一种基于α-β滤波的星矢量测量误差在轨估计方法与流程

本发明特别涉及一种基于α-β滤波的星矢量测量误差在轨估计方法。

背景技术：

星敏感器—陀螺仪组合导航是当前姿态测量精度要求较高的卫星平台的主流方案，作为目前姿态测量精度最高的敏感器，星敏感器姿态测量精度直接影响了卫星平台的姿态控制精度。姿态测量精度为星敏感器最重要的考核指标。

以星敏感器为代表的天文导航敏感器大多基于wahba问题估计飞行器姿态。星敏感器测量姿态的最小损失函数:

式中：n为参与姿态估计的星数，是星敏感器测量坐标系下的观测星矢量；是天球坐标系下的参考星矢量，ai是恒星矢量的权值。

调研文献发现shuter博士提出由观测星矢量的误差大小确定恒星矢量的权值ai。假设定姿星i的误差大小为σi，则权值ai的计算过程如下：

公开文献中尚未有完整的在轨评价星矢量的误差大小的方法，国产星敏感器在姿态解算中大多采用等权值的方法：

式中：n为参与姿态解算的星数。等权值估计姿态，平均了星矢量的误差，若能在轨估计星矢量的误差大小，提高误差较小的星矢量在姿态解算过程中的权重，则可在相同测量信息条件下，提高星敏感器的姿态测量精度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于α-β滤波的星矢量测量误差在轨估计方法，实时计算星矢量权值，优化姿态估计算法，提高姿态测量精度。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于α-β滤波的星矢量测量误差在轨估计方法，其特点是，包含如下步骤：

s1，由定姿星的观测星矢量和参考星矢量，在quest等姿态估计算法中星矢量的权值ai相等的方法计算姿态四元数其中q0为标部，为矢部；

s2，采用α-β滤波器处理姿态四元数得到参考姿态四元数

s3，由参考姿态四元数计算参考姿态矩阵a，所述的姿态矩阵描述惯性坐标系到星敏感器测量坐标系的转换关系；

s4，根据所述的参考姿态矩阵a计算观测星矢量的误差。

所述的步骤s2中采用的滤波方程：

预测方程：

式中：为k时刻的位置估值；为k时刻的速度估值；

为k时刻的预测估值；为k时刻的预测速度；

z(k)为k时刻的测量位置；t为采样周期；α、β为系统增益，α

称为位置增益，β称为速度增益；

所述的测量值z(k)为姿态四元数的矢部

所述的步骤s3具体包括：

q0为标部，为矢部计算参考

姿态矩阵a：

所述的步骤s4具体包括：

计算第i颗星矢量的误差σi：由i＝1,2,...,n，n为参与姿态解算的星数；为星敏感器测量坐标系下的观测星矢量，为天球坐标系下的参考星矢量。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

现有技术无法在线实时估计观测星矢量误差，在相同的星点质心定位误差条件下，姿态估计精度较低，本发明可有效提高姿态估计精度；α-β滤波器计算量小，可在轨实时估计星矢量误差；与直接采用测量值与星库参考值作差估计误差的方法相比，本方法采用滤波值计算参考姿态矩阵估计星矢量误差，误差值可信度更高；α-β滤波器跟踪能力强，能够有效抑制低频误差的影响。

附图说明

图1为本发明一种基于α-β滤波的星矢量测量误差在轨估计方法的流程图；

图2为步骤s2的流程图；

图3为等权值和不等权值解算出的姿态三轴姿态统计误差对比。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种基于α-β滤波的星矢量测量误差在轨估计方法，包含如下步骤：

s1，由定姿星的观测星矢量和参考星矢量，在quest等姿态估计算法中星矢量的权值ai相等的方法计算姿态四元数其中q0为标部，为矢部；

s2，采用α-β滤波器处理姿态四元数得到参考姿态四元数

s3，由参考姿态四元数计算参考姿态矩阵a，姿态矩阵描述惯性坐标系到星敏感器测量坐标系的转换关系；

s4，根据所述的参考姿态矩阵a计算观测星矢量的误差。

如图2所示，所述的步骤s2中采用的滤波方程：

预测方程：

式中：为k时刻的位置估值；为k时刻的速度估值；

为k时刻的预测估值；为k时刻的预测速度；

z(k)为k时刻的测量位置；t为采样周期；α、β为系统增益，α称为位置增益，β称为速度增益；

所述的测量值z(k)为为姿态四元数的矢部

所述的步骤s3具体包括：

计算参考姿态矩阵a

所述的步骤s4具体包括：

计算第i颗星矢量的误差σi：由i＝1,2,...,n，n为参与姿态解算的星数，计算第i星矢量的误差σi；

为星敏感器测量坐标系下的观测星矢量，为天球坐标系下的参考星矢量。

如图3基于外场观星数据验证结果可得：基于星矢量误差分配权值解算比基于定姿星数分配权值解算，三轴姿态测量精度均有提高。

综上所述，本发明一种基于α-β滤波的星矢量测量误差在轨估计方法，实时计算星矢量权值，优化姿态估计算法，提高姿态测量精度。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。