一种基于多种姿态传感器的高精度卫星定姿方法与流程

本发明涉及一种卫星定姿方法，尤其涉及一种基于多种姿态传感器的高精度卫星定姿方法。

背景技术：

高精度定位是高分辨率卫星影像处理及应用的需求，遥感影像不光是要求分辨率等图像质量的提高，也要求很高的几何定姿精度。

为了提高几何定姿精度，后续的高分卫星增加或改进了星相机、高精度星敏、高精度陀螺等载荷。多种高精度定姿星载载荷的使用，为卫星高精度定姿提供了基础。随着空间分辨率和定位精度的提高，在以往可以忽略的一些因素，如姿态敏感器安装误差经校准后剩余的残差、星敏低频误差等，必须在姿态确定滤波器设计过程中进行考虑。所以，为了发挥这些星载定姿传感器的效能，有必要开展星载传感器高精度定姿数据处理技术研究，对姿态测量和姿态数据处理中相关误差因素进行分析，利用星地一体化手段提高姿态确定精度，为高分卫星数据定位处理精度的提高提供支撑，是高分卫星对地观测技术发展和应用的基础，同时又是提高和拓展卫星应用水平的关键因素。

技术实现要素：

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种基于多种姿态传感器的高精度卫星定姿方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于多种姿态传感器的高精度卫星定姿方法，整体步骤为：

s1、首先对卫星下传星敏感器数据进行预处理，使星敏数据中的粗差、间隔、进位误差这些异常情况得到检测和修正；计算每个星敏感器在惯性系中的光轴矢量；

s2、通过多组光轴矢量和光轴在本体坐标系统中的安装参数，采用quest算法计算星体在惯性系中的姿态数据；

s3、对卫星下传的陀螺数据预处理，进行粗差剔除、坐标系变换处理，得到惯性系的陀螺角速度信息；

s4、在惯性系下，采用ukf算法对卫星姿态数据和陀螺数据组合处理，得到瞬时精度更高的星体姿态；

s5、然后对卫星下传角位移数据进行预处理，使粗差、进位误差这些异常情况得到检测和修正，得到惯性系下的角位移数据；

s6、对角位移数据和星体姿态数据进行fft变换，获取其频域信息；

s7、对角位移的频域进行高通滤波，得到其高频信息；对星体姿态的频域进行低通滤波，得到其低频信息；

s8、采用wiener滤波对两种频率信息进行组合，获取最佳的频域信息，并对其进行fft逆变换，得到姿态数据。

本发明结合超高频率的角位移传感器，获取和分析姿态的正确的高频信息，再采用wiener滤波这种基于最小均方误差准则、对平稳过程的最优估计器，可以提取被噪声所污染的姿态信号，从而显著提高定姿精度；多传感器组合定姿策略，结合每种类型的传感器，取长补短，可获取最优的姿态信息。

附图说明

图1为本发明的整体流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1所示的一种基于多种姿态传感器的高精度卫星定姿方法，其具体步骤为：

s1、首先对卫星下传星敏感器数据进行预处理，使星敏数据中的粗差、间隔、进位误差等异常情况得到检测和修正；卫星传感器运行过程中，由于检测异常或者传输异常，会导致下传数据有明显的异常情况，预处理过程就是在数据使用之前，去除或者修正这些情况；然后计算每个星敏感器在惯性系中的光轴矢量；

该步骤要求星敏感器至少大于等于2个，安装时使两两光轴之间的夹角接近90°；

s2、通过多组光轴矢量和光轴在本体坐标系统中的安装参数，采用quest算法计算星体在惯性系中的姿态数据；quest(quaternionestimation)算法是一种最小二乘意义下的最优四元数估计方法；

s3、对卫星下传的陀螺数据预处理，进行粗差剔除、坐标系变换处理，得到惯性系的陀螺角速度信息；

s4、在惯性系下，采用ukf算法对卫星姿态数据和陀螺数据组合处理，得到瞬时精度更高的星体姿态；ukf算法，即无迹卡尔曼滤波算法，是一种通过后验概率密度进行近似而得到次优的滤波算法；

s5、然后对卫星下传角位移数据进行预处理，使粗差、进位误差等异常情况得到检测和修正，得到惯性系下的角位移数据；

s6、对角位移数据和星体姿态数据进行fft(fastfouriertransform)变换，获取其频域信息；fft变换即快速傅里叶变换，是信号处理与数据分析领域里最重要的算法之一；

s7、对角位移的频域进行高通滤波，得到其高频信息；对星体姿态的频域进行低通滤波，得到其低频信息；高通滤波、低通滤波均是成熟的过滤方式，前者规则为高频信号能正常通过，而低于设定临界值的低频信号则被阻隔、减弱；后者规则为低频信号能正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱；

s8、采用wiener滤波对两种频率信息进行组合，获取最合理的频域信息，并对其进行fft逆变换，得到姿态数据。wiener滤波(即维纳滤波)是一种基于最小均方误差准则、对平稳过程的最优估计器，用于提取被平稳噪声所污染的信号。

现有技术中，遥感卫星姿态处理多采用星敏加陀螺联合定姿的方式，此方式对于卫星的高频颤振并没有行之有效的解决措施和抑制效果，并且单个星敏的三个角度方向精度不统一也是影响姿态精度的重要原因。而本发明通过多组星敏感器组合定姿，可以有效抑制高频颤振以及单星敏感器在非光轴方向姿态精度差的问题，从而可以解决现有技术条件下，卫星定姿三个角度姿态精度差距大、姿态高频精度不理想等问题。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于多种姿态传感器的高精度卫星定姿方法，其步骤为：计算每个星敏感器在惯性系中的光轴矢量；通过多组光轴矢量和光轴在本体坐标系统中的安装参数，计算星体在惯性系中的姿态数据；计算惯性系的陀螺角速度信息；对卫星姿态数据和陀螺数据组合处理；计算惯性系下的角位移数据；对角位移数据和星体姿态数据进行FFT变换，获取频域信息；对角位移的频域进行高通滤波；对星体姿态的频域进行低通滤波；采用wiener滤波对两种频率信息进行组合，获取最佳的频域信息，并对其进行FFT逆变换，得到姿态数据。本发明通过多传感器组合定姿策略，结合每种类型的传感器，取长补短，可获取最优的姿态信息，从而显著提高定姿精度。

技术研发人员：吴方才;白晓辉;周馨;牛东
受保护的技术使用者：航天星图科技（北京）有限公司
技术研发日：2018.07.06
技术公布日：2019.01.04