[发明专利]一种非接触式的翻滚卫星的惯性参数的测算方法

摘要

本发明公开了一种非接触式的翻滚卫星的惯性参数的测算方法，涉及航天领域的空间在轨服务技术下的翻滚卫星的姿态与转动惯量测量技术。其原理为借助翻滚卫星的姿态四元数动力学方程的解析解，将其姿态四元数表示成具有线性形式的含有待定参数的方程。然后用这些常值的待定参数代替惯量参数、角速度和姿态角，作为系统的状态量，用卡尔曼滤波器进行估计。所采用的卡尔曼滤波器的观测量是用现有的观测技术获得的带有噪声的翻滚卫星姿态四元数的测量值。随着观测数据增加，常值参数的估计值越来越精确，本方法利用待定参数的估计值，直接推算出翻滚卫星的主转动惯量之间的比值。

主权项

1.一种非接触式的翻滚卫星的惯性参数的测算方法，其特征在于：根据翻滚卫星的姿态四元数动力学方程的解析解，将其姿态四元数表示成具有线性形式的含有待定参数的方程，然后用常值的待定参数代替惯量参数、角速度和姿态角，作为系统的状态量；用卡尔曼滤波器进行实时估计，得到系统的状态量的估计值；卡尔曼滤波器的观测量是观测技术获得的带有噪声的翻滚卫星姿态四元数的测量值，随着测量值增加，常值参数的估计值将收敛到真实值，利用待定参数的估计值，直接推算出翻滚卫星的惯性参数；姿态四元数动力学方程的解析解是指：对翻滚卫星的四元数姿态动力学微分方程进行求解，将翻滚卫星的姿态四元数表示为具有线性形式的关于待定参数和时间的函数，并根据姿态四元数的参数化方程建立观测方程；姿态四元数动力学方程的解析解具体步骤为：1)建立翻滚卫星的四元数姿态动力学微分方程：其中ω＝[ωx ωy ωz]T为卫星自转的角速度矢量，σ＝[σx σy σz]T为随机干扰力矩引起的角加速度噪声，γ为惯性参数，λ为卫星的姿态四元数矢量，为ω相对于时间的导数，为λ相对于时间的导数，圆圈为四元数乘法算子；2)将动力学微分方程求解并参数化，将翻滚卫星的姿态四元数表示为具有线性形式的关于待定参数和时间的函数，可以得到姿态四元数的具体表示形式： λ = λ 0 λ 1 λ 2 λ 3 = a 1 - ea 4 a 5 a 8 a 2 ea 3 a 6 - a 7 a 3 - ea 2 a 7 a 6 a 4 ea 1 a 8 - a 5 cos | ω a | t sin | ω a | t cos | ω b | t sin | ω b | t - - - ( 2 ) ]]>其中ωa,ωb,e及a1,a2,…,a8为待定参数，将待定参数定为以下估计中的状态量x，即有：x＝[ωa,ωb,e,a1,a2,…,a8]T (3)则姿态四元数的参数化方程被简写为λ＝h(x)；3)建立观测方程z＝h(x)+ν (4)其中v为观测噪声；利用观测噪声实时地估计出翻滚卫星的惯性参数γ，具体包括以下步骤：1)先使用快速傅里叶变换算法将姿态四元数四个变量随时间变化的函数λ0(t)的部分数据变化到频域，根据频域内峰值的位置，将其对应的横坐标的值赋给待定参数ωa与ωb作为初值，状态量x中其他待定参数的初值被赋为0；2)以状态量x为状态参数，以实时观测得到的翻滚卫星的姿态四元数λ的实时观测量为输入，构建卡尔曼滤波器，得到的初值的基础上，使用卡尔曼滤波器对状态参数进行修正，逐步估计出状态参数更精确的值；3)利用修正得到的状态量x进行代数运算，得到翻滚卫星的惯性参数γ的估计值。