[发明专利]一种基于盒粒子滤波的高能效卫星姿态确定算法

说明书

本发明公开了一种基于盒粒子滤波的高能效卫星姿态确定算法，具体包括以下步骤：通过双矢量算法对磁强计和太阳敏感计的测量数据进行预处理，解算得出卫星姿态四元数；通过预测方程对卫星姿态四元数进行预测，得出卫星姿态预测结果；通过卫星姿态预测结果和卫星姿态四元数进行比较，其交集为残差；根据量测噪声的概率模型和残差得出似然函数；通过残差对卫星姿态预测结果进行收缩，得出收缩后的卫星姿态预测结果；根据前一时刻卫星姿态的权重，结合似然函数计算该时刻的卫星姿态的权重；根据权重估计得出卫星当前的姿态估计值；本发明为后续姿态控制器提供了高精度的量测数据，是姿态控制系统实现有效控制的必要前提。

【技术领域】

本发明属于皮纳卫星姿态确定技术领域，尤其涉及一种基于盒粒子滤波的高能效卫星姿态确定算法。

【背景技术】

姿态敏感器是ADCS的量测器件，目前多采用光电太阳敏感器及磁强计，大卫星姿态确定系统如COMPASS-1，AAUSa1。如今已经具有很多基于MEMS、NEMS、MOEMS等十分先进的加工技术的微型器件，如MEMS技术制作的微型陀螺和微型加速度计或者MOEMS技术制作的太阳敏感器和高集成度的三轴微型磁强计等。但目前而言，微型敏感器发展由于受到了质量、体积、功耗方面的限制，导致它们在性能指标方面比传统元器件具有劣势，在某些指标上表现很不好。这也是目前皮卫星研制过程面临最大的问题。另一方面，由于皮卫星在国内外都是一个比较新的研究项目，因此缺乏研发经验。皮纳卫星的姿态确定算法待解决的重要问题为在现有质量、星上运算能力、功耗、控制精度等条件的约束下，提出满足系统要求的皮卫星姿态确定算法设计方案，使其可以适应皮卫星在质量、体积和功耗等方面的要求。

姿态确定算法有两大类。一类是静态确定性方法，该类方法中TRIAD(Three-axisAttitude Determination)法是一种较为典型的算法，它通过两个非平行矢量测量信息确定姿态矩阵，算法简单、计算量较小。另一类是姿态确定的状态空间估计算法，它是利用敏感器量测的历史信息，结合航天器姿态运动模型，得到统计意义下的最优姿态估计。

确定性方法的优点在于无需姿态的先验知识，直接根据姿态敏感器的测量值确定航天器的姿态。缺点是易造成姿态确定的计算结果误差较大，而且至少需要两个矢量才能确定姿态，使用有一定的局限性。

现代的非线性估计算法一开始进入工程应用领域时研究重点集中在EKF，但是考虑到航天器姿态观测的噪声类型复杂，状态量分布各有特点，并非所有的此类滤波器都可以完成姿态估计，后来逐渐发展出一类对概率密度方程没有要求，非线性近似可以在任意分布下进行的Particle Filter(PF)方法。PF原理是使用有限的随机加权的点来近似分布，在非高斯问题上有极高的适应性。

皮纳卫星姿态确定过程是高非线性的，基于Particle Filter(PF)高精度确定方法计算复杂高，皮纳卫星的CPU设计无法提供高效的计算能力，而基础的Extended KalmanFilter(EKF)方法精度不够，因此需寻求新的滤波方法以同时满足姿态确定的高能效和高精度的需求。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种基于盒粒子滤波的高能效卫星姿态确定算法，能够在保证姿态确定精度的同时大幅度缩短算法运行时间，减少卫星计算的能耗。

本发明采用以下技术方案：一种基于盒粒子滤波的高能效卫星姿态确定算法，具体包括以下步骤：

步骤1、通过双矢量算法对磁强计和太阳敏感计的测量数据进行预处理，解算得出卫星姿态四元数q＝[η ε₁ ε₂ ε₃]^T；

步骤2、通过预测方程对卫星姿态四元数进行预测，得出卫星姿态预测结果其中，[H]为观测矩阵，为k时刻卫星的第i个状态量盒，分别为的下界和和上界，