专利名称：一种基于陀螺漂移估计值的星敏感器周期性故障检测方法
技术领域：
本发明涉及一种基于陀螺漂移估计值的星敏感器周期性故障检测方法，属于卫星姿态控制领域。
背景技术：
随着测绘卫星的飞速发展，对卫星姿态确定系统的要求越来越高。卫星姿态确定系统不仅为卫星控制系统服务，还在有效载荷数据处理中起到至关重要的作用。为了保障对地观测卫星上的有效载荷获取高精度图像，要求卫星姿态确定系统能够准确给出卫星姿态ィ目息。高精度指向卫星广泛采用由星敏感器和陀螺构成的卫星姿态确定系统。该系统以、星敏感器和陀螺作为测量部件，采用卡尔曼滤波算法并结合卫星姿态运动学方程处理传感器測量信息，实现对卫星姿态误差和陀螺漂移误差的实时估计，修正利用陀螺观测量递推得到的卫星姿态数据，提供星体的三轴姿态信息。星敏感器是用星光方位来确定卫星姿态的精密姿态测量部件，能够根据多颗恒星矢量的观测数据给出星敏感器光轴矢量在惯性系中的坐标。卫星在轨运行过程中受太阳照射角度呈现周期性变化趋势，自身结构受热不均匀，星敏感器及其安装结构会受其影响而产生形变，导致星敏感器測量输出发生动态偏移。星敏感器周期性慢变故障指的是在轨卫星上的星敏感器受冷热交变的空间热环境等因素影响而产生的依轨道周期变化的故障，是影响卫星姿态确定精度的主要因素之一。实现对星敏感器周期性慢变故障的检测，是对星敏感器周期性慢变故障作进ー步估计和补偿的前提。目前星上缺乏对星敏感器周期性慢变故障进行检测的手段。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提出一种基于陀螺漂移估计值谱分析的星敏感器周期性慢变故障检测方法，实现对星敏感器周期性慢变故障的检测，为星敏感器周期性慢变故障的进ー步估计和补偿奠定技术基础。本发明的技术解决方案是一种基于陀螺漂移估计值的星敏感器周期性故障检测方法，依托于卫星上安装的陀螺和星敏感器实现，步骤如下(I)通过卡尔曼滤波算法处理时间Time内的陀螺和星敏感器的输出观測量，获得卫星姿态估计值和陀螺漂移估计值的时间序列；(2)通过对步骤(I)中得到的陀螺漂移估计值的时间序列进行离散傅立叶变换，得到陀螺漂移估计值的频谱；(3)根据步骤(2)中得到的陀螺漂移估计值的频谱产生故障检测残差，如果故障检测残差超过故障检测阈值时，则星敏感器发生了周期性慢变故障，如果故障检测残差未超过故障检测阈值，则星敏感器未发生周期性慢变故障。
所述步骤(I)中的时间Time至少为I个轨道周期。所述步骤(3)中的故障检测阈值的取值范围为[2X10_4，4X10_4]。所述步骤(3)中根据陀螺漂移估计值产生故障检测残差是通过如下公式进行Ld(i, j) = ￥Xji (j ω),其中，Ld(i, j)表示故障检测残差，Ψχ」 ω)表示信号频率为jco时陀螺漂移估计值的频谱，i = 1,2,3, j = 1,2,3,4,5, ω = 2 π/T，T表示轨道周期。本发明与现有技术相比的有益效果是目前星上缺乏对星敏感器慢变故障进行检测的手段。本发明所提方法能够实现对星敏感器周期性慢变故障的检测，为星敏感器周期性慢变故障的进ー步估计和补偿奠定基 础。
图I为本发明流程图；图2为通过卡尔曼滤波算法得到的陀螺漂移估计值；图3为陀螺漂移估计值的频谱。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行进一歩的详细描述。如图I所示，本发明提出一种基于陀螺漂移估计值的星敏感器周期性故障检测方法，依托于卫星上安装的陀螺和星敏感器实现，步骤如下(I)通过卡尔曼滤波算法处理ー个观测时段上(时间Time内)的陀螺和星敏感器的输出观測量，获得卫星姿态估计值和陀螺漂移估计值的时间序列，时间Time至少为I个轨道周期。利用卡尔曼滤波算法获得卫星姿态估计值和陀螺漂移估计值的公式如下所示；Xm_x = Fxk^lXk = +K{yk - Hxk^l)其中，毛|iW表示k时刻状态量的预测值，毛表示k时刻状态量的估计值，可写为如下所示的分量形式，Xk= ^
ysb_4表示卫星姿态误差的估计值，‘表示陀螺漂移估计值。F表示状态转移矩阵，其表达式为F = I6x6 + [ χ] ~ 2/3x3
_ 03x3O3x3 _τ C1表示滤波周期， =[も也f表示卫星姿态角速率的估计值，可通过陀螺观测量得到，屯、ち和屯表示 的三个分量。矩阵[ χ]的形式为
权利要求
1.一种基于陀螺漂移估计值的星敏感器周期性故障检测方法，依托于卫星上安装的陀螺和星敏感器实现，其特征在于步骤如下 (1)通过卡尔曼滤波算法处理时间Time内的陀螺和星敏感器的输出观测量，获得卫星姿态估计值和陀螺漂移估计值的时间序列； (2)通过对步骤(I)中得到的陀螺漂移估计值的时间序列进行离散傅立叶变换，得到陀螺漂移估计值的频谱； (3)根据步骤(2)中得到的陀螺漂移估计值的频谱产生故障检测残差，如果故障检测残差超过故障检测阈值时，则星敏感器发生了周期性慢变故障，如果故障检测残差未超过故障检测阈值，则星敏感器未发生周期性慢变故障。
2.根据权利要求I所述的一种基于陀螺漂移估计值的星敏感器周期性故障检测方法，其特征在于所述步骤(I)中的时间Time至少为I个轨道周期。
3.根据权利要求I所述的一种基于陀螺漂移估计值的星敏感器周期性故障检测方法，其特征在于所述步骤⑶中的故障检测阈值的取值范围为[2X10_4，4X10_4]。
4.根据权利要求I所述的一种基于陀螺漂移估计值的星敏感器周期性故障检测方法，其特征在于所述步骤(3)中根据陀螺漂移估计值产生故障检测残差是通过如下公式进行Ld(i, j) = ￥Xji(j w), 其中，Ld(i, j)表示故障检测残差，表示信号频率为时陀螺漂移估计值的频谱，i = 1,2,3, j = 1,2,3,4,5, = 2 n/T，T 表示轨道周期。
全文摘要
一种基于陀螺漂移估计值的星敏感器周期性故障检测方法，利用陀螺漂移估计值的谱分析对星敏感器周期性慢变故障进行检测。对于由星敏感器和陀螺构成的卫星姿态确定系统，陀螺漂移估计值是根据星敏感器观测量得到的。当星敏感器观测量中包含具有特定频率的周期性误差信号时，通过卡尔曼滤波获得的陀螺漂移的估计值中也会包含同样频率的周期性误差。因此，星敏感器周期性慢变故障会体现在陀螺漂移的估计值中，可根据陀螺漂移估计值检测星敏感器周期性慢变故障。傅立叶变换法是检测周期信号存在性的有效方法，通过对陀螺漂移估计值进行傅立叶变换，得到其频谱，并对特定谱段的频谱进行监测，可以判断出是否存在星敏感器周期性慢变故障。
文档编号G01C25/00GK102735265SQ201210211409
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者刘成瑞, 宗红, 熊凯, 王南华, 王大轶, 邢琰 申请人:北京控制工程研究所