专利名称：一种对加速度计零位偏差进行在轨标定的方法
技术领域：
本发明涉及一种卫星轨控过程中使用的加速度计零位偏差的标定方法，尤 其适用于有关键点或是唯一窗口变轨要求的卫星的加速度计零位偏差的标定方 法。
背景技术：
奔月航天器轨控期间需要准确的加速度计测量信息，而加速度计测量量本 身包含零位偏差和脉沖当量误差，如不考虑这些偏差将会对轨道确定产生误差。 为保证轨控的准确性，星上需要对加速度计的零位偏差进行#卜偿。国外诸多学者对CHAMP卫星GRACE卫星等应用的加速度计标定提出了 多种方法，利用能量守恒方法进行标定最为快捷简便，另外还有利用轨迹交叉 点进行加速度计标定和利用重力场模型进行标定等方法。这些方法一般考虑同 时标定加速度计零位偏差和脉冲当量误差，固定一个参数，解算另一个参数， 存在较大的耦合作用，且算法复杂，有时不能满足对加速度计标定精度要求较 高的需求。目前国内没有对加速度计零位偏差进行在轨标定的方法。使用加速度计的 卫星都是在地面进行的加速度计标定。加速度计的标定通常是在转台或分度头 上进行，因而标定工作只能在试验室进行。考虑到加速度计零位偏差随温度和 时间变化，仅在地面标定的加速度计偏差是不能准确反映加速度计真实偏差的。 地面进行的标定只能作为加速度计零位偏差补偿的参考值，对轨控实施精度要 求不严的卫星比较适用，但对于月球探测器一类的轨控窗口要求严格的卫星却 不再适用。 发明内容本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提出一种对加速度计零位偏差进行在轨标定的方法，该方法利用轨控前的恒星定向模式加速度为零的特 点对加速度计零位偏差进行标定，提高了加速度计零位偏差标定的准确度。本发明的技术解决方案是 一种对加速度计零位偏差进行在轨标定的方法， 包括下列步骤(1) 在星上设置恒星定向模式，该模式保持卫星惯性定向姿态，星体加速 度为零；(2) 卫星进行变轨之前，使卫星进入恒星定向模式，将初始化为零的速度 增量和时间增量进行累计，直至恒星定向模式结束；(3 )根据恒星定向模式累计的速度增量和时间增量，确定加速度计零位偏 差标定值；(4) 在轨控过程中对加速度计零位偏差进行补偿；(5) 计算轨控过程中的速度增量，并将计算得到的速度增量与轨控前根据 轨控需要确定的一个变轨速度增量值进行比较，若计算的速度增量大于轨控前 确定的速度增量值，轨控结束，否则从步骤(4)开始执行直至轨控结束。所述步骤(1 )中的设置恒星定向模式，首先设定目标姿态，目标姿态为任 一惯性姿态，然后根据敏感器输出确定卫星当前惯性姿态，最后由当前惯性姿 态与目标姿态之差确定执行机构的控制量，通过执行机构控制使得恒星定向模 式中的卫星姿态与目标姿态一致，达到惯性定向的目的。本发明与现有技术相比的有益效果是(1) 由于本发明充分利用了轨控前的恒星定向模式加速度为零的特点，与 地面事先标定方法和现有技术中利用零位偏差和脉冲当量耦合估计的方法相比 具有更高的准确度。(2) 由于本发明在轨控过程中对加速度计零位偏差进行补偿，保证了轨控 精度。
图1为本发明恒星定向模式设置流程图；图2为本发明加速度计零位偏差在轨标定流程图；图3为本发明恒星定向;f莫式中三轴姿态角与目标角差值仿真曲线； 图4为本发明三轴动量轮角动量仿真曲线； 图5为本发明三轴喷气发动机喷气总时间仿真曲线； 图6为本发明加速度计采集到的速度增量Av的累计值仿真曲线； 图7为本发明加速度计釆集到的速度增量a v的累计值局部放大曲线。
具体实施方式
如图1所示，为本发明设置恒星定向模式流程图，首先设定目标姿态，可 将任一惯性姿态确定为目标姿态，根据敏感器输出确定卫星当前惯性姿态，卫 星当前惯性姿态的确定可参考《基于星敏感器/光纤陀螺的卫星定姿算法》一文， 然后由当前惯性姿态与目标姿态之差确定执行机构的控制量，通过执行才几构控 制使得恒星定向模式中的卫星姿态与目标姿态一致，达到惯性定向的目的。该 模式选用的执行机构在控制过程中不对星体产生加速度，保证恒星定向4莫式中 星体加速度为零，这些执行机构可为动量轮，或控制力矩陀螺，或磁力矩器， 或者他们的组合；依靠执行机构角动量变化或者能量转换吸收卫星干扰力矩对 星体的影响，采用这些执行机构控制可避免姿控发动机喷气控制，由于该模式 中不进行姿态的喷气控制，所以可保证卫星加速度为零，为加速度计标定提供 标定条件。如图2所示，为本方法流程图，具体步骤如下(1) 按照图1所示的方法在星上设置恒星定向才莫式，该模式保持卫星惯 性定向姿态，星体加速度为零。(2) 在卫星进行变轨之前，需要进入预先设置的恒星定向模式，利用恒星 定向模式中加速度为零的特点，若加速度计不存在零位偏差，则加速度计采集 到的速度增量应该为零。若加速度计有零位偏差，通过恒星定向模式中，对采 集到的速度增量和时间增量进行累计直至恒星定向模式结束。(3) 将加速度计采集到的速度增量Av累计和与采集的时间增量At累计相比得到这段时间内加速度计零位偏差的平均值a0，即aO=Av/At，厶v、 At 在进入恒星定向模式前初始化为0,进入恒星定向模式后计算公式AV-AV+V， △ t=At+T,其中v为每个采样周期T内加速度计输出的速度增量；将aO作为加速度计零位偏差的标定结果。(4)将速度增量V初始化为零，将aO在加速度计测量的加速度中减掉， 得到没有零位偏差影响的加速度计测量值，即a^/T-a0，消除加速度计零位偏 差对轨控精度的影响，其中加速度计测量的加速度等于采样周期T时间内加速 度计输出的速度增量v除以采样周期。(5 )计算轨控过程中的速度增量V,即V=V+a*T,将计算得到的V与轨 控前根据轨控需要给定的速度增量值进行比较，若V大于轨控前确定的速度增 量值，轨控结束，否则从对加速度计零位偏差进行补偿开始直至轨控结束。为了验证本方法的可行性，对本方法进行了仿真计算，仿真条件i殳加速 度计零位偏差实际值为0.05m/s2,恒星定向模式仿真时间为3000秒，初始时 刻滚动、俯仰、偏航三轴姿态角分别为-0.01度，0.02度，0.02度；滚动、俯 仰、偏航三轴角速度分别为-0.01度/s, -0.05度/s, 0.02度/s。仿真结果如图2~ 6所示。如图3所示，为本发明恒星定向模式中三轴姿态角与目标角差值曲线，从 图中可以看出，进入恒星定向模式初始阶段卫星姿态角与目标角偏差较大，这 是因为进入恒星定向模式后动量轮首先要消除卫星初始姿态角和角速度与目标 姿态中初始姿态度和角速度的偏差，消除偏差后恒星定向^^莫式中星体姿态角与 目标角差值很小，卫星姿态与目标姿态一致，满足惯性定向的要求。如图4所示，为本发明三轴动量轮角动量曲线，从图中可以看出，仿真初 始阶段动量轮角动量发生较大变化，这是因为仿真初始阶段动量轮要消除卫星 与目标姿态之间初始姿态角和角速度误差，误差消除后卫星姿态角误差趋于稳 定，动量轮角动量变化也同样趋于稳定，仿真过程中存在的环境力矩的小干扰 也由动量轮消除。如图5所示，为本发明三轴喷气发动机喷气总时间仿真曲线，从图中可以 看到恒星定向模式中未出现姿控发动机喷气的现象，不会对星体产生加速度， 满足加速度计零位偏差标定的要求。如图6所示，为本发明仿真过程恒星定向模式中加速度计采集到的速度增量Av的累计值曲线，图7为其最后五秒的曲线局部^:大图，从图7可知清楚 的看到，3000秒时加速度计采集到的速度增量Av为151.6m/s，因此该次仿真 中加速度计零位偏差的标定结果应为151.6/3000=0.0505m/s2与零位偏差实际 值0.05m/s2相比误差很小，满足实际应用需要。
权利要求
1、一种对加速度计零位偏差进行在轨标定的方法，其特征在于包括下列步骤(1)在星上设置恒星定向模式，该模式保持卫星惯性定向姿态，星体加速度为零；(2)卫星进行变轨之前，使卫星进入恒星定向模式，将初始化为零的速度增量和时间增量进行累计，直至恒星定向模式结束；(3)根据恒星定向模式累计的速度增量和时间增量，确定加速度计零位偏差标定值；(4)在轨控过程中对加速度计零位偏差进行补偿；(5)计算轨控过程中的速度增量，并将计算得到的速度增量与轨控前根据轨控需要确定的一个变轨速度增量值进行比较，若计算的速度增量大于轨控前确定的速度增量值，轨控结束，否则从步骤(4)开始执行直至轨控结束。
2、 根据权利要求1所述的一种对加速度计零位偏差进行在轨标定的方法， 其特征在于所述步骤(1 )中的设置恒星定向模式，首先设定目标姿态，目标 姿态为任一惯性姿态，然后根据敏感器输出确定卫星当前惯性姿态，最后由当 前惯性姿态与目标姿态之差确定执行机构的控制量，通过执行机构控制^f吏得恒 星定向模式中的卫星姿态与目标姿态一致。
3、 根据权利要求2所述的一种对加速度计零位偏差进行在轨标定的方法， 其特征在于所述的执行机构在控制过程中不对星体产生加速度，保证恒星定 向模式中星体加速度为零。
4、 根据权利要求1所述的一种对加速度计零位偏差进行在轨标定的方法， 其特征在于所述步骤(3)中的加速度计零位偏差标定值用恒星定向模式累计 的速度增量除以时间，得到累计过程中的加速度计零位偏差的平均值，纟夺该平 均值作为加速度计零位偏差的标定值。
5、 根据权利要求1所述的一种对加速度计零位偏差进行在轨标定的方法，其特征在于所述步骤(4)中的对加速度计零位偏差进行补偿，在轨控过禾呈中，将加速度计测量的加速度值减去加速度计零位偏差的标定值，得到没有零位偏 差影响的加速度计测量值，消除加速度计零位偏差对4九控精度的影响。
6、根据权利要求5所述的一种对加速度计零位偏差进行在轨标定的方法， 其特征在于所述的加速度计测量的加速度值通过加速度计在采样周期内测量 的速度增量除以采样周期得到。
全文摘要
一种对加速度计零位偏差进行在轨标定的方法，包括下列步骤在星上设置恒星定向模式；卫星进行变轨之前，卫星进入恒星定向模式，将速度增量、时间初始化为零后，进行速度增量和时间的累计，直至恒星定向模式结束；根据得到的速度增量和时间确定加速度计零位偏差标定值；在轨控过程中对加速度计零位偏差进行补偿；计算轨控过程中的速度增量，并将计算得到的速度增量与轨控前确定的一个变轨速度增量值进行比较，若计算的速度增量大于轨控前确定的速度增量值，轨控结束，否则从对加速度计进行补偿开始执行直至轨控结束。本发明利用轨控前的恒星定向模式加速度为零的特点对加速度计零位偏差进行标定，提高了加速度计零位偏差标定的准确度。
文档编号G01P21/00GK101226206SQ20071030174
公开日2008年7月23日 申请日期2007年12月26日 优先权日2007年12月26日
发明者红 宗, 涛 尹, 李铁寿, 寨 王, 王淑一, 铭 程, 冬 韩, 江 龙 申请人:北京控制工程研究所