[发明专利]一种提高星敏感器和陀螺在轨联合滤波精度的方法

说明书

本发明公开了一种提高星敏感器和陀螺在轨联合滤波精度的方法，包括：获取陀螺测量的卫星三轴惯性角速度，根据所述惯性角速度，得到卫星姿态角速度，并根据卫星运动学方程得到卫星姿态四元数估计值；根据所述卫星姿态四元数估计值和由星敏感器数据计算的姿态四元数，得到姿态误差四元数；进行状态滤波，得到姿态误差四元数估值和陀螺常值漂移残差的估值，本发明通过分步改变滤波增益系数，达到滤波快速收敛和稳态高精度滤波的效果，适用于具有频繁姿态机动功能的卫星姿态确定系统，该方法仅改变滤波增益系数，滤波收敛后切换系数可提高卫星姿态确定精度，星载软件也可方便实现，具备工程实用性。

技术领域

本发明涉及卫星姿态确定技术领域，具体涉及一种提高星敏感器和陀螺在轨联合滤波精度的方法。

背景技术

高精度卫星姿态确定系统为了提高姿态确定精度，一般都采用星敏感器和陀螺组合联合滤波来实现，即通过卡尔曼滤波，利用陀螺组合的输出数据连续性及高频噪声低特性和星敏感器的低频噪声低特性，根据星敏感器的信息估计出陀螺的常值漂移并进行补偿，由陀螺组合的信息获得连续高精度的姿态角度及姿态角速度信息。

由于星载计算机计算能力有限，一般卡尔曼滤波增益系数通过离线计算取为常值，对于稳态运行的卫星，滤波增益系数主要考虑滤波稳态精度，但对以敏捷机动卫星则需要兼顾滤波收敛速度和滤波稳态精度，常值滤波增益系数难以满足系统使用要求。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种提高星敏感器和陀螺在轨联合滤波精度的方法。此方法旨在解决传统方法中卡尔曼滤波增益系数通过离线计算取为常值，不能满足敏捷机动卫星需要兼顾滤波收敛速度和滤波稳态精度的系统要求的问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种提高星敏感器和陀螺在轨联合滤波精度的方法，其应用于卫星姿态确定系统，包括：

步骤S1：获取陀螺测量的卫星三轴惯性角速度，根据所述惯性角速度，得到卫星姿态角速度，并根据卫星运动学方程得到卫星姿态四元数估计值；

步骤S2：根据所述卫星姿态四元数估计值和由星敏感器数据计算的姿态四元数，得到姿态误差四元数；

步骤S3：对所述卫星姿态确定系统进行状态滤波，得到姿态误差四元数估值和陀螺常值漂移残差的估值，在滤波启动的Δt时间内完成快速收敛，得到第一滤波结果，所述第一滤波结果不接入所述卫星确定系统中；在滤波启动的Δt时间后更换滤波系数，得到第二滤波结果，并将所述第二滤波结果接入所述卫星姿态确定系统中使用；

步骤S4：对所述卫星姿态确定系统进行状态更新，得到卫星姿态四元数估值更新值，根据选定的转序，得到卫星姿态角。

优选的，在步骤S1中，由所述陀螺测量的卫星三轴惯性角速度ω_bi，得到卫星三轴惯性角速度的计算值所述陀螺测量的卫星三轴惯性角速度ω_bi与所述卫星三轴惯性角速度的计算值之间的表达式为：

式中：k表示当前计算周期；k-1表示前一个计算周期；

bi表示卫星本体系b系相对于惯性系i系；

ω_bi(k)表示当前计算周期的陀螺测量的卫星三轴惯性角速度；

表示当前计算周期的卫星三轴惯性角速度的计算值；

表示陀螺常值漂移残差(即陀螺真实常值漂移与地面标定的常值漂移之差)的估值在本体系的三轴分量；

表示前一个计算周期的陀螺常值漂移残差的估值在本体系的三轴分量。

优选的，由所述陀螺测量的卫星三轴惯性角速度的计算值得到所述卫星姿态角速度再根据所述卫星姿态角速度得到所述卫星姿态四元数估计值所述卫星姿态角速度与所述卫星姿态四元数估计之间关系式为：