[发明专利]利用测速数据实时估计航天器异常姿态的方法和设备

说明书

本发明提出一种利用测速数据实时估计航天器异常姿态的方法和设备，其中方法包括选取航天器姿态参数，联立航天器姿态运动学、姿态动力学方程，建立航天器姿态参数X的动力学方程；建立航天器测速数据的观测方程；推导动力学方程、观测方程对航天器姿态参数的Jacobi矩阵；响应于航天器姿态发生故障，将获取的多个测站对航天器的测速数据作为观测量，采用扩展卡尔曼滤波算法进行航天器姿态参数X的实时估计；以及滤波收敛后，输出航天器姿态参数的估计值。本发明的方案通过航天器测速数据实时估计航天器姿态信息，适应性强且收敛迅速。另外，不需要航天器遥测信息，可为航天器姿态异常情况下的姿态故障诊断和处置提供有效依据。

技术领域

本发明属于航天器测控技术领域。更具体地，本发明涉及利用测速数据实时估计航天器异常姿态的方法和设备。

背景技术

航天器姿态的测量、机动、指向等主要由其姿态控制系统负责，是航天器在轨供电、遥测遥控、科学目标实现等的基础。目前，地面主要是通过航天器载姿态敏感器的下行遥测数据，获得航天器姿态信息。然而，航天器姿态一旦发生故障，将直接影响测控天线的指向，在测控链路紧张的情况下(如深空探测任务)，将导致地面接收航天器遥测“闪锁”甚至“失锁”。在这种情况下，地面无法通过遥测及时了解航天器姿态信息，更无法实施有效的姿态控制。航天器姿态如果长期处于异常状态，将面临电源耗尽、结构自旋解体等重大风险。因此，在航天器姿态故障，地面无稳定遥测数据的情况下，必须及时估计航天器的姿态，这是故障诊断和故障处置的基本前提。

航天器的故障姿态会引起航天器(测控天线)对地面测控设备的附加多普勒，并表现在测速数据中；而且，通常情况下，地面测控设备锁定探测器下行载波比下行遥测的链路余量更大(对深空测控一般约大10dB)。换言之，在航天器姿态故障时，地面测控设备通常仍能锁定其下行载波，获取有效的测速数据，可望用于航天器姿态的实时估计。

发明内容

本发明基于前述背景，对航天器姿态故障导致地面无稳定遥测数据的情况下的姿态估计问题，利用高精度测速数据，基于航天器姿态运动学方程、姿态动力学方程和测速观测模型，采用扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter，EKF)算法，实时估计航天器姿态。

为此，在一个方面中，本发明提供一种利用测速数据实时估计航天器异常姿态的方法，包括如下步骤：

步骤1：选取航天器姿态参数，联立航天器姿态运动学、姿态动力学方程，建立航天器姿态参数X的动力学方程；

步骤2：建立航天器测速数据的观测方程；

步骤3：推导动力学方程、观测方程对航天器姿态参数的Jacobi矩阵；

步骤4：响应于航天器姿态发生故障，将获取的多个测站对航天器的测速数据作为观测量，采用扩展卡尔曼滤波算法进行航天器姿态参数X的实时估计；以及

步骤5：滤波收敛后，输出航天器姿态参数的估计值

在一个实施例中，其中所述步骤1包括：

选取航天器姿态参数为联立航天器姿态运动学、姿态动力学方程，建立X的动力学方程如下：

上式(1)中第4～6式的姿态动力学方程假设航天器的本体坐标系即惯量主轴系，且将航天器视为无活动部件的刚体，其中I_x、I_y、I_z分别为航天器绕本体坐标系x、y、z轴的转动惯量，M_x、M_y、M_z分别为作用在航天器上的含航天器所受环境力矩及姿态控制力矩的外力矩在本体坐标系x、y、z轴的分量。

在又一个实施例中，其中所述步骤2包括：

建立航天器测速数据的观测方程如下：