[发明专利]一种提高卫星姿态确定精度和效率的方法

说明书

本发明公开了一种提高卫星姿态确定精度和效率的方法，包括建立星敏感器综合误差模型；将星敏感器综合误差模型中的误差特征进行约简，得到星敏感器的低维测量模型；构建卫星姿态确定联合寻优模型；根据卫星姿态确定联合寻优模型，设置姿态滤波算法，并根据卫星姿态确定联合寻优模型和姿态滤波算法，得出卫星姿态确定系统。本发明在星敏感器综合误差模型的基础上，还进一步的对其进行约简，解决了星上存储和计算受限的问题，针对约简后的星敏感器综合误差模型，联立卫星姿态运动学模型，构建卫星姿态确定联合寻优模型，并且确定针对卫星姿态确定联合寻优模型的姿态滤波算法，卫星姿态确定系统中计算的精度和效率就会有明显的提高。

技术领域

本发明涉及卫星分析技术领域，更具体地说涉及一种提高卫星姿态确定精度和效率的方法。

背景技术

对地观测卫星，包括测绘卫星、海洋卫星、资源卫星和气象卫星等，它们通过空间遥感器对地球陆地、海洋和大气实施观测，在国民经济和军事领域发挥重要作用，涉及国土普查、地图测绘、城市规划、气象预报、地质勘探、灾害监测、海洋管理以及战场侦察、导弹预警和军事评估等多方面任务。通过对地观测卫星获取的信息是国家基础性战略资源，对保障国民经济发展和维护国家主权起着重要作用。

为完成对地观测任务，通常对卫星的定向有较高的预定要求，其定向天线须确定指向某个特定目标区。而大多数的星上载荷相对星体指向是固定的，这就要求卫星本体相对于空间某些已知基准目标(如地球等，也可称参考系)有给定方位或指向，描述这种方位的物理量就是卫星姿态。因此，卫星高精度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。

卫星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。随着高分辨率对地观测(地面分辨率优于0.1米)、高精度立体测绘(比例尺1:10000)等卫星实际应用对性能指标提出了越来越高的要求，即要求卫星姿态测量精度优于1角秒，卫星姿态确定精度优于0.5角秒，因此，在进行卫星姿态确定时，需要进一步考虑以往忽略的一些因素。主要包括：

(1)要全面把握姿态敏感器在轨测量误差的影响，以目前航天应用中姿态测量精度最高的星敏感器(姿态敏感器的一种)为例，影响测量精度的误差不仅包括与星敏感器设计有关的热、像差、采样噪声、星点提取等内部误差因素，还包括在轨位置、温度、星体抖动振动、星敏感器相对安装误差及基准形变等与卫星本身结构及在轨运行环境等有关的外部误差因素；

(2)要充分考虑误差的在轨校准及对姿态确定算法设计的影响。设计星敏感器各类误差的在轨测试标定与精度补偿算法，提高星敏感器测量输出数据精度与准确性，同时需要解决卫星在轨环境下，姿态确定模型与参数的非线性、不确定性，噪声的非加性、非高斯性等情况下的参数辨识与估计问题；

(3)要客观认识星上存储空间和星上计算机计算资源受限这一因素。由于星敏感器在轨测量数据中包含了多种形式多样、特性复杂的内、外部误差的影响，如果在测量模型中全面精确描述星敏感器各类在轨测量误差，将会导致测量模型庞大、复杂，待估计参数维数过高等问题，进而显著增大存储和计算负担，影响估计效率；

尽管国内外学者已经进行了高精度姿态确定的研究工作，在实际卫星上也有一些应用。但是，现有的研究工作很少涉及卫星(特别是复杂卫星)在轨运行过程中，由于受到振动、抖动、温度变化、星体形变等各种环境因素的影响，致使姿态敏感器输出数据形式及精度已受到内部及外部误差的干扰，大幅下降，以及测量数据的误差特性也发生较大改变的问题。这些新的误差因素的产生以及误差特性的改变，必然影响复杂卫星姿态确定算法的设计，此时需要设计相应的姿态确定算法以解决卫星在轨环境下，姿态确定模型与参数的非线性、不确定性，噪声的非加性、非高斯性等情况下的参数辨识与姿态滤波问题；此外，误差的多样式、复杂化，会导致卫星姿态确定系统庞大、复杂，待估计参数维数过高等问题，利用星上有限的存储和计算资源，必然影响估计效率。

发明内容