[发明专利]微纳卫星姿态估计方法

说明书

本发明公开了一种微纳卫星姿态估计方法，该方法包括：建立微纳卫星姿态确定非线性模型，根据姿态测量敏感器的姿态观测信息确定模型误差估计值，利用估计值修正非线性模型，获取姿态确定模型；采用稀疏高斯埃尔米特求积理论对姿态确定模型的卫星姿态变量及协方差进行高阶多点采样和高阶状态传递，获取高维卫星姿态变量及协方差；对高维卫星姿态变量进行降维处理，获取多组低维卫星姿态变量组，分别对每组低维卫星姿态变量组进行姿态估计以确定每组对应的姿态估计值，对所有姿态估计值进行信息融合处理，确定卫星姿态变量的最终补偿估计值。本发明的微纳卫星姿态估计方法能够在低精度姿态测量敏感器和低计算量条件下实现微纳卫星的高精度姿态确定。

技术领域

本发明涉及航天器姿态估计技术领域，具体涉及一种微纳卫星姿态估计方法。

背景技术

高精度高可靠的姿态确定是微小卫星开展空间在轨服务等任务的基础。但是，微小卫星受限于质量、体积、功耗等多方面约束，往往采用低成本、微型化的COTS级姿态敏感器进行姿态测量，使得微小卫星的姿态确定精度和使用高精度宇航级敏感器的大卫星相比低1～2个数量级。此外，地球引力摄动、大气阻力、太阳光压等外部扰动使得微纳卫星的姿态动力学模型难以精确建立，从而导致姿态动力学理论模型与实际模型之间存在不确定性、强非线性模型误差。

目前，卫星通常采用基于卡尔曼滤波理论的姿态确定方法或者新型非线性方法进行卫星姿态确定，基于卡尔曼滤波理论的姿态确定方法例如为EKF(扩展卡尔曼滤波)和UKF(无损卡尔曼滤波)，新型非线性方法例如为粒子滤波方法。然而，虽然基于卡尔曼滤波理论的姿态确定方法具有较高的姿态估计精度，但EKF和UKF对姿态动力学模型的依赖性强，且对系统噪声敏感度高，姿态确定可靠性不高；粒子滤波等新型非线性方法虽然具有较高的状态估计精度，但是该方法对计算量的要求极高，现有的微纳卫星的星载计算能力较低，无法满足粒子滤波等新型非线性方法的使用需求。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种微纳卫星姿态估计方法。

为此，本发明公开了一种微纳卫星姿态估计方法，所述方法用于实现微纳卫星的姿态确定，所述方法包括：

建立微纳卫星姿态确定非线性模型，根据微纳卫星姿态测量敏感器的姿态观测信息，确定模型误差估计值，利用模型误差估计值对非线性模型进行修正，获取微纳卫星姿态确定模型；

采用稀疏高斯埃尔米特求积理论对微纳卫星姿态确定模型的卫星姿态变量及卫星姿态变量对应的协方差进行高阶多点采样和高阶状态传递，获取高维卫星姿态变量及高维卫星姿态变量对应的协方差；

对高维卫星姿态变量进行降维处理，获取多组低维卫星姿态变量组，分别对每组低维卫星姿态变量组进行姿态估计以确定每组低维卫星姿态变量组对应的姿态估计值，对所有低维卫星姿态变量组对应的姿态估计值进行姿态信息融合处理，确定卫星姿态变量的最终补偿估计值。

进一步地，在上述微纳卫星姿态估计方法中，微纳卫星姿态确定非线性模型为：

式中，下标k表示第k时刻，x_k表示k时刻的卫星姿态变量，卫星姿态变量包括卫星姿态角和卫星姿态角速度，f(·)表示微纳卫星非线性姿态动力学模型，y_k表示k时刻的姿态观测量，h(·)表示姿态敏感器观测模型，v_k-1表示k-1时刻的动力学噪声，n_k表示k时刻的观测噪声。

进一步地，在上述微纳卫星姿态估计方法中，根据微纳卫星姿态测量敏感器的姿态观测信息、最小模型误差准则和预测误差反馈控制理论，计算确定模型误差估计值。

进一步地，在上述微纳卫星姿态估计方法中，模型误差估计值利用下述公式计算确定；