[发明专利]一种基于星敏感器辅助的陀螺误差参数在轨快速标定方法

说明书

本发明公开了一种基于星敏感器辅助的陀螺误差参数在轨快速标定方法，根据卫星系统限制角速度和限制角加速度，规划姿态机动的角速度和角加速度，设置姿态机动策略；根据卫星姿态运动学方程、陀螺输出方程、星敏感器输出方程，基于高阶毕卡逼近解算方法，建立线性近似的陀螺误差参数标定模型；根据建立的线性近似的陀螺误差参数标定模型，结合姿态机动过程中的陀螺和星敏感器的测量数据，利用最小二乘方法，进行误差参数标定，获得参数估计值；根据线性化展开点对精度影响效果，将参数估计作为新的线性化展开点，对估计参数残差进行迭代补偿，直至残差向量平方和不再减少或估计参数误差的变化小于给定的门限或迭代次数超过预设的限制次数。

技术领域

本发明涉及卫星姿态传感器测量技术领域，更具体的说是涉及一种基于星敏感器辅助的陀螺误差参数在轨快速标定方法。

背景技术

随着对卫星观测任务的精确度、复杂度需求的提高，人们对卫星姿态确定的精度要求越来越高。提高定姿传感器测量精度是实现高精度的卫星姿态确定的最重要的方法之一。目前，由星敏感器和陀螺组合作为定姿传感器是高精度定姿系统的首选。陀螺自主性良好，可靠性强，但测量误差会随时间增加不断累积。影响陀螺测量精度的主要误差项有常值偏差、安装误差、刻度因子误差等，尽管通过地面标校的方法进行这些参数补偿处理，但是受到在卫星发射过程中的振动、温度和磁场等空间复杂环境因素的影响，标定参数不可避免的会发生变化，为此就必须对陀螺的误差参数在轨进行快速、准确、有效、可靠的标定和补偿，来确保其使用精度。星敏感器作为星载定姿系统的另一重要传感器，虽易受动态环境的影响，但其精度较高，误差不随时间发散，长期运行条件下精度良好。用星敏感器测量来实现对陀螺相关误差参数的标定和补偿，是提高卫星定姿精度的有效途径。

常用的陀螺误差参数标定方法有两类：一类是基于状态估计的方法，如扩展卡尔曼滤波、无迹滤波等滤波方法，该类方法在建立陀螺误差参数的动态模型的基础上，将其增广为状态向量的一部分，再利用滤波方法在估计姿态参数的同时在线递推估计陀螺误差参数，被估误差参数需要一定的时间才能稳定收敛；与此同时，还需要星敏感器作为姿态参考，要能够提供满足数量和精度要求的有效测量信息。为了保证陀螺误差参数具备可观测性，能被有效估计，卫星需要执行姿态机动。但是，星敏感器受到动态性能约束，只能在缓慢机动条件下才能提供有效输出，这使得基于状态估计的方法难以满足快速性要求，且估计精度也会受到系统模型及噪声参数的准确程度的影响。另一类是基于参数估计的方法，如常用的最小二乘方法，仅需建立关于被估的陀螺误差参数与系统测量量之间的测量模型，利用最小二乘准则来获得误差参数的估计值，该方法对测量噪声的统计特性无特定要求，但需要星敏感器在标定过程中提供满足最小二乘求解的有效输出。

因此，如何实现星敏感器对陀螺误差参数的在轨精确、快速标定是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于星敏感器辅助的陀螺误差参数在轨快速标定方法，根据卫星系统限制角速度和限制角加速度，规划机动角速度和角加速度，设置机动策略；根据卫星姿态运动学方程、陀螺输出方程、星敏感器输出方程，基于高阶毕卡逼近解算方法，建立线性近似的陀螺误差参数标定模型；根据建立的陀螺误差标定模型，结合机动过程中的陀螺和星敏感器的测量数据，利用最小二乘方法，进行误差参数标定，获得参数估计值；根据线性化展开点对精度影响效果，将参数估计作为新的线性化展开点，对估计参数残差进行迭代补偿，直至残差向量平方和不再减少或估计参数误差的变化小于给定的门限或迭代次数超过预设的限制次数。从解决在轨应用时保证标定过程的快速性问题出发，将最小二乘参数估计思想与快速机动策略设计相结合，实现了一种利用星敏感器测量，在卫星进行快速姿态机动的情况下，进行陀螺误差参数标定的方法，大幅减少了标定过程的耗时，解决了由于受到星敏感器在高动态情况下无有效输出限制而难以实现陀螺误差参数在轨快速标定的问题；同时通过建立关于陀螺误差参数的准确标定模型，利用星敏感器和陀螺的测量输出，采用参数迭代估计策略，改善了线性化处理过程带来的模型精度损失对参数估计精度的影响，提高了陀螺误差参数估计的精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：