[发明专利]基于地球敏感器和陀螺仪的航天器姿态确定系统及方法

说明书

本申请实施例公开一种基于地球敏感器和陀螺仪的航天器姿态确定系统和方法，其中，该系统包括：地球敏感器，用于获取地心相对于航天器的方向数据；陀螺仪，用于获取航天器的角速度数据；计算单元，基于测得的所述地球方向数据和所述角速度数据，利用四元数算法确定所述航天器的姿态。本发明组合使用了确定航天器姿态的设备及方法，使多种姿态确定方式互为备份或补充，提高了任务成功率。且本发明所使用的设备数目较少、计算方式直接、适用范围广，姿态确定可靠性更高，由于本发明使用先进的姿态确定方法因而降低了对设备数目的要求，意味着降低了姿态确定成本。

技术领域

本发明涉及宇宙导航技术领域。更具体地，涉及一种基于地球敏感器和陀螺仪的航天器姿态确定系统及方法。

背景技术

航天器的姿态确定是姿态控制的前提。航天器用来确定姿态的设备多种多样，常见的有星敏感器、惯性测量组合、太阳敏感器、地球敏感器、磁强计等。星敏感器具备独立确定航天器姿态的能力，通过观测星图来确定航天器在惯性系下的姿态，其精度较高，相应的成本也比其他设备要高。惯性测量组合在给定准确的初始姿态下，通过测量精确的角速度信息，来对姿态进行运动学递推，正是由于测量误差的存在，随着时间的推移，其精度也越来越差，需要其他类型的敏感器进行姿态校正。太阳敏感器无法独立进行航天器姿态确定，原因在于它只能够提供一个维度的信息，而姿态确定需要两个维度数据才能完整解出，因此太阳敏感器常常用来和地球敏感器、惯性测量组合一起使用，惯性测量组合用于角速度确定和姿态递推，太阳敏感器和地球敏感器共同提供两个维度的观测数据，这样就可以确定航天器的姿态。磁强计受限于其测量精度，无法用来计算高精度的姿态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于地敏和陀螺的航天器姿态确定系统，该系统组合使用航天器姿态确定设备，具有设备数目较少，根据测量得到的数据计算方式直接，适用范围广的特点。

本发明的另一个目的在于提供一种基于地敏和陀螺的航天器姿态确定方法，该方法基于上述的系统，组合使用航天器姿态确定方法，具有更高的可靠性，同时用先进的姿态确定方法来降低对设备数目的要求意味着更低的成本。本方法与目前已有的研究的重要区别在于不使用复杂的滤波方程，仅仅依赖观测量，通过简单的数学运算得出结果，在航天器软件上实现起来简单可靠，同时其误差水平基本取决于地球敏感器的精度，因此在地球敏感器精度较高时，该方法的结果精度良好。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

基于地球敏感器和陀螺仪的航天器姿态确定系统，包括：

地球敏感器，用于获取地心相对于航天器的方向数据；

陀螺仪，用于获取航天器的角速度数据；

计算单元，基于测得的所述地球方向数据和所述角速度数据，利用四元数算法确定所述航天器的姿态。

优选地，该系统还包括存储单元：用于存储地心相对于航天器的方向数据和航天器的角速度数据。

优选地，所述四元数算法的方程组如下：

其中，

A为时刻t的航天器姿态，则时刻t₀的航天器姿态为B^-1*A；

B为从时刻t₀到时刻t的时间段内航天器的姿态转移矩阵，表示从时刻t₀到时刻t的航天器姿态变化；通过所述角速度数据积分得到；

R_i0为时刻t₀时地心赤道惯性系下的地球方向；

R_b0为时刻t₀时所述地球方向观测与存储单元侧量的地球方向；

R_i为时刻t时地心赤道惯性系下的地球方向；