[发明专利]一种针对星敏感器和陀螺联合滤波的改进方法

说明书

本发明公开了一种针对星敏感器和陀螺联合滤波的改进方法，其包含：步骤1，构造扩展卡尔曼滤波器，进行扩展卡尔曼滤波算法；步骤2，确定出扩展卡尔曼滤波算法的输入量四元数测量值q_s的跳变时刻：四元数测量值的标部小于阈值，且，四元数测量值矢量部分中绝对值最大的数的当前拍与前一拍异号；步骤3，在跳变时刻，重置四元数参考值以获得跳变时刻与四元数测量值相适应的四元数参考值；步骤4，以重置后的继续进行扩展卡尔曼滤波算法。本发明通过重置跳变时刻四元数参考值的方法解决了四元数测量值跳变导致四元数估计值需重新收敛的问题，为姿态确定系统提供了稳定地连续地高精度姿态信息；同时该方法算法简单，星载软件容易实现，可靠性高。

技术领域

本发明涉及一种针对星敏感器与陀螺的扩展卡尔曼滤波的改进方法，具体地说是在滤波算法的四元数测量值发生跳变时重置四元数参考值的方法，属于卫星姿态确定技术领域。

背景技术

星敏感器和陀螺均为卫星姿控系统最为主要的敏感器单机。星敏感器的测量值为星敏感器测量坐标系相对于惯性坐标系的四元数，由星敏感器安装矩阵可得到卫星本体坐标系相对于惯性坐标系的四元数；陀螺的测量值为陀螺测量坐标系相对于惯性坐标系的角速度在陀螺测量坐标系内的投影，由陀螺安装矩阵可得到卫星本体坐标系相对于惯性坐标系的角速度在卫星本体坐标系内的投影。由于星敏感器存在高频的测量白噪声，陀螺存在常值漂移等误差，因此卫星姿控系统中通常会将星敏感器与陀螺进行联合滤波，算法为扩展卡尔曼滤波。滤波得到的四元数估计值将显著的抑制星敏感器的高频噪声。目前大多数星敏感器在单机内部将测量四元数的标部处理为始终为正，即当星敏感器测量四元数标部过零时，四元数的四个数全部取反。此时若扩展卡尔曼滤波算法的测量值参考坐标系为惯性坐标系，则该滤波算法的四元数测量值也会发生跳变，因此滤波算法给出的四元数估计值逐渐发散，较长时间后再重新收敛。卫星在轨时，星敏感器测量四元数以轨道周期为变化周期，即每轨会经过一次零位，因此滤波得到四元数估计值也会每轨出现一次发散-重新收敛的过程，这对于卫星在轨稳态控制是不可接受的。

根据国内外已发表的相关文献可知，对于三轴对地卫星，卫星控制的参考坐标系为轨道坐标系，在该坐标系下滤波算法的四元数测量值的参考坐标系也为轨道坐标系，因此该滤波算法的四元数测量值不存在跳变的现象，相应地的四元数估计值可以始终稳定地收敛；对于惯性定向卫星或目标姿态的参考坐标系为惯性坐标系，则常见的做法是令星敏感器单机给出的测量四元数连续变化，即滤波算法的四元数测量值标部有正有负，为完整的正弦或者余弦曲线。而针对四元数测量值跳变时的算法处理未见有效方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对星敏感器和陀螺联合滤波的改进方法，解决现有扩展卡尔曼滤波算法的四元数测量值发生跳变时四元数估计值需重新收敛的问题。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种针对星敏感器和陀螺联合滤波的改进方法，该方法包含如下步骤：

步骤1，构造扩展卡尔曼滤波器，进行扩展卡尔曼滤波算法；

步骤2，确定出扩展卡尔曼滤波算法的输入量四元数测量值q_s的跳变时刻，该跳变时刻的判断需同时满足：四元数测量值的标部小于阈值，且，四元数测量值矢量部分中绝对值最大的数的当前拍与前一拍异号；

步骤3，在跳变时刻，重置扩展卡尔曼滤波算法的四元数参考值以获得跳变时刻与四元数测量值相适应的四元数参考值

步骤4，以步骤3重置后的四元数参考值继续进行步骤1所述的扩展卡尔曼滤波算法，以获得连续且平稳的四元数估计值。

上述的针对星敏感器和陀螺联合滤波的改进方法，其中，步骤1中，所述的扩展卡尔曼滤波器的状态量为偏差四元数的矢量部分以及陀螺常值漂移的估计误差，取状态变量为陀螺常值漂移值b与其估计值之间的差值，则可得扩展卡尔曼滤波器的一步预测x(k/k-1)为：

其中，