一種星間測量和陀螺的姿態軌道一體化濾波估計方法
【專利摘要】本發明提供了一種星間測量和陀螺的姿態軌道一體化濾波估計方法，僅依靠陀螺和星間測量信息，由慣性系下誤差四元數建立的姿態動力學和追蹤星軌道系下建立的相對運動動力學組成的編隊衛星姿軌一體化動力學方程，通過大量的星間測量和陀螺測量數據結合卡爾曼濾波算法解決系統的可觀性問題，實現對非合作目標的相對導航和姿態確定。本發明與現有技術相比，其效果是：系統配置要求簡單，僅需要星間測量和陀螺信息，減少了系統對星敏等定姿系統的依賴，提高了系統可靠性；能夠應用于非合作編隊衛星；采用間接測量方程，觀測陣的耦合特性不強，算法計算簡單，易于工程應用。
【專利說明】一種星間測量和陀螺的姿態軌道一體化濾波估計方法
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明涉及衛星自主編隊技術，尤其是一種僅依靠星間測量和陀螺的姿態軌道一體化濾波設計方法。
[0003]
【背景技術】
[0004]衛星編隊飛行是一項重要的技術，但是已不再是一個新理念。中國天宮一號已成功在軌實現交會對接試驗。當前衛星編隊飛行任務應用于多星立體成像、合成孔徑雷達等領域。其中，衛星的編隊構型保持和姿態指向確定使其在軌任務完成的主要前提。對于非合作目標衛星，由于缺少對其通信鏈路，地面測定軌精度較低，衛星姿態軌道的自主確定是實現對其近距離編隊、捕獲等的唯一途徑。
[0005]編隊衛星姿態軌道的一體化濾波與控制一直是國內外的研究熱點。相對姿態軌道的運動學和動力學的耦合使得高精度的姿態軌道一體化濾波和控制難以實現。近年來，國外學者對衛星姿態和相對軌道的一體化濾波也進行了研究，Soo-Goo Kim等在AIAA Guidance Navigation and Control Conference 發表文章《Kalman Filtering forRelative Spacecraft Attitude and Position Estimation》研究了合作目標多個電光源(PSD)測量的姿態和相對軌道一體化濾波，濾波算法較復雜，星間測量設備工作復雜，且不能在非合作目標編隊應用。Michael s.Andrle等在AIAA/AAS發表《Relative AttitudeDetermination of Formation Flying Spacecraft》研究了提出了分布式衛星三顆星間相對運動的測量進行衛星姿態確定算法，該算法是一種確定性算法，即系統完全可觀。國內對編隊衛星姿態軌道一體化濾波研究較少。
[0006]
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于提供一種星間測量和陀螺的姿態軌道一體化濾波估計方法，它僅依靠陀螺和星間測量信息實現對非合作目標的相對導航和姿態確定，并且其算法使系統配置簡單。
[0008]為了達到上述發明目的，本發明的一種星間測量和陀螺的姿態軌道一體化濾波估計方法，包括如下步驟:
步驟一，建立誤差四元數姿態動力學 在慣性系下，利用陀螺測量信息，取狀態為誤差四元數的向量部分和陀螺的零偏，來建立誤差四元數姿態動力學；
步驟二，建立相對運動動力學
在追蹤星軌道系下，取狀態為目標星的相對位置和相對速度，以CW方程建立相對運動動力學方程；
步驟三，將誤差四元數動力學和相對運動動力學組成姿軌一體化動力學方程，通過離散化處理，計算一體化動力學的狀態轉移陣和噪聲陣；可采用泰勒兩階展開進行離散化，并計算其動力學狀態轉移陣和噪聲陣；如相對運動采用CW方程，相對運動方程的轉移陣和噪聲陣的離散化可采用解析方法。聯合姿態和相對運動動力學的狀態轉移陣和噪聲陣，組成離散化姿軌一體化動力學方程。
[0009]步驟四，將星間測量值轉化到追蹤星軌道系，光電設備由相機和激光測距儀組成，輸出兩星間的相對距離和相對角度信息，采用一節泰勒展開實現光電極坐標系下直接測量值到笛卡爾軌道坐標系下的間接測量值。
[0010]步驟五，間接測量值對步驟三中的狀態求偏導得到觀測陣，按照卡爾曼濾波器設計方法，進行動力學和觀測值噪聲特性整定，進行卡爾曼濾波遞推運算實現狀態最優估計。
[0011]本發明僅光電陀螺信息的姿態軌道一體化濾波估計方法，與現有技術相比，其優點和有益效果是:
I)配置要求簡單，提高系統可靠性
陀螺是衛星的常規配置，光電是自主編隊衛星的必需配置，僅依靠陀螺和光電信息完成姿態確定和相對導航降低了對系統配置的要求，提高系統可靠性。
[0012]2)可用于非合作衛星編隊
不需要目標衛星的反饋信息，由光電進行主動測量，能夠應用于對非合作目標衛星的編隊。
[0013]3)觀測值姿態軌道耦合特性不強，觀測陣計算簡單
觀測方程采用直角坐標系下的間接測量值，姿軌耦合特性不強，擴展卡爾曼濾波方程的觀測陣計算簡單。
[0014]【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]以下將結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0016]圖1是本發明選用的參考直角坐標系；
圖2是本發明適用的衛星編隊示意圖。
[0017]
【具體實施方式】
[0018]定義誤差四元數<i=每 式中
^——代表慣性系到體坐標系轉動的真實姿態四元數 <h—姿態誤差四元數
?——姿態四元數估計值 在J2000坐標系下建立誤差四元數姿態動力學方程。
【權利要求】
1.一種星間測量和陀螺的姿態軌道一體化濾波估計方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟一，建立誤差四元數姿態動力學 在慣性系下，利用陀螺測量信息，取狀態為誤差四元數的向量部分和陀螺的零偏，來建立誤差四元數姿態動力學； 步驟二，建立相對運動動力學 在追蹤星軌道系下，取狀態為目標星的相對位置和相對速度，以CW方程建立相對運動動力學方程； 步驟三，將誤差四元數動力學和相對運動動力學組成姿軌一體化動力學方程，通過離散化處理，得到一體化動力學的狀態轉移陣和噪聲陣； 步驟四，將星間測量值轉化到追蹤星軌道系，作為間接測量值； 步驟五，間接測量值對步驟三中的狀態求偏導得到觀測陣，按照卡爾曼濾波器設計方法，進行動力學和觀測值噪聲特性整定，進行卡爾曼濾波遞推運算實現狀態最優估計。
2.根據權利要求1所述的星間測量和陀螺的姿態軌道一體化濾波估計方法，其特征在于:所述的步驟三中，一體化動力學方程的狀態為:
3.根據權利要求1所述的星間測量和陀螺的姿態軌道一體化濾波估計方法，其特征在于:所述的步驟五中，觀測方程的公式為:
【文檔編號】G01C21/24GK103852082SQ201210501085
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年11月30日 優先權日:2012年11月30日
【發明者】任家棟, 朱虹, 王靜吉, 朱文山, 張艷召, 張朝興, 葉立軍 申請人:上海航天控制工程研究所
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