一種基于連續(xù)星圖觀測(cè)的自旋姿態(tài)估計(jì)方法

《一種基于連續(xù)星圖觀測(cè)的自旋姿態(tài)估計(jì)方法》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。

1、2013年12月第6期中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)ChineseSpaceScienceandTechnology一種基于連續(xù)星圖觀測(cè)的自旋姿態(tài)估計(jì)方法寧曉琳1’2’3白鑫貝3姜麗偉3(1慣性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191)(2新型慣性儀表與導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京100191)(3北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191)摘要傳統(tǒng)的利用地球敏感器和太陽(yáng)敏感器作為測(cè)量?jī)x器的自旋衛(wèi)星姿態(tài)確定方法存在系統(tǒng)誤差和安裝誤差等，從而導(dǎo)致自旋姿態(tài)確定誤差較大的問題，文章提出了一種利用星敏感器荻取的連續(xù)星圖估計(jì)衛(wèi)星自旋姿態(tài)參數(shù)的新方法。該方法以衛(wèi)星的自旋軸和旋轉(zhuǎn)角速度作為狀態(tài)變量，通過星敏

2、感器連續(xù)跟蹤拍攝的恒星的成像位置作為觀測(cè)量，利用無跡卡爾曼濾波估計(jì)出衛(wèi)星的自旋姿態(tài)參數(shù)。仿真結(jié)果表明，在星敏感器的精度為3”時(shí)，該方法的自旋軸估計(jì)精度為o．3448”，自旋角速度估計(jì)精度為10-4(。)／s數(shù)量級(jí)。關(guān)鍵詞自旋衛(wèi)星星圖觀測(cè)無跡卡爾曼濾波星敏感器姿態(tài)估計(jì)DOI：10．3780／}．issn。1000—758X．2013．06．0071引言自旋穩(wěn)定模式在早期航天活動(dòng)中常用于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定，目前雖然大部分衛(wèi)星已改為使用三軸穩(wěn)定模式，但仍有部分氣象衛(wèi)星、通信衛(wèi)星和科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星仍然采用自旋穩(wěn)定模式。此外，衛(wèi)星利用固體運(yùn)載火箭進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)操作時(shí)也常用該姿態(tài)穩(wěn)定方式，例如將衛(wèi)星從近地軌道變

3、軌到地球同步軌道，或?qū)⑸羁仗綔y(cè)器從地球停泊軌道變軌到轉(zhuǎn)移軌道等。這種情況要求自旋姿態(tài)確定的誤差越小越好，因?yàn)榇丝痰淖藨B(tài)誤差所導(dǎo)致的軌道誤差只能靠后期星上的推進(jìn)器進(jìn)行修正，而修正所需燃料的多少直接影響衛(wèi)星的壽命uj。目前衛(wèi)星在自旋模式下通常利用太陽(yáng)敏感器、地球敏感器和地磁敏感器等的測(cè)量信息，采用基于參考矢量觀測(cè)的幾何計(jì)算方法或?yàn)V波方法進(jìn)行自旋姿態(tài)確定心。3]。利用地磁敏感器和太陽(yáng)敏感器的自旋姿態(tài)確定方法精度較低臥。5]，主要用于低成本的小衛(wèi)星上。通常姿態(tài)確定精度較低，而地球敏感器和太陽(yáng)敏感器均存在系統(tǒng)誤差和安裝誤差，雖然其中部分誤差可通過地面標(biāo)定等手段消除，但由于衛(wèi)星本身的動(dòng)力學(xué)不平衡、發(fā)射時(shí)的

4、振動(dòng)導(dǎo)致的對(duì)準(zhǔn)誤差變化，以及地球紅外輻射的不均勻等，使得仍有部分殘余誤差無法消除，導(dǎo)致姿態(tài)確定精度下降。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行了大量研究，提出了包括基于卡爾曼濾波技術(shù)的系統(tǒng)誤差估計(jì)和補(bǔ)償方法[6。]、紅外弦寬差分定姿方法[8]、等弦長(zhǎng)法[9]，以及控制相關(guān)性方法n叩等，這些方法雖然能從一定程度上提高姿態(tài)確定的精度，但無法從根本上徹底解決該問題。目前，國(guó)外的寬視場(chǎng)星敏感器測(cè)量精度已經(jīng)可達(dá)到優(yōu)于1”，測(cè)量頻率可達(dá)10Hz[n]，因此，利用星敏感器代替地球敏感器進(jìn)行自旋姿態(tài)確定是一種可行的途徑。本文提出了一種利用一個(gè)光軸與衛(wèi)星自旋軸平行安裝的星敏感器，通過連續(xù)跟蹤觀測(cè)恒星的像素位置變化來確定衛(wèi)星

5、自旋姿態(tài)新方法。該方法以衛(wèi)星的自旋軸和旋轉(zhuǎn)角速度作為狀態(tài)變量，以星國(guó)家自然科學(xué)基金(61233005)，航天科技創(chuàng)新基金(10300002012117003)，新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET110771)資助項(xiàng)目收稿日期：2013一02—19。收修改稿日期：2013-03—26!!主墾窒囹登堂堇查!!!i笙!!旦敏感器拍攝的恒星像素位置作為觀測(cè)量，利用無跡卡爾曼濾波(UnscentedKalmanFilter，UKF)估計(jì)衛(wèi)星的自旋姿態(tài)參數(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，一方面僅用一個(gè)星敏感器即可實(shí)現(xiàn)高精度的自旋姿態(tài)確定，方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)；另一方面，該方法的狀態(tài)量就是衛(wèi)星的白旋軸指向和自旋角速度，幾何

6、意義直觀，其估計(jì)結(jié)果為衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)控制提供了方便。2基于連續(xù)星圖觀測(cè)的姿態(tài)確定方法的基本原理由于恒星距離地球非常遙遠(yuǎn)，固定安裝在衛(wèi)星上的星敏感器拍攝到的星圖主要由衛(wèi)星的姿態(tài)決定而與其所在的位置無關(guān)。當(dāng)衛(wèi)星繞某一固定軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果在衛(wèi)星上安裝一個(gè)光軸與自旋軸平行的星敏感器，則該星敏感器拍攝到的恒星數(shù)量和形狀均不會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，但每顆星的成像點(diǎn)位置則會(huì)以自旋軸方向在星敏感器成像平面上的投影點(diǎn)為中心做圓周運(yùn)動(dòng)。圖1給出了當(dāng)衛(wèi)星以60o)／s的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，一個(gè)視場(chǎng)為10?！?0。的星敏感器在相鄰時(shí)刻和6S內(nèi)拍攝的連續(xù)星圖，“×”表示衛(wèi)星自旋軸矢量在星敏感器成像平面上的投影，從圖1可以明顯看出恒星成像

7、點(diǎn)位置與衛(wèi)星自旋軸指向和旋轉(zhuǎn)角速度之間的變化規(guī)律。因此，通過星敏感器對(duì)星空進(jìn)行連續(xù)拍攝，并對(duì)拍攝得到的星圖序列進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，以獲得的恒星像點(diǎn)的位置坐標(biāo)作為觀測(cè)量，結(jié)合衛(wèi)星的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行建模，就可利用濾波方法實(shí)時(shí)估計(jì)衛(wèi)星的自旋姿態(tài)參數(shù)。．400．2000200400．f’(b)6s內(nèi)拍攝的連續(xù)星圖合成圖1星敏感器在相鄰時(shí)刻和6S內(nèi)拍攝星圖Fig．1Thecombinedstarmapbetwee