 지상 정밀자세결정 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a precision posture determination method of a low orbit image photographing satellite, and more particularly, an onboard computer equipped with a satellite in which the fine orbital image positioning satellite of a low orbit image photographing satellite transmitting high-resolution images to a ground station while driving a low orbit image is transmitted. Instead, the present invention relates to a terrestrial precision posture determination method of a low orbit imaging satellite, which can be performed on the ground to improve the performance of attitude determination in a moving region of the low orbit imaging satellite.

저궤도의 태양동기궤도를 1일 동안 수회 회전하면서 탑재된 고해상도 영상촬영장치를 이용하여 지상의 물체나 지역을 촬영하여 지상에 송신하는 저궤도 영상촬영위성이 운용되고 있으며, 이러한 영상촬영위성이 정교하고 정확한 영상을 획득하기 위해서는 위성의 자세가 정확하게 제어되어야 하며, 따라서 위성에 대한 정밀한 자세결정이 요구되고, 이를 위해 영상촬영위성에는 별추적기와 자이로 등의 고성능 센서가 설치되어 이들로부터 획득된 정보를 이용하여 위성에 대한 정밀한 자세결정이 이루어진다.A low-orbit imaging satellite, which uses a high-resolution imaging device mounted on a low-orbit solar orbit for several days and transmits it to the ground by photographing objects or areas on the ground, and these imaging satellites are sophisticated and accurate. In order to acquire an image, the attitude of the satellite must be precisely controlled. Therefore, precise attitude determination of the satellite is required. To this end, a high-performance sensor such as a star tracker and a gyro is installed in the imaging satellite, Precise attitudes to the satellite are made.

그러나 이러한 센서들은 위성의 발사에 따른 외력, 우주환경의 영향 등에 의해 설치상태가 변경될 수 있고, 이 경우 촬영되는 영상에도 오차가 발생될 수 있기 때문에 통상 이러한 오차를 줄이기 위해 발사에 따른 설치상태의 변경, 우주환경의 영향에 의한 자이로의 오정렬, 환산계수(scale factor) 오차 및 별추적기 상호간의 오정렬 등의 기하학적 오차에 대한 상대보정이 먼저 이루어지고, 이와 같은 별추적기 기준좌표계에 대해 자세제어계 수준의 상대보정이 완료되고 나면 영상기준점 정보를 이용한 절대보정이 이루어지며, 이러한 절대보정은 위성에 탑재된 컴퓨터에 의해 결정된 자세정보가 이용된다.
However, these sensors may change the installation state due to external force, space effect due to satellite launch, and in this case, an error may occur in the captured image. Relative correction for geometric errors such as change, misalignment of gyro due to influence of space environment, scale factor error, and misalignment between star trackers is performed first. After the relative correction is completed, absolute correction is performed using the image reference point information. The absolute correction is performed using attitude information determined by a computer mounted on a satellite.

한편, 위성에 탑재된 컴퓨터에서 위성의 자세를 결정할 때에는 고성능 별추적기와 자이로 센서로부터 획득된 측정값을 이용하는데, 별추적기로부터 획득된 영상처리를 행하는 데에 많은 시간이 소요되고, 또한 탑재컴퓨터의 경우 프로세서 처리용량(throughput)에 있어서 제약이 따르기 때문에 탑재컴퓨터에서 자세를 결정할 때에는 통상 별추적기 측정 주기(일반적으로 10Hz)에 맞추어 자이로 측정 주기를 설정한 상태에서 측정 데이터를 획득하여 위성의 자세를 결정하는데, 이때 위성의 각속도는 아래의 수학식 1에 의해 계산된 단위시간 동안의 평균 각속도가 사용되고, 이 경우 측정잡음과 부가적인 오차 등이 더해져 과정잡음(process noise)의 예측에 불확실성이 증가하여, 이로 인해 자세결정의 정확성이 저하된다.
On the other hand, when determining the attitude of a satellite in a computer mounted on a satellite, the measurement values obtained from a high performance star tracker and a gyro sensor are used, and it takes a long time to perform the image processing obtained from the star tracker. In this case, since the processor throughput is limited, the onboard computer determines the attitude of the satellite by acquiring the measurement data with the gyro measurement period set according to the star tracker measurement period (typically 10 Hz). In this case, the angular velocity of the satellite is used as the average angular velocity for the unit time calculated by Equation 1 below, in which case the measurement noise and additional errors are added to increase the uncertainty in the prediction of the process noise (process noise), This lowers the accuracy of attitude determination.

Figure 112012109420092-pat00001
Figure 112012109420092-pat00001

여기서,

Figure 112012109420092-pat00002
는 각속도,
Figure 112012109420092-pat00003
는 각도이고,
Figure 112012109420092-pat00004
는 측정시간이다.
here,
Figure 112012109420092-pat00002
Is the angular velocity,
Figure 112012109420092-pat00003
Is an angle,
Figure 112012109420092-pat00004
Is the measurement time.

이에 더하여 위성에 탑재된 컴퓨터가 위성의 자세를 결정할 때에는 고성능 별추적기와 자이로 센서로부터 획득된 측정값을 칼만필터와 같은 필터에 입력하여 결정하는데, 이때 자세결정의 강건성을 높이기 위해 필터 파라미터가 여유있게 설정되기 때문에 자세결정값이 수렴하기까지 많은 시간이 소요되어 위성의 기동구간에 적용하기가 곤란하다.
In addition, when the satellite computer is used to determine the attitude of the satellite, the measurements obtained from the high-performance star tracker and the gyro sensor are input to a filter such as a Kalman filter, and the filter parameters are relaxed to increase the robustness of the attitude determination. Because it is set, it takes a long time for the attitude value to converge and it is difficult to apply it to the maneuvering section of the satellite.

상기와 같은 이유로 처리용량 등에서 제약이 없는 지상에서 위성에서 수집한 별추적기 측정값과 자이로 측정값을 이용한 자세결정을 수행하고, 또한 칼만이득을 조절함으로써 성능을 향상시키기 위한 시도가 행하여졌는데, 이러한 시도는 자세결정의 수렴성능을 개선하는 데에는 일조하였으나, 종래에서와 똑같이 별추적기 측정값과 자이로 측정값 획득 주기를 동일하게 설정하여 수행하기 때문에 각속도 예측의 정확성이 저하되는 문제는 여전히 남아있다.
For this reason, attempts have been made to improve the performance by performing the attitude determination using the star tracker measurements and the gyro measurements collected from satellites on the ground without limitation in processing capacity, and also by adjusting the Kalman gain. Although it helps to improve the convergence performance of the attitude determination, the problem of deteriorating the accuracy of the angular velocity prediction remains because it is performed by setting the star tracker measurement value and the gyro measurement value acquisition period in the same manner as in the prior art.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 위성 자세결정 방법이 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 듀얼 MIL-STD-1553 버스 통신을 사용하여 자이로 측정 데이터와 별추적기 측정 데이터를 서로 다른 주기로 획득하고, 이 획득된 자이로 측정 데이터와 별추적기 측정 데이터를 위성의 자세를 결정하는 데에 이원화하여 사용함으로써 위성의 자세를 더욱 정확하고 효과적으로 결정할 수 있도록 하는 영상촬영위성의 자세결정 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
Therefore, the present invention has been made to solve the problems of the conventional satellite attitude determination method as described above, by using dual MIL-STD-1553 bus communication to obtain the gyro measurement data and star tracker measurement data at different periods, The purpose of the present invention is to provide a positioning method of an imaging satellite, which dualizes the obtained gyro measurement data and star tracker measurement data to determine the attitude of the satellite. There is this.

상기와 같은 본 발명의 목적은 영상촬영위성의 지상 정밀자세결정 방법을, 상기 위성에 탑재된 컴퓨터에 구비되는 듀얼 MIL-STD-1553 버스 통신 장치를 이용하여 서로 다른 주기로 자이로 측정 데이터와 별추적기 측정 데이터를 각각 획득하는 측정 데이터 획득단계와; 상기 자이로 측정 데이터와 별추적기 측정 데이터를 저장하여 지상국에 전송하는 측정 데이터 전송단계와; 상기 상대적으로 짧은 주기로 전송된 자이로 측정 데이터를 지상국에서는 다시 복원하여 별추적기 측정 데이터가 이용 가능할 때까지 자세 쿼터니언 값을 계산하는 예측단계 및; 상기 별추적기 측정 데이터가 이용 가능한 시점이 되면 상기 자세 쿼터니언 예측값과 상기 별추적기 측정 데이터를 이용하여 수정값을 계산한 다음, 상기 수정값을 이용하여 오차 자세 쿼터니언 및 자이로 표류오차를 구하고, 오차 자세 쿼터니언을 보정값으로 적용함으로써 위성의 추정 자세를 갱신하는 보정단계로 구성하는 것에 의해 달성된다.The object of the present invention as described above is to measure the gyro measurement data and the star tracker at different cycles using the dual MIL-STD-1553 bus communication device provided in the computer mounted on the satellite, the terrestrial precision posture determination method of the imaging satellite A measurement data acquisition step of acquiring data respectively; A measurement data transmission step of storing the gyro measurement data and the star tracker measurement data and transmitting the same to a ground station; A prediction step of reconstructing the gyro measurement data transmitted in a relatively short period at the ground station to calculate the posture quaternion value until the star tracker measurement data is available; When the star tracker measurement data is available, the correction value is calculated using the posture quaternion prediction value and the star tracker measurement data, and then the error posture quaternion and gyro drifting error are calculated using the correction value, and the error posture quaternion By applying as a correction value, it is achieved by constructing a correction step of updating the estimated attitude of the satellite.

이때 상기 자세결정 알고리즘은 확장칼만필터(EKF)가 사용되는 것이 바람직하다.In this case, it is preferable that the Extended Kalman Filter (EKF) is used as the attitude determination algorithm.

또한 상기 자이로 센서는 50Hz 주기로 측정값 데이터를 획득하고, 상기 별추적기는 10Hz 주기로 별추적기 측정 데이터를 획득하는 것이 더욱 바람직하다.
In addition, the gyro sensor obtains the measured value data at a period of 50Hz, the star tracker is more preferably to obtain the star tracker measurement data at a 10Hz period.

본 발명은 위성에 탑재되는 컴퓨터에 듀얼 MIL-STD-1553 버스 통신장치를 구비하여 자이로 측정 데이터와 별추적기 측정 데이터를 분리된 버스를 통해 이원화하여 획득 저장하여 지상국에 전송하고, 이 전송된 측정 데이터 중 상대적으로 측정주기가 짧은 자이로 측정 데이터에 기초하여 각속도를 계산하여 위성의 자세 및 표류오차를 결정하는 데에 사용함으로써 위성의 자세를 더욱 정확하게 결정할 수 있으며, 이와 동시에 자이로 표류오차 추정 성능이 향상됨으로써 기동 및 외란 간섭 등이 발생하는 구간에서도 성능 개선이 이루어진다.According to the present invention, a dual MIL-STD-1553 bus communication device is provided in a satellite-mounted computer, and the gyro measurement data and the star tracker measurement data are dualized through a separate bus, acquired, stored, and transmitted to the ground station. The angular velocity is calculated based on the gyro measurement data, which has a relatively short measurement period, and used to determine the attitude and drifting error of the satellite.At the same time, the gyro drifting error estimation performance is improved. Performance is also improved in the section where starting and disturbance interference occurs.

또한 본 발명은 위성의 자세를 결정하는 데에 사용되는 칼만이득이 계속 갱신되어 사용되고, 이로 인해 필터의 자세결정의 수렴속도가 향상되어 단기간 여러 촬영목표로의 고기동이 수행되는 구간에서 위성의 기하오차를 줄일 수 있다.
In addition, the present invention is continuously updated and used Kalmandeuk used to determine the attitude of the satellite, which improves the convergence speed of the attitude determination of the filter, so that the geometric error of the satellite in a section in which the high-speed motion is performed to several shooting targets in a short time Can be reduced.

도 1은 본 발명에 따른 저궤도 영상촬영위성의 지상 정밀자세결정 방법을 실시하기 위한 장치의 예를 보인 구성도,
도 2는 발명에 따른 저궤도 영상촬영위성의 지상 정밀자세결정 방법을 순서대로 나타낸 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 저궤도 영상촬영위성의 지상 정밀자세결정 방법에 대한 구체적 절차를 나타낸 흐름도이다.
1 is a configuration diagram showing an example of an apparatus for performing a method for terrestrial precision posture determination of a low orbit image photographing satellite according to the present invention;
2 is a flowchart showing a method for terrestrial precision posture determination of a low-orbit imaging satellite according to the present invention;
3 is a flowchart showing a specific procedure for the method for terrestrial precision posture determination of low-orbit imaging satellite according to the present invention.

이하에서는 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 통해 본 발명의 구성을 더욱 상세히 설명한다.
Hereinafter, the configuration of the present invention through the accompanying drawings showing a preferred embodiment will be described in more detail.

본 발명은 저궤도 위성촬영위성의 지상 정밀자세결정 방법에 관한 것으로, 본 발명의 정밀자세결정 방법은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 측정데이터 획득단계(S100), 측정데이터 전송단계(S200), 각속도 계산 및 예측단계(S300) 및 보정단계(S400)로 이루어진다.
The present invention relates to a terrestrial precision posture determination method of a low-orbit satellite photographing satellite, and the precision posture determination method of the present invention includes a measurement data acquisition step (S100) and a measurement data transmission step (S200) as shown in FIGS. 2 and 3. , Angular velocity calculation and prediction step (S300) and correction step (S400).

(1) 측정데이터 획득단계(S100)(1) Measurement data acquisition step (S100)

이 단계는 위성의 자세를 결정하기 위한 기초데이터를 획득하는 단계로서, 이를 위해 위성에는 자이로(10)와 별추적기(20)가 구비되고, 이때 자이로(10)는 위성의 3축방향의 방향과 회전 각속도 등을 측정하여 송신하며, 별추적기(20)는 별추적 측정 데이터를 송신한다.This step is to acquire the basic data for determining the attitude of the satellite, for this purpose, the satellite is provided with a gyro 10 and a star tracker 20, wherein the gyro 10 and the three axis direction of the satellite The rotational angular velocity is measured and transmitted, and the star tracker 20 transmits star track measurement data.

이때 탑재컴퓨터에는 도 1에 도시된 바와 같이 별도의 듀얼 MIL-STD- 1553 버스 통신장치가 구비되어 자이로(10)는 50Hz의 주기로 측정 데이터를 획득하고, 별추적기(20)는 10Hz의 주기로 측정데이터를 획득한다.
At this time, the onboard computer is equipped with a separate dual MIL-STD-1553 bus communication device as shown in FIG. 1 so that the gyro 10 acquires measurement data at a period of 50 Hz, and the star tracker 20 measures data at a period of 10 Hz. Acquire it.

(2) 측정데이터 전송단계(S200)(2) Measurement data transmission step (S200)

이 단계는 상기의 측정데이터 획득단계(S100)에 의해 서로 다른 주기로 자이로 측정 데이터와 별추적기 측정 데이터가 획득되면, 이 획득된 자이로 측정 데이터와 별추적기 측정 데이터를 이원화된 주기로 저장하여 지상국에 전송하고 수신하는 단계이다.
In this step, when the gyro measurement data and the star tracker measurement data are acquired at different periods by the measurement data acquisition step (S100), the obtained gyro measurement data and the star tracker measurement data are stored in a binary cycle and transmitted to the ground station. Receiving.

(3) 각속도 계산 및 예측 단계(S300)(3) angular velocity calculation and prediction step (S300)

이 단계는 상기 측정데이터 전송단계(S200)에 의해 관련 데이터가 지상국에 전송되면 지상국에서는 짧은 주기로 전송된 자이로 데이터를 이용해서 각속도를 계산하여 별추적기 측정 시점, 즉 별추적기 측정 데이터가 이용 가능할 때까지 자세 쿼터니언 및 자이로 표류오차 값을 예측하는 단계이다. 이하에서는 전송된 자이로 측정 데이터를 이용하여 확장칼만필터(EKF)에 의해 위성자세의 변화를 예측하는 방법에 대해 기술한다.In this step, when the relevant data is transmitted to the ground station by the measurement data transmission step (S200), the ground station calculates the angular velocity using the gyro data transmitted in a short period until the star tracker measurement time, that is, until the star tracker measurement data is available. Prediction quaternion and gyro drifting error values are predicted. Hereinafter, a method of predicting the change of satellite posture by the Extended Kalman Filter (EKF) using the transmitted gyro measurement data will be described.

①먼저, 전송된 자이로 측정 데이터를 이용하여 아래의 수학식 2를 이용하여 단위시간 동안의 동체의 평균 각속도에 해당하는 동체 각속도(

Figure 112012109420092-pat00005
)를 계산한다.
① First, using the transmitted gyro measurement data using the following equation (2) the fuselage angular velocity corresponding to the average angular velocity of the fuselage during the unit time (
Figure 112012109420092-pat00005
).

Figure 112012109420092-pat00006
Figure 112012109420092-pat00006

여기서,

Figure 112012109420092-pat00007
은 동체 각속도,
Figure 112012109420092-pat00008
는 자이로에 의해 측정된 회전각이다.
here,
Figure 112012109420092-pat00007
Silver fuselage angular velocity,
Figure 112012109420092-pat00008
Is the rotation angle measured by the gyro.

②위 수학식 2에 의해 동체 각속도(

Figure 112012109420092-pat00009
)가 계산되면, 아래의 수학식 3에서와 같이 동체 각속도(
Figure 112012109420092-pat00010
)에서 자이로 표류오차 추정값(
Figure 112012109420092-pat00011
)을 빼 동체 각속도 추정값(
Figure 112012109420092-pat00012
)을 구한다.
② Body angular velocity (Equation 2 above)
Figure 112012109420092-pat00009
) Is calculated, the fuselage angular velocity (
Figure 112012109420092-pat00010
) Estimates the gyro drifting error (
Figure 112012109420092-pat00011
Subtract the) to estimate the fuselage angular velocity (
Figure 112012109420092-pat00012
).

Figure 112012109420092-pat00013
Figure 112012109420092-pat00013

여기서,

Figure 112012109420092-pat00014
는 동체 각속도 추정값,
Figure 112012109420092-pat00015
은 동체 각속도 측정값,
Figure 112012109420092-pat00016
는 자이로 표류오차 추정값이다. 자이로 표류오차 추정값은 별추적기 측정 정보를 이용하는 보정단계에서 결정된다.
here,
Figure 112012109420092-pat00014
Is an estimate of the fuselage angular velocity,
Figure 112012109420092-pat00015
Is the fuselage angular velocity measurement,
Figure 112012109420092-pat00016
Is the gyro drifting error estimate. The gyro drifting error estimate is determined in the calibration step using the star tracker measurement information.

③위의 수학식 3을 통해 구한 동체 각속도 추정값(

Figure 112012109420092-pat00017
)을 이용하여 아래의 수학식 4에 의해 이전 주기의 자세정보의 변화량 예측값(
Figure 112012109420092-pat00018
)을 구한 다음, 이전 주기에서 예측 또는 갱신된 위성의 위성자세 추정값(
Figure 112012109420092-pat00019
)과 아래의 수학식 4에서와 같이 결합하여 현재의 위성자세 예측값(
Figure 112012109420092-pat00020
)을 구하고, 아울러 수학식 5에 의해 자이로 표류오차 추정값(
Figure 112012109420092-pat00021
)을 예측한다.
③ Estimated body angular velocity obtained from Equation 3 above (
Figure 112012109420092-pat00017
Equation (4) using the following equation to estimate the change amount of the posture information of the previous period (
Figure 112012109420092-pat00018
) And then estimate the satellite attitude of the satellite predicted or updated in the previous period (
Figure 112012109420092-pat00019
) As shown in Equation 4 below
Figure 112012109420092-pat00020
) And the gyro drift error estimate (Equation 5)
Figure 112012109420092-pat00021
).

Figure 112012109420092-pat00022
Figure 112012109420092-pat00022

여기서,

Figure 112012109420092-pat00023
는 이전 주기의 자세정보의 변화량 추정값,
Figure 112012109420092-pat00024
는 주기(0.02초),
Figure 112012109420092-pat00025
는 이전 주기의 동체 각속도 추정값이다.
here,
Figure 112012109420092-pat00023
Is an estimated amount of change in posture information of the previous cycle,
Figure 112012109420092-pat00024
Is a period (0.02 seconds),
Figure 112012109420092-pat00025
Is an estimate of the fuselage angular velocity of the previous period.

Figure 112012109420092-pat00026
Figure 112012109420092-pat00026

여기서,

Figure 112012109420092-pat00027
는 자세 쿼터니언 예측값,
Figure 112012109420092-pat00028
는 이전 주기의 자세정보의 변화량 추정값,
Figure 112012109420092-pat00029
는 주기,
Figure 112012109420092-pat00030
는 이전 주기의 동체 각속도 추정값,
Figure 112012109420092-pat00031
은 이전 주기의 자세 쿼터니언 추정 혹은 예측 값이다.
here,
Figure 112012109420092-pat00027
Is a posture quaternion prediction,
Figure 112012109420092-pat00028
Is an estimated amount of change in posture information of the previous cycle,
Figure 112012109420092-pat00029
Cycle,
Figure 112012109420092-pat00030
Is an estimate of fuselage angular velocity from the previous period,
Figure 112012109420092-pat00031
Is the attitude quaternion estimate or prediction value of the previous period.

Figure 112012109420092-pat00032
Figure 112012109420092-pat00032

여기서,

Figure 112012109420092-pat00033
는 자이로 표류오차 추정값으로써 별추적기 측정 값을 이용한 보정단계를 통해 갱신되고, 예측단계에서는 동일한 값으로 설정된다.
here,
Figure 112012109420092-pat00033
Is updated through a correction step using a star tracker measurement value as an gyro drifting error estimate value, and is set to the same value in the prediction step.

④상기에서와 같이 수학식 5에 의해 현재의 위성자세가 예측되고 나면, 칼만이득(

Figure 112012109420092-pat00034
)을 계산하기 위해 아래의 수학식 7에서와 같이 상호분산 행렬의 예측 값도 구해준다.
④ After the current satellite posture is predicted by Equation 5 as above,
Figure 112012109420092-pat00034
In order to calculate), the prediction value of the covariance matrix is also obtained as shown in Equation 7 below.

Figure 112012109420092-pat00035
Figure 112012109420092-pat00035

여기서,

Figure 112012109420092-pat00036
는 상태오차의 상호분산 행렬이고,
Figure 112012109420092-pat00037
는 과정잡음의 상호분산 행렬이며,
Figure 112012109420092-pat00038
는 상태천이 행렬이다.here,
Figure 112012109420092-pat00036
Is a covariance matrix of state errors,
Figure 112012109420092-pat00037
Is the covariance matrix of process noise,
Figure 112012109420092-pat00038
Is the state transition matrix.

각각의 정의는,

Figure 112012109420092-pat00039
이고,
Figure 112012109420092-pat00040
이다.Each definition is
Figure 112012109420092-pat00039
ego,
Figure 112012109420092-pat00040
to be.

여기서,

Figure 112012109420092-pat00041
,
Figure 112012109420092-pat00042
,
Figure 112012109420092-pat00043
은 자이로 측정값의 잡음특성으로써 각각 AWN(Angular White Noise), ARW(Angular Random Walk), RRW(Rate Random Walk)의 분산값을 나타내고,
Figure 112012109420092-pat00044
는 단위행렬을 나타낸다.
here,
Figure 112012109420092-pat00041
,
Figure 112012109420092-pat00042
,
Figure 112012109420092-pat00043
Are noise characteristics of the gyro measurement values, and represent variance values of Angular White Noise (AWN), Angular Random Walk (ARW) and Rate Random Walk (RWR), respectively.
Figure 112012109420092-pat00044
Denotes a unit matrix.

⑤상기와 같이 자이로 측정 데이터로부터 현재의 자세정보의 추정값(

Figure 112012109420092-pat00045
)과 상태오차의 상호분산(
Figure 112012109420092-pat00046
)을 예측 또는 계산하는 ② 내지 ④의 과정은 별추적기 측정 데이터가 이용 가능할 때까지 반복(5회)되는데, 이때 상기 과정에 의해 추정된 값들은 다시 이전 주기의 값으로 사용되고, 이에 의해 자세정보의 추정값(
Figure 112012109420092-pat00047
)과 상태오차의 상호분산(
Figure 112012109420092-pat00048
) 등이 계속 갱신된다.
⑤ The estimated value of the current posture information from the gyro measurement data as described above (
Figure 112012109420092-pat00045
) And variance of state error (
Figure 112012109420092-pat00046
The process of ② to ④ of predicting or calculating) is repeated (5 times) until the star tracker measurement data is available, wherein the values estimated by the process are used as the values of the previous periods, thereby Estimate
Figure 112012109420092-pat00047
) And variance of state error (
Figure 112012109420092-pat00048
) Is constantly updated.

(4) 보정단계(S400)(4) correction step (S400)

이 단계는 상대적으로 긴 주기로 획득되는 별추적기 측정 데이터가 이용 가능한 시점에서 상기 예측단계(S300)가 종료되고 나면, 상기 예측단계에 의해 갱신된 자세 쿼터니언 추정값과 상기 별추적기 측정 데이터를 이용하여 수정값을 계산한 다음, 상기 수정값을 이용하여 오차 자세 쿼터니언 및 자이로 표류오차를 구하여 보정값으로 결정하는 단계이다.This step is a correction value using the posture quaternion estimation value and the star tracker measurement data updated by the prediction step after the prediction step S300 is finished at the time when the star tracker measurement data acquired at a relatively long period is available. Next, the error attitude quaternion and gyro drifting errors are calculated using the correction value, and the correction value is determined.

본 발명에서는 위성의 정밀위성자세를 결정하기 위해 자세결정 알고리즘(필터)을 사용하는데, 이때 사용되는 자세결정 알고리즘은 EKF, UKF, Particle Filter, Quest, Predictive Filter와 같이 예측 및 보정방식을 사용하는 것이면 어느 것이든 사용가능하며, 이하에서는 별추적기 측정 데이터를 이용하여 확장칼만필터(EKF)에 의해 보정하는 방법에 대해 기술한다.
In the present invention, an attitude determination algorithm (filter) is used to determine the precise satellite attitude of the satellite, wherein the attitude determination algorithm used is a prediction and correction method such as EKF, UKF, Particle Filter, Quest, and Predictive Filter. Either one can be used and the following describes a method of correcting by the Extended Kalman Filter (EKF) using the star tracker measurement data.

①먼저, 별추적기 측정 데이터가 입력되면, 이 별추적기 측정 데이터와 상기 상기 예측단계(S300)에서 구한

Figure 112012109420092-pat00049
를 이용하여 아래의 수학식 8에 의해 칼만이득(
Figure 112012109420092-pat00050
)을 계산한다.
① First, when the star tracker measurement data is input, the star tracker measurement data and obtained in the prediction step (S300)
Figure 112012109420092-pat00049
By using Kalman gain (8)
Figure 112012109420092-pat00050
).

Figure 112012109420092-pat00051
Figure 112012109420092-pat00051

여기서,

Figure 112012109420092-pat00052
는 칼만이득,
Figure 112012109420092-pat00053
는 상태오차의 상호분산,
Figure 112012109420092-pat00054
는 관측행렬,
Figure 112012109420092-pat00055
은 별추적기 측정잡음의 상호분산,
Figure 112012109420092-pat00056
Figure 112012109420092-pat00057
는 동체좌표계에서 각각의 별추적기 기준좌표계로의 변환행렬이고, 이때 관측행렬
Figure 112012109420092-pat00058
이다.
Figure 112012109420092-pat00059
Figure 112012109420092-pat00060
는 최초 지상에서 측정된 값으로 주어진 후 궤도상에서 수행하는 자세제어계 보정단계를 거쳐 갱신해 준다.
here,
Figure 112012109420092-pat00052
Is full of swords,
Figure 112012109420092-pat00053
Is the variance of state error,
Figure 112012109420092-pat00054
Is the observation matrix,
Figure 112012109420092-pat00055
Is the covariance of the star tracker measurement noise,
Figure 112012109420092-pat00056
Wow
Figure 112012109420092-pat00057
Is the transformation matrix from the fuselage coordinate system to the reference coordinate system of each star tracker.
Figure 112012109420092-pat00058
to be.
Figure 112012109420092-pat00059
Wow
Figure 112012109420092-pat00060
Is given as the value measured at the ground first and then updated through the calibration process of the attitude control system performed on track.

② 다음, 지구중심관성좌표계(ECI, Earth Centered Inertia)에서 별추적기 기준좌표계로의 변환 자세 쿼터니언 추정값(

Figure 112012109420092-pat00061
)을 계산하여 측정값(
Figure 112012109420092-pat00062
)과 아래의 수학식 9에서와 같이 결합하여 별추적기 기준좌표계에서의 자세 오차(
Figure 112012109420092-pat00063
)를 구한 다음, 아래의 수학식 9에 의해 별추적기에서 관측된 자세 오차에 대한 관측벡터(
Figure 112012109420092-pat00064
)를 생성한다.
② Next, the posture quaternion estimated value from the Earth Centered Inertia (ECI) to the star tracker reference coordinate system (
Figure 112012109420092-pat00061
) And the measured value (
Figure 112012109420092-pat00062
) And posture error in the star tracker reference coordinate system by combining
Figure 112012109420092-pat00063
), And then the observation vector for the attitude error observed in the star tracker
Figure 112012109420092-pat00064
).

Figure 112012109420092-pat00065
Figure 112012109420092-pat00065

여기서,

Figure 112012109420092-pat00066
은 별추적기 기준좌표계에서의 자세 오차,
Figure 112012109420092-pat00067
Figure 112012109420092-pat00068
는 각각 지구중심관성좌표계에서 별추적기 기준좌표계로의 변환 자세 쿼터니언 추정값과 측정값이다.
here,
Figure 112012109420092-pat00066
Is the posture error in the star tracker reference coordinate system,
Figure 112012109420092-pat00067
Wow
Figure 112012109420092-pat00068
Are the estimated posture quaternion estimates and measurements from the geocentric inertial coordinate system to the star tracker reference coordinate system, respectively.

Figure 112012109420092-pat00069
Figure 112012109420092-pat00069

여기서,

Figure 112012109420092-pat00070
는 관측벡터,
Figure 112012109420092-pat00071
Figure 112012109420092-pat00072
는 각 별추적기 측정값과 비교한 오차 자세 쿼터니언이며, (1:3)은 쿼터니언의 벡터 부분을 나타낸다.
here,
Figure 112012109420092-pat00070
Is an observation vector,
Figure 112012109420092-pat00071
Wow
Figure 112012109420092-pat00072
Is the error attitude quaternion compared with each star tracker measurement, and (1: 3) represents the vector portion of the quaternion.

③위의 과정에 의해 구해진 칼만이득(

Figure 112012109420092-pat00073
)과 관측벡터(
Figure 112012109420092-pat00074
)를 이용하여 아래의 수학식 11에 의해 수정값(
Figure 112012109420092-pat00075
, correction)을 계산한다.
③ Kalman gained by the above process (
Figure 112012109420092-pat00073
) And the observation vector (
Figure 112012109420092-pat00074
By using the following equation (11)
Figure 112012109420092-pat00075
, correction).

Figure 112012109420092-pat00076
Figure 112012109420092-pat00076

여기서,

Figure 112012109420092-pat00077
는 수정값 벡터,
Figure 112012109420092-pat00078
는 칼만이득이고,
Figure 112012109420092-pat00079
는 관측벡터이다.
here,
Figure 112012109420092-pat00077
Is the correction vector,
Figure 112012109420092-pat00078
Is a sword full,
Figure 112012109420092-pat00079
Is the observation vector.

④수정값(

Figure 112012109420092-pat00080
)이 계산되면, 이를 아래의 수학식 12에 대입하여 보정할 자세 오차 쿼터니언(
Figure 112012109420092-pat00081
)을 구한 다음, 이를 자세 쿼터니언 예측값(
Figure 112012109420092-pat00082
)과 결합하여 자세 쿼터니언 추정(
Figure 112012109420092-pat00083
)을 구함으로써 그 결과 나타나는 값을 정밀위성자세로 결정하고, 아울러 이래의 수학식 13에 의해 자이로 표류오차 추정값(
Figure 112012109420092-pat00084
)을 갱신한다.
④ Corrected value (
Figure 112012109420092-pat00080
) Is calculated, the attitude error quaternion (
Figure 112012109420092-pat00081
), Then calculate the attitude quaternion prediction (
Figure 112012109420092-pat00082
Combined with) to estimate posture quaternion (
Figure 112012109420092-pat00083
), The resulting value is determined by the precise satellite posture, and the gyro drifting error estimated value (
Figure 112012109420092-pat00084
).

Figure 112012109420092-pat00085
Figure 112012109420092-pat00085

여기서,

Figure 112012109420092-pat00086
는 결정된 정밀자세에 해당하는 쿼터니언,
Figure 112012109420092-pat00087
는 자세 오차 수정량에 해당하는 오차 쿼터니언,
Figure 112012109420092-pat00088
는 자세 쿼터니언 예측값이고, 이때
Figure 112012109420092-pat00089
이다.
here,
Figure 112012109420092-pat00086
Is the quaternion corresponding to the determined precision posture,
Figure 112012109420092-pat00087
Is the error quaternion corresponding to the posture error correction amount,
Figure 112012109420092-pat00088
Is a posture quaternion prediction,
Figure 112012109420092-pat00089
to be.

Figure 112012109420092-pat00090
Figure 112012109420092-pat00090

여기서,

Figure 112012109420092-pat00091
는 자이로 표류오차 추정값,
Figure 112012109420092-pat00092
은 수정값 벡터의 표류오차 보정 부분이다.
here,
Figure 112012109420092-pat00091
Gyro drifting error estimate,
Figure 112012109420092-pat00092
Is the drift error correction part of the correction vector.

⑤마지막으로 아래의 수학식 14에 의해 상호분산행렬(

Figure 112012109420092-pat00093
)을 갱신한다.
⑤ Finally, the covariance matrix (
Figure 112012109420092-pat00093
).

Figure 112012109420092-pat00094
Figure 112012109420092-pat00094

여기서,

Figure 112012109420092-pat00095
는 상태오차의 상호분산행렬,
Figure 112012109420092-pat00096
는 단위행렬,
Figure 112012109420092-pat00097
는 칼만이득행렬,
Figure 112012109420092-pat00098
는 관측행렬,
Figure 112012109420092-pat00099
은 별추적기 측정 잡음의 상호분산행렬이다.
here,
Figure 112012109420092-pat00095
Is the covariance matrix of state errors,
Figure 112012109420092-pat00096
Is a unit matrix,
Figure 112012109420092-pat00097
Is a kalman,
Figure 112012109420092-pat00098
Is the observation matrix,
Figure 112012109420092-pat00099
Is the covariance matrix of the star tracker measurement noise.

⑥상태오차의 상호분산행렬이 갱신되고 나면, 위의 예측단계(S300)로 다시 돌아가 동체 각속도(

Figure 112012109420092-pat00100
)를 계산하는 과정부터 보정단계(S400)의 상호분산행렬을 갱신하는 과정까지의 전체 과정이 반복해서 수행된다.
(6) After the covariance matrix of the state error is updated, it returns to the above prediction step (S300) and the fuselage angular velocity (
Figure 112012109420092-pat00100
), The entire process from the process of calculating to the process of updating the covariance matrix of the correction step (S400) is repeatedly performed.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 측정 주기가 서로 다른 자이로 측정 데이터와 별추적기 측정 데이터를 듀얼 MIL-STD-1553 버스 통신장치를 이용해서 획득하고 저장하여 지상에 송신한 다음, 지상에서 별추적기 측정 데이터가 입력될 때까지 측정 주기가 상대적으로 짧은 자이로 측정 데이터를 이용해서 각속도를 계산해서 자세 예측에 사용함으로써 공정잡음(process noise)의 불확실성 영향이 줄어들고, 그 결과 영상촬영위성의 정밀자세 결정 성능이 대폭 향상된다.As described above, the present invention acquires, stores and transmits the gyro measurement data and the star tracker measurement data having different measurement cycles by using the dual MIL-STD-1553 bus communication device, and then transmits the star tracker measurement data on the ground. The angular velocity is calculated using the gyro measurement data, which has a relatively short measurement cycle until input, and used to predict posture, thereby reducing the influence of uncertainty of process noise. do.

Claims (4)

자이로 센서와 별추적기를 이용하여 지상에서 저궤도 영상촬영 위성의 자세를 결정하는 방법에 있어서,
상기 위성에 탑재된 컴퓨터에 구비되는 듀얼 MIL-STD-1553 버스 통신장치를 이용하여 자이로 센서와 별추적기를 통해 서로 다른 주기로 자이로 측정 데이터와 별추적기 측정 데이터를 각각 획득하는 측정 데이터 획득단계(S100)와;
상기 자이로 측정 데이터와 별추적기 측정 데이터를 저장하여 지상국에 전송하는 측정 데이터 전송단계(S200)와;
상기 상대적으로 짧은 주기로 전송된 자이로 측정 데이터를 지상국에서는 다시 복원하여 각속도를 계산한 후 별추적기 측정 데이터가 수신될 때까지 자세 쿼터니언 추정값을 반복하여 예측하는 각속도 계산 및 예측단계(S300) 및;
상기 별추적기 측정 데이터가 이용 가능한 시점이 되면 상기 자세 쿼터니언 추정값과 상기 별추적기 측정 데이터를 이용하여 수정값을 계산한 다음, 상기 수정값을 이용하여 오차 자세 쿼터니언을 구하여 이를 보정값으로 적용함으로써 위성의 자세로 결정하는 보정단계(S400)로 이루어지고,
상기 자이로 센서는 50Hz 주기로 측정값 데이터를 획득하고, 상기 별추적기는 10Hz 주기로 별추적기 측정 데이터를 이원화하여 획득하는 것을 특징으로 하는 저궤도 영상촬영위성의 지상 정밀자세결정 방법.
In the method of determining the attitude of the low-orbit imaging satellite from the ground using a gyro sensor and a star tracker,
Measurement data acquisition step of acquiring gyro measurement data and star tracker measurement data at different cycles through a gyro sensor and a star tracker using a dual MIL-STD-1553 bus communication device provided in the computer mounted on the satellite (S100). Wow;
A measurement data transmission step of storing the gyro measurement data and the star tracker measurement data and transmitting them to a ground station (S200);
An angular velocity calculation and prediction step (S300) of reconstructing the gyro measurement data transmitted in a relatively short period at the ground station to calculate the angular velocity and then repeatedly predicting the posture quaternion estimate until the star tracker measurement data is received;
When the star tracker measurement data is available, the correction value is calculated using the posture quaternion estimate value and the star tracker measurement data, and then the error posture quaternion is obtained using the correction value and applied as the correction value. Comprised of a correction step (S400) to determine the posture,
The gyro sensor acquires measurement data at a period of 50 Hz, and the star tracker acquires by dividing the star tracker measurement data at a period of 10 Hz.
청구항 1에 있어서,
위성의 자세결정 알고리즘은 확장칼만필터(EKF), 고른칼만필터(UKF), 입자필터(Particle Filter), Quest 및 예측필터(Predictive Filter) 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 저궤도 영상촬영위성의 지상 정밀자세결정 방법.
The method according to claim 1,
The attitude determination algorithm of a satellite is any one selected from among an extended Kalman filter (EKF), an even Kalman filter (UKF), a particle filter, a particle filter, a Quest, and a predictive filter. Ground precision posture determination method.
청구항 1에 있어서,
상기 자세결정 알고리즘은 확장칼만필터(EKF)이고, 상기 확장칼만필터(EKF)에 적용되는 칼만이득은 계속 갱신되는 것을 특징으로 하는 저궤도 영상촬영위성의 지상 정밀자세결정 방법.
The method according to claim 1,
The attitude determination algorithm is an extended Kalman filter (EKF), and the Kalman gain applied to the extended Kalman filter (EKF) is continuously updated.
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