[发明专利]一种卫星姿态滤波方法

说明书

本发明公开了一种卫星姿态滤波方法，包括根据星敏感器的偏转乘性误差，构建具有偏转乘性噪声的卫星姿态确定系统模型；对卫星姿态确定系统模型进行第一阶段状态滤波，得到第一状态滤波值以及状态的一步平滑值；对卫星姿态确定系统模型进行第二阶段状态滤波，得到第二状态滤波值；将第二状态滤波值的姿态四元数转换成姿态欧拉角。本发明基于星敏感器偏转乘性噪声以及卫星姿态运动学方程，构建具有成型偏转误差的卫星姿态确定系统模型，通过对非线性卫星姿态确定系统模型进行二次线性展开，实现对星敏感器偏转乘性噪声的抑制和卫星在轨运动姿态的估计，可以有效降低乘性噪声对卫星姿态确定精度的影响。

技术领域

本发明涉及卫星分析领域，尤其涉及一种提高星敏感器偏转乘性噪声处理能力的卫星姿态滤波方法。

背景技术

卫星姿态确定的主要任务是根据带有噪声的姿态敏感器的测量值估计卫星相对于某个参考坐标系的姿态参数。姿态确定系统主要由姿态敏感器和相应的信息处理算法即姿态确定算法组成，姿态确定精度取决于姿态敏感器测量精度和姿态确定算法精度。

卫星姿态确定系统是卫星姿态控制系统中的重要组成部分，高精度的姿态确定是高分辨率成像、高精度测绘等卫星应用的重要基础和关键技术。

星敏感器和陀螺的组合姿态确定方案以陀螺为基准，星敏感器对陀螺的累积误差和各种漂移进行校正，成为现代高精度卫星姿态确定的主要手段，在卫星的姿态测量方案中得到了广泛的实际应用。

利用星敏感器和陀螺两种姿态敏感器进行组合来确定卫星的在轨运动姿态，需要构建并求解由卫星姿态运动学模型和星敏感器姿态测量模型所共同构成的非线性系统模型。常见的姿态确定系统模型求解方法包括传统的扩展Kalman滤波(EKF)，但是EKF滤波算法仅适用于仅含加型噪声的非线性系统模型。

如果星敏感器相对于卫星本体的安装矩阵在卫星的运动过程中发生了偏转，或者由于抖动，振动等在轨环境的影响，使得星敏感器测量方程中引入另外一个未知的坐标变换。因此，星敏感器的测量随机噪声在卫星姿态确定系统的观测方程中往往体现为乘性噪声。

然而，由于卫星在轨运行环境复杂，使得星敏感器测量模型不仅包括热影响、像差影响、探测器噪声等引起的内部误差，而且还包括如相对安装误差、基准偏差以及形变误差等影响的外部误差，而这些外部误差的引入，使得卫星本体的安装矩阵在卫星的运动过程中发生了偏转，进而使得星敏感器测量模型中引入另外一个未知的坐标变换。因此，星敏感器的测量随机噪声在卫星姿态确定系统的观测方程中不仅体现为加性噪声，而且还体现为乘性噪声。因此，采用传统的EKF滤波算法，对乘性噪声的处理很难得到保证。

针对带乘性噪声的动态系统，目前也存在一些理论研究，如针对一维乘性噪声系统，P.K.Rajasekaram提出了一种处理乘性噪声的最优线性估计方法，给出了最优滤波算法，有效地解决了存在乘性噪声情况下的线性问题。褚东升等在此基础上，分别将线性系统的乘性噪声推广为对角阵和随机阵，F.Wang,V.Balakrishnan等人对乘性噪声的线性系统设计了鲁棒Kalman滤波算法，通过凸优化的方法确定滤波参数，并采用线性矩阵不等式技术求解凸优化问题，还给出了另外一种用于处理乘性噪声的鲁棒滤波算法，适合在线应用需求。

但针对带随机乘性噪声的非动态线性系统还没有人做过相关研究，且目前的研究也未涉及具体的应用层面，尤其是由星敏感器/陀螺组合的卫星姿态确定系统，这在某种程度上提供了星敏感器观测模型优化和卫星姿态确定精度提升的空间。

综上所述，星敏感器和陀螺组合的卫星姿态确定系统中，由于星敏感器观测模型中同时存在的加性噪声和乘性噪声，设计一种提高星敏感器偏转乘性噪声处理能力的卫星姿态确定算法，降低偏转乘性噪声对卫星姿态确定精度的影响，是提高星敏感器/陀螺组合姿态确定系统精度的技术难点之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何提高对星敏感器偏转乘性噪声的处理能力，从而使卫星姿态确定精度提高。