一种卫星空间姿态精度的确定方法技术

本发明专利技术公开了一种卫星空间姿态精度的确定方法，包括按现有星敏感器／陀螺姿态确定系统中的建立星敏感器与陀螺测量方程、构建ＥＫＦ姿态确定系统的状态方程及测量方程，其特征在于：还包括以下步骤：（１）确定陀螺测量精度对ＥＫＦ姿态确定精度的影响函数：（２）确定星敏感器测量精度对ＥＫＦ姿态确定精度的影响函数；（３）确定出星敏感器和陀螺测量精度与ＥＫＦ姿态确定精度间响应函数：（４）利用敏感器测量精度指标直接计算ＥＫＦ姿态确定精度。本发明专利技术通过确定星敏感器和陀螺组成的姿态确定系统中敏感器测量精度与ＥＫＦ姿态确定精度间的响应函数，明确给出敏感器测量精度对ＥＫＦ姿态确定精度的影响规律，为实现对工程应用的主动指导奠定基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种卫星姿态精度的确定方法，具体地说是星敏感器/陀螺姿态确定系统中，通过利用建立出的敏感器测量精度与姿态确定精度之间的响应函数，实现卫星姿态精度的确定方法。
技术介绍
卫星在轨运行过程中的空间方位，是实现卫星姿态控制的前提，为通信、对地观测、高分辨成像等应用提供技术支撑，具有重要的军事、民事应用价值。卫星姿态确定要从硬件测量和软件计算两方面实现。硬件方面，目前星敏感器与陀螺组成的联合定姿系统是现代高精度小卫星的主要定姿手段。我国自行研制的"JB-3号"卫星、"TS-1号"卫星都采用了星敏感器/陀螺的姿态测量配置方案。软件方面，在各种卫星姿态确定方法中，基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的姿态确定方法是应用最为广泛的方法。因此，对基于EKF的星敏感器/陀螺组成的姿态确定系统要予以大力研究。在基于EKF的星敏感器/陀螺姿态确定系统中，敏感器测量精度是直接影响卫星姿态确定精度的重要因素。目前，国内外的研究工作集中在"正问题"的研究中，即考虑在一定的敏感器测量精度下如何提高姿态确定精度。对于"反问题"的研究工作尚未见到，即到达到某一精度指标，对敏感器测量精度的要求如何。因此，对于敏感器性能与姿态确定精度间的内在影响关系了解甚微，不能为根据任务要求的不同，主动选择适当性能的星敏感器提供理论指导。而此"反问题"研究的关键就是确定出星敏感器测量精度与姿态确定精度之间的响应函数，掌握敏感器测量精度对姿态确定精度的影响规律。综上所述，研究敏感器测量精度对EKF姿态确定精度的影响规律，确定出敏感器测量精度与EKF姿态确定精度之间的响应函数是解决"反问题"、实现对工程应用主动指导的技术难点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供。以实现通过确定星敏感器和陀螺组成的姿态确定系统中敏感器测量精度与EKF姿态确定精度间的响应函数，明确给出敏感器测量精度对EKF姿态确定精度的影响规律，为实现对工程应用的主动指导奠定基石出。 本专利技术的技术方案包括按现有星敏感器/陀螺姿态确定系统中的建立星敏感器与陀螺测量方程、构建EKF姿态确定系统的状态方程及测量方程，其特征在于还包括以下步骤 (1)确定陀螺测量精度对EKF姿态确定精度的影响函数 (2)确定星敏感器测量精度对EKF姿态确定精度的影响函数； (3)确定星敏感器和陀螺测量精度与EKF姿态确定精度间响应函数 (4)利用敏感器测量精度指标直接计算EKF姿态确定精度，其计算公式为 <formula>formula see original document page 4</formula> 所述陀螺测量精度对EKF姿态确定精度的影响函数的形式通过如下计算公式得到 <formula>formula see original document page 4</formula>所述星敏感器测量精度对EKF姿态确定精度的影响函数的形式通过如下计算w<formula>formula see original document page 4</formula>所述星敏感器和陀螺测量精度与EKF姿态确定精度间响应函数为<formula>formula see original document page 4</formula> 本专利技术通过确定星敏感器和陀螺组成的姿态确定系统中敏感器测量精度与EKF 姿态确定精度间的响应函数，明确给出敏感器测量精度对EKF姿态确定精度的影响规律， 为实现对工程应用的主动指导奠定基础。附图说明 图1为陀螺测量精度与EKF姿态确定精度间响应函数的拟合比对(星敏感器测量 精度IO" (3。)) 图2为星敏感器测量精度与EKF姿态确定精度间响应函数的拟合比对(陀螺测量 精度0.05° /h)具体实施方式 实施例1 : 步骤1 :确定陀螺测量精度对EKF姿态确定精度的影响函数。 1. 1分析陀螺测量精度对EKF姿态确定精度的影响函数形式。 通过分析陀螺测量噪声构成的过程噪声协方差矩阵Q对估计误差协方差矩阵 P(k/k)的影响实现。根据建立的EKF姿态确定系统方程，利用经典的EKF算法即可得到各 个时刻的状态变量以及估计误差协方差矩阵的求解公式。由于重点考虑对卫星姿态估计精 度的影响，所以用协方差矩阵P(k/k)的前三维子矩阵的迹作为姿态估计精度的衡量标准，并记矩阵M前三维子矩阵为化，求该矩阵前三维子矩阵的迹为"'(M)。根据EKF计算公式，有 P(/t / A;)=尸(A / A — 1)-夂("y (WP(yt / /t — 1) — l)/5^ — 1 / - l)W (A / A -1) + / A -1)2(A: — 1) Sr (A " -1)-P(A / A)^r <D(A / A; --1 / A - l)$r (A;" -1) + / & -1)2(it -1)Sr(/t / —1))，记Wk/k—!=①(k/k-1)①T(k/k-l) ，H4=i '(W#(W， Rk = r2 I9X9，乂3 —f(尸(A: / A-)) = f(、士,級一户(A — 1 / A: —1)) + AZ々F(込一,)—/FCP(yt / yt)H,r甲w一,户(A — 1 / A —1)) — Az F(户(;t / "H,广込一 ) 考虑到卫星在轨稳态运行时转动角速度通常较小(小于0. OOlrad/s)， An = (A,),!' = 1,2,3近似为对角矩阵。 记姿态矩阵A(q)中第i行第j列的元素为aij， i， j = 1，2，3，则计算得&的三个 对角元素分别为 《+《+ "322 + 4 + "323 +4 =2 《+《+ "322 + "〗22 + "323 +《=2 7《+ + a〗2 +《+ a〖3 + af3 = 2 系统模型中不存在系统偏差的时候，误差四元数三维的估计精度基本相同，所以。所以，精度指标，D",,、、的计算公式为记&.(/^")) = 3《。由于各时刻的估计误差通常比测量误差小一个量级以上，即^^ |。那么， 其他因素不变时，陀螺测量精度P对EKF姿态确定精度的影响函数形式可如下求得。f (尸(A:/") = 3《=4^甲 +3A/2卞2 —^.2《么^X -士'2《，2 .P2 =(1 -; 2^WIX. + (14. 2《)3A 2 . /72,=1:q .《—,Z甲"+ C2 . 3A 2 , p2 ^ , C2 〉 0 可见，精度指标f,'(POt"))的数值y随着陀螺测量精度P的增大而增大。记陀螺测 量精度P为变量^，那么，精度指标是关于陀螺测量精度A的xA nX)形式的成正比的 函数。 1. 2.结合实验结果确定陀螺测量精度对EKF姿态确定精度的影响函数。 当给定星敏感器的测量精度，如星敏感器测量精度为10〃 (3Q)，只考虑陀螺测 量精度变化对EKF姿态确定精度的影响时，根据步骤1中1. 1的分析结果，利用^ = ^"'作为 待定的陀螺测量精度与EKF姿态确定精度间的响应函数模型。首先将模型转化为ln y = In mi+ni In ^的形式，根据实验结果，利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卫星空间姿态精度的确定方法，包括按现有星敏感器／陀螺姿态确定系统中的建立星敏感器与陀螺测量方程、构建ＥＫＦ姿态确定系统的状态方程及测量方程，其特征在于：还包括以下步骤：　　　　（１）确定陀螺测量精度对ＥＫＦ姿态确定精度的影响函数：（２）确定星敏感器测量精度对ＥＫＦ姿态确定精度的影响函数；　　　　（３）确定出星敏感器和陀螺测量精度与ＥＫＦ姿态确定精度间响应函数：　　　　（４）利用敏感器测量精度指标直接计算ＥＫＦ姿态确定精度，其计算公式为：　　　　ｙ＝ｍ↓［１］（１０）ρ↑［ｎ↓［１］］／１０↑［ｎ↓［２］］.ｒ↑［ｎ↓［２］］＝ｍ↓［２］（０．０５）ｒ↑［ｎ↓［２］］／０．０５↑［ｎ↓［１］］ρ↑［ｎ↓［１］］。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：矫媛媛，周海银，王炯琦，杨俊才，潘晓刚，段晓君，刘洋，郭雪姣，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]