[发明专利]一种星敏感器低频误差在轨实时补偿方法

说明书

技术领域

本发明属于航天器姿态确定领域，涉及一种卫星平台的高精度姿态确定。

背景技术

高精度指向卫星广泛采用星敏感器测量卫星姿态。对于卫星姿态确定系统，在过去的几十年中，人们通常将星敏感器的测量误差近似为高斯白噪声。在对姿态确定精度要求不高的场合，这种近似是合理的。近年来，高分辨率对地观测卫星的发展，对卫星姿态确定精度提出了越来越高的要求。在这种情况下，将星敏感器测量误差近似为高斯白噪声进行处理的做法不能满足卫星姿态确定的精度要求。

事实上，星敏感器的测量误差可分为几个部分，包括随机噪声、常值偏差和低频误差等。其中，测量噪声包括散粒噪声、探测器噪声和量化噪声等，这类误差属于随机误差。对于高精度星敏感器而言，测量噪声的量级通常为几角秒。星敏感器常值偏差可视为等效安装偏差，是星敏感器自身及其在卫星上的安装面结构变形造成的。常值偏差的存在使得星敏感器的实际安装矩阵偏离其标称值，最终表现为姿态确定的系统误差。系统误差的量级通常为数十角秒。星敏感器低频误差指的是安装在航天器上的星敏感器受冷热交变的空间热环境以及视场变化影响而产生的依轨道周期变化的误差，是影响高精度姿态确定的主要因素之一。在三轴稳定卫星对地定向运行模式下，卫星运动的角速度等于轨道角速度。卫星在轨运行过程中受太阳照射角度呈现周期性变化趋势，自身结构受热不均匀，光学系统受其影响，造成周期性的测量误差。此外，星敏感器观测恒星过程中，其光轴所指向的天区随卫星轨道运动发生周期性变化，导致光学系统误差、标定误差和星表误差随恒星进出视场而发生变化，也会造成周期性误差。对于高精度星敏感器而言，低频误差的量级可达数角秒。

在现有的卫星星敏感器测量数据使用中，针对随机噪声，通过星敏/陀螺联合滤波的方法消弱。对安装误差，在卫星发射前，利用专门的检测设备对星敏感器安装位置进行标定，可以部分补偿安装偏差的影响，受测量仪器精度限制，安装偏差地面标定精度通常在15"左右。但卫星发射过程中的振动变形和器件老化等因素还会造成星敏感器安装矩阵的变化。星敏感器的相对安装偏差可通过在轨标定的方法进行补偿。低频误差不能直接用传统的卡尔曼滤波进行处理，也很难通过一般的标定方法完全消除。因此，一般对低频误差不加考虑。不考虑低频误差存在以下不足：

1、实际的姿态确定精度不高

在目前的控制系统仿真和在轨型号的姿态确定中，不考虑低频误差，只将消除随机噪声的精度当作卫星的姿态确定精度。这种简化模型不能准确反映卫星的姿态确定精度，无法准确定量评估姿态确定精度对有效载荷工作性能的影响。

2、影响卫星指向精度

由于星敏感器低频误差的存在，在指向误差分配中，需要分配一定欲度。对于要求越来越高的卫星，是提高指向精度的一个重要限制因素。

3、影响遥感图像定位精度

在地面图像处理时，由于低频误差的存在，遥感图像定位精度受到影响。低轨卫星，轨道高度600km，5"的低频误差影响的定位精度约15m。国外已实现优于10m的定位精度，其必然减小了星敏感器低频误差影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星敏感器低频误差在轨实时补偿方法，为实现卫星高精度姿态确定提供了保障。

本发明的技术解决方案是：

一种星敏感器低频误差在轨实时补偿方法，包括如下步骤：

(1)将星敏感器低频误差表示为傅立叶级数的形式，再通过该傅立叶级数确定相对惯性坐标系的误差四元数误差四元数装订值为[0 0 0 1]；

(2)设置低频误差补偿标志，且该低频误差补偿标志的值由地面遥控控制，低频误差补偿标志的值为1或0；

若低频误差补偿标志值为1且星敏感器数据有效，则使用步骤(1)中所述傅立叶级数计算误差四元数修正星敏感器测量得到的惯性姿态四元数，从而标定星敏感器低频误差；

若低频误差补偿标志值为1且星敏感器数据无效，则使用上一拍星敏感器有效时计算的经过误差修正的惯性姿态四元数；

若低频误差补偿标志为0，则不进行误差四元数计算，直接使用星敏感器测量得到的惯性姿态四元数；

(3)根据卫星在轨运行获得的星敏感器测量信息和有效载荷成像信息，获得星敏感器相对有效载荷姿态基准的误差；