[发明专利]一种自旋状态下的姿态确定系统

权利要求书

1.一种自旋状态下的姿态确定系统，其特征在于：它是由GPS接收天线、GPS接收机、MEMS陀螺仪和安装板组成；它们相互之间的关系是：GPS接收天线和安装板连接，固定在安装板的一侧；GPS接收机和安装板连接，固定在安装板上与GPS接收天线相反的一侧；MEMS陀螺仪和安装板连接，固定在安装板上与GPS接收机相同的一侧；

所述的GPS接收天线采用自馈相四臂螺旋天线单元，下部采用锥形结构，用来与安装板连接，同时作为上部的支撑结构，上部为圆柱状结构，是天线主要部分，GPS接收天线的外壳采用透波材料，内部为金属螺旋结构；它与安装板固连，固定在安装板的一侧，在航天器上安装时在航天器的外侧，用于接收GPS卫星信号；该GPS接收天线能够适应空间恶劣的温度、辐照、高真空环境；

所述的MEMS陀螺仪，其整体为集成电路结构，它采用了闭合回路、数字输出、传感器芯片和集成电路芯片分开平放连线的封装方法；它与安装板固连，固定在安装板上与GPS接收机相同的一侧，在航天器上安装时朝向航天器的内部；该MEMS陀螺仪输出航天器的自旋角速度信息；

所述的安装板为方形金属板，上面有预留的螺钉安装孔位，用来与其他部分连接，安装板中心位置安装GPS天线，中间有圆孔，用来引出导线；它为系统各设备的固定器件，并用于与航天器的安装；

所述的GPS接收机为集成电路结构，由变频器、微处理器、存储器组成，集成封装在一块电路板上；它与安装板固连，固定在安装板上与GPS接收天线相反的一侧，在航天器上安装时朝向航天器的内部；该GPS接收机接收GPS测量信号并对信号进行解码，计算出GPS卫星的位置、速度和时间参数；该GPS接收机处理器内置姿态确定算法，能结合GPS接收天线和MEMS陀螺仪的测量数据计算出自旋航天器的姿态信息。

2.根据权利要求1所述的一种自旋状态下的姿态确定系统的姿态确定方法，其特征在于：其姿态确定方法的实施步骤如下：

步骤一：初始化

自旋航天器的姿态确定的状态量表示为：

当GPS卫星可见星较多时，选择式(1)；当可见星数目较少及需要进行高精度的轨道运动和章动运动解耦时，选择式(2)；式中，α、β为角动量坐标系与惯性参考坐标系对应x,y轴的夹角；Π为相位缠绕；θ为章动角；ψ₀，为初始姿态角；为的三维修正量；

状态方程和协方差初始化：

步骤二：状态更新

航天器本体坐标系x_by_bz_b中，基线向量与y_b同轴，表示为：

b_B＝[0 r_a 0]·············(4)

式(4)中，r_a为GPS天线到航天器质心的距离；

在惯性参考坐标系中，基线向量表示为：

b_i＝R_iHR_HBb_B·············(5)

式(5)中，R_iH为由角动量坐标系到惯性坐标系的转换矩阵，R_HB为由本体系到角动量坐标系的转换矩阵；利用式(4)得到测量量和状态量的关系式：

卫星章动运动在角动量坐标系下表示为：

在轴对称且无转矩的情况下，卫星运动严格遵守以下关系：

式(7)和(8)中，ω_l惯性章动角速度，ω_p为体章动角速度，I_T为横向转动惯量，I₃为最大的转动惯量，θ为章动角，为自旋角速度，由陀螺仪输出；

利用上述方程，就能递推得到t时刻的卫星状态量的理论值；

步骤三：构造Sigma点

当k＞1时，利用方程

构造2n+1个Sigma点

步骤四：计算预测Sigma点

步骤五：计算预测Sigma点的均值和方差

其中，

步骤六：测量更新

载波相位观测量φ_c(t)表示为:

式(15)中，ω_c为GPS信号发射频率，是由于天线圆极化引起的相位缠绕，const为未知常数；为由GPS接收天线到GPS卫星的视线向量：

式(15)和(16)中，定义自旋航天器本体坐标系为x_by_bz_b，为GPS接收天线在自旋航天器本体系中的安装向量，为GPS卫星在自旋航天器本体坐标系中的位置；的值利用GPS卫星和自旋航天器的相对轨道运动确定；为相对运动的估计误差，是位置估计的修正量；利用和表示方法，是为了将载波相位测量量中的轨道运动解耦；

将式(15)的载波相位观测方程进行历元差分以避免模糊度求解：

每一历元的载波相位观测方程进行历元差分，就能得到测量更新；

步骤七：状态均值和协方差更新

其中，

通过不断的递推就能得到各个测量时刻的待估参数，从而精确地确定航天器的姿态；

综上，利用单MEMS陀螺仪和GPS接收机对自旋航天器进行姿态确定的方法，可以将GPS测量中的位置和姿态信息进行解耦，得到航天器的姿态确定结果和轨道确定结果，能够满足自旋航天器姿态确定的需求。