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《基于STLS的衛(wèi)星質量質心在軌估計》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在學術論文-天天文庫。
1、76中國空間科學技術—C—hineseSpaceScienceandTechnology2010年4月第2期基于STLS的衛(wèi)星質量質心在軌估計林佳偉1’2王平1(1北京控制工程研究所，北京100190)(2空間智能控制技術國家級重點實驗室，北京100190)摘要提出了一種使用結構總體最小二乘(StructuredTotalLeastSquares，STLS)進行衛(wèi)星質量和質心參數(shù)在軌估計的方法。其相對于現(xiàn)有方法有三個優(yōu)點：采用完整的動力學模型，考慮敏感器測量誤差，估計模型中不包含誤差很大的推力值。首先推導了衛(wèi)
2、星質量和質心參數(shù)的估計方程，將其化為STLS模型的形式，對該模型定義了質量質心參數(shù)的STI。S估計，并使用結構總體最小范數(shù)(StructuredTotalLeastNorm，STLN)算法進行具體求解。證明了當敏感器噪聲為高斯分布時，該估計為極大似然估計。仿真結果驗證了該STLS估計方法的有效性。關鍵詞結構總體最小二乘在軌估計質心結構總體最小范數(shù)極大似然估計衛(wèi)星1引言衛(wèi)星質量和質心參數(shù)對于控制系統(tǒng)具有重要的意義。對于軌道控制系統(tǒng)，精確的衛(wèi)星質量參數(shù)有助于設計軌道控制策略，提高軌道控制精度；對于姿態(tài)控制系統(tǒng)，質
3、心偏差會降低星體姿態(tài)精度，增加姿控能源和工質消耗，并導致姿態(tài)確定和控制器設計參數(shù)產(chǎn)生偏差，從而導致衛(wèi)星姿態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差[1]。工程上一般通過對衛(wèi)星進行結構分析而預先估計衛(wèi)星的質量和質心參數(shù)。但是，衛(wèi)星的實際運行狀態(tài)可能與預先估計發(fā)生偏差，例如推進劑余量難以估計、液體在失重狀態(tài)下漂浮不定、太陽翼和天線等大型附件的展開無法由結構模型所完全描述，這些都會導致預先估計的誤差。通過在軌估計有助于提高質量和質心參數(shù)的估計精度，從而提高控制系統(tǒng)性能。另外，衛(wèi)星的使用壽命一直是用戶十分關心的問題，其主要的制約因素為剩余燃料質
4、量，質量參數(shù)的在軌估計有助于提高衛(wèi)星壽命的估計精度。所以，質量和質心參數(shù)在軌估計在國際上引起了重視，進行了許多研究。文獻[2—6]提出了一種多重并行遞歸最小二乘估計方法，能夠同時對慣量矩陣、質心位置、推力器參數(shù)、衛(wèi)星質量進行估計。文獻[7-1假設推力、環(huán)境力矩及角速度已知，通過對歐拉方程引入積分構造出關于慣量矩陣和質心位置的最小二乘形式。文獻[83以控制力矩陀螺產(chǎn)生輸入力矩，采用卡爾曼濾波方法進行質心估計；通過移動星上已知質量的物體到不同位置，估計相應的質心位置從而推算質量。文獻[9]去掉了歐拉方程中的陀螺力
5、矩項，假定推力已知，使用一種修正的擴展卡爾曼濾波器估計衛(wèi)星的質量、質心及慣量矩陣。文獻[103是對文獻[9]所述方法的擴展，通過使估計方差最小的準則來選擇輸入信號。當前的研究成果或多或少存在著下述缺點：對動力學方程進行簡化處理；沒有考慮敏感器測量誤差；假設推力值是精確的?？梢娺@些方法并不適合工程應用。為此本文提出一種質量質心參數(shù)的收稿
6、i明：2009—05—12。收修改稿日期：2009—06—242010年4月中國空間科學技術在軌估計方法，能夠克服上述三點不足。2估計方程及STLS問題推力器工作時，如果推力沒
7、有經(jīng)過衛(wèi)星質心，則會同時改變衛(wèi)星的動量與角動量。記F(f)為推力器推力，它是關于時間t的函數(shù)，Ap、△L、△'，分別指推力器工作導致的衛(wèi)星的動量、角動量、質心速度的變化值。t。和t。為推力器t作的起始和終止時刻。記M(￡)為F(￡)產(chǎn)生的力矩，m為衛(wèi)星質量，r為衛(wèi)星質心指向推力作用點的矢量，即推力力臂。由于推力器工作時間很短，認為工作過程中，不變。根據(jù)動量定理和角動量定理，可得：卸2￡ji'(f)d戶m5p△L=r12M(f)dt=r12rXF(￡)dt—rX△p=坩XAv(1)?！甀。‘1確定衛(wèi)星的某個結構
8、特征點，，l是由該結構特征點指向第i個推力器的推力作用點的矢量，它是已知量。n是質心指向結構特征點的矢量，于是有，．=rf+，。。定義機械結構坐標系，其三軸與本體坐標系三軸平行，原點為結構特征點。推力器工作結束后，姿態(tài)控制系統(tǒng)驅動動量輪組吸收外力矩產(chǎn)生的角動量△L，在t。時刻將衛(wèi)星的姿態(tài)和角速度調回t。時刻的值。通過測量星上動量輪組的轉速變化可得△L。雖然無法將加速度計安裝在質心位置，但由于t。時刻衛(wèi)星的姿態(tài)和角速度與t。時刻相同，由t。到t。的整個過程中加速度計所在位置的速度增量等于質心的速度增量，所以通過
9、加速度計可測得Av。實際工程中并不能把衛(wèi)星相對于慣性坐標系的角速度精確控制回t，時刻的狀態(tài)，即推力力矩產(chǎn)生的角動量變化有一部分存儲在衛(wèi)星主體中。假設可以獲得準確的衛(wèi)星慣量矩陣參數(shù)．，[11‘，加入補償項J△∞，即：△L+J△∞一m(rf+rc)XAn(2)把式(2)向機械結構坐標系中投影，下標z、Y、z分別表示矢量在坐標系三軸的分量，得：廠△L：]F△cOxl廠0一(％+％)島+～]廠△讓]l△L，
