CN107246875B - 一种精密编队任务下星间相对姿态确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密编队任务下星间相对姿态确定方法，包含如下步骤：S1，基于测量维数约束完成发射/接收天线布局配置设计；S2，根据星间测量信息，建立星间相对姿态关系及不依赖于卫星质心的星间相对姿态关系；S3，通过滤波算法计算星间相对状态的实时信息。本发明能够实现复杂条件下在轨实时星间相对姿态确定。

Description

一种精密编队任务下星间相对姿态确定方法

技术领域

本发明特别涉及一种精密编队任务下星间相对姿态确定方法。

背景技术

随着卫星技术的不断发展,越来越多的国家和组织都越来越倾向于利用多颗卫星组成编队卫星系统来实现空间任务目标。因此编队卫星系统控制任务越来越复杂，同时也面临着高控制精度以及自主化等方面压力。

星间相对姿态确定技术是满足精密编队星间姿态协同控制需求，保证编队控制精度的支撑技术。目前，国内外提出的星间相对姿态确定方法主要有3种：

第1种差分法，即由卫星自身携带的姿态敏感器实现单星高精度姿态确定，利用星间通信链路进行信息交互，通过简单的数学差分计算获得星间相对姿态；第2种类GPS法，即采用类GPS敏感器进行星间测量，通过滤波算法实现相对姿态确定；第3种直接法，当编队卫星之间的相对距离比较接近百米量级时，采用视觉敏感器来直接测量确定星间相对姿态。

上述3种方法，差分法本身受制于单星敏感器姿态确定精度，同时数据差分的处理方式会放大测量误差，实现星间姿态确定精度有限；现有的类GPS方法与卫星质心相耦合，星间相对姿态测量精度受制于卫星质心的在轨预估精度，特别的卫星质心的在轨预估非实时性影响星间姿态确定实时性要求。直接法受制于星间距离以及视觉敏感器的视场要求，星间姿态确定精度以及工程实践性有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种精密编队任务下星间相对姿态确定方法，实现复杂条件下在轨实时星间相对姿态确定。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种精密编队任务下星间相对姿态确定方法，其特点是，包含如下步骤：

S1，基于测量维数约束完成发射/接收天线布局配置设计；

S2，根据星间测量信息，建立星间相对姿态关系及不依赖于卫星质心的星间相对姿态关系；

S3，通过滤波算法计算星间相对状态的实时信息。

所述的步骤S1中发射天线和接收天线数量为2个。

所述的步骤S2具体包含：

S2.1，建立不依赖于卫星质心的星间相对姿态状态关系式：

ρ_ij＝R+Mr_2j-r_1i (1)

其中i＝1,2，j＝1,2，R为辅星已知基准点相对于主星已知基准点的位置矢量，ρ_ij为主星第i个发射天线到辅星的第j个接收天线的距离，r_1i为主星第i个发射天线相对主星已知基准点在主星本体坐标系里的位置矢量，r_2j为辅星的第j个接收天线相对辅星已知基准点在辅星本体坐标系里的位置矢量，M为辅星本体坐标系相对于主星本体坐标系的姿态矩阵；

S2.2，设ψ,θ,

为辅星相对主星的星间相对姿态角，则相对姿态状态关系式可表示为：

其中，ω₁，ω₂分别为主星和辅星的姿态角速度，M为辅星体坐标系到主星体坐标系的坐标变换矩阵：

其中c表示cos，s表示sin。

所述的步骤S3中采用EKF滤波器或UKF滤波器计算星间相对状态的实时信息。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、工程可实现性强、精度高目前现有星间姿态确定方法，或者采用直接差分方式扩大噪声，或者依赖质心估计精度，或者依赖视场与星间距离，相对姿态确定精度与应用范围有限，本方法通过优化发射/接收天线布局，建立不依赖质心估计的测量方程，约束少,不引入额外的误差，星间姿态确定精度高。

2、方法适用性与可靠性强编队卫星的星间相对姿态确定全过程清晰，从相关收发天线与基准点的布局与优化到相对姿态确定实时滤波算法，意义明确，无视场、质心在轨估计、星间距离等约束，能够在轨自主实现，能够保证了精密编队任务运行的品质，为星间姿态协同控制提供输入与基础。

3、经济性强本方法相比现有类GPS方法，发射天线与接收天线数量最优，同时不需要诸如光学相机的星间姿态测量敏感器，经济成本低。

附图说明

图1为本发明一种精密编队任务下星间相对姿态确定方法的流程图；

图2为本发明天线布局示意图。

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。

精密编队任务中星间姿态差异直接影响有效载荷工作的精度，同时星间姿态对编队控制精度存在耦合影响，因此精度编队必须进行星间姿态确定。针对这一工程应用问题，本发明提出了一种精密编队任务条件下星间高精度相对姿态确定方法，实现复杂条件下在轨实时星间相对姿态确定。

如图1所示，一种精密编队任务下星间相对姿态确定方法，包含如下步骤：

S1，基于测量维数约束完成发射/接收天线布局配置设计，设计要求为发射天线和接收天线的个数最少；

S2，根据星间测量信息，建立星间相对姿态关系及不依赖于卫星质心的星间相对姿态关系；

S3，通过滤波算法计算星间相对状态的实时信息。

上述的步骤S1中发射天线和接收天线数量为2个。

上述的步骤S2具体包含：

参见图2为本发明天线布局示意图，其中三角形为发射天线，圆形为接收天线，五角星形为卫星本体选定的已知基准点(通常为GNSS接收机天线相位中心)。

S2.1，建立不依赖于卫星质心的星间相对姿态状态关系式：

ρ_ij＝R+Mr_2j-r_1i (1)

其中i＝1,2，j＝1,2，R为辅星已知基准点相对于主星已知基准点的位置矢量，ρ_ij为主星第i个发射天线到辅星的第j个接收天线的距离，r_1i为主星第i个发射天线相对主星已知基准点在主星本体坐标系里的位置矢量，r_2j为辅星的第j个接收天线相对辅星已知基准点在辅星本体坐标系里的位置矢量，M为辅星本体坐标系相对于主星本体坐标系的姿态矩阵；

S2.2，设ψ,θ,

为辅星相对主星的星间相对姿态角，则相对姿态状态关系式可表示为：

其中，ω₁，ω₂分别为主星和辅星的姿态角速度，M为辅星体坐标系到主星体坐标系的坐标变换矩阵：

其中c表示cos，s表示sin。

所述的步骤S3中采用EKF滤波(扩展卡尔曼滤波)或UKF滤波(无迹卡尔曼滤波)计算星间相对状态的实时信息。

综上所述，本发明一种精密编队任务下星间相对姿态确定方法，实现复杂条件下在轨实时星间相对姿态确定。

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。

Claims (3)

1.一种精密编队任务下星间相对姿态确定方法，其特征在于，包含如下步骤：

S1，基于测量维数约束完成发射天线和接收天线的布局配置设计；

S2，根据星间测量信息，建立星间相对姿态关系及不依赖于卫星质心的星间相对姿态关系；

所述的步骤S2具体包含：

S2.1，建立不依赖于卫星质心的星间相对姿态状态关系式：

ρ_ij＝R+Mr_2j-r_1i (1)

其中i＝1,2，j＝1,2，R为辅星已知基准点相对于主星已知基准点的位置矢量，ρ_ij为主星第i个发射天线到辅星的第j个接收天线的距离，r_1i为主星第i个发射天线相对主星已知基准点在主星本体坐标系里的位置矢量，r_2j为辅星的第j个接收天线相对辅星已知基准点在辅星本体坐标系里的位置矢量，M为辅星本体坐标系相对于主星本体坐标系的姿态矩阵；

S2.2，设ψ,θ,

为辅星相对主星的星间相对姿态角，则相对姿态状态关系式可表示为：

其中，ω₁，ω₂分别为主星和辅星的姿态角速度，M为辅星本体坐标系相对于主星本体坐标系的姿态矩阵：

其中c表示cos，s表示sin；

S3，通过滤波算法计算星间相对状态的实时信息。

2.如权利要求1所述的精密编队任务下星间相对姿态确定方法，其特征在于，所述的步骤S1中发射天线和接收天线数量为2个。

3.如权利要求1所述的精密编队任务下星间相对姿态确定方法，其特征在于，所述的步骤S3中采用EKF滤波器或UKF滤波器计算星间相对状态的实时信息。

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