一種測(cè)量影響衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種測(cè)量影響衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度的方法。具體過(guò)程為：（一）結(jié)合EKF姿態(tài)確定算法，從數(shù)據(jù)層、模型層和算法層面得到影響姿態(tài)確定精度的各個(gè)因素；（二）將影響姿態(tài)確定精度的因素作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素，選取試驗(yàn)因素的不同水平，選用正交方法試驗(yàn)；（三）選取試驗(yàn)水平差異較大的幾組試驗(yàn)，每次改變一個(gè)影響因素，結(jié)合EKF姿態(tài)確定算法，進(jìn)行姿態(tài)確定仿真計(jì)算，記錄改變一個(gè)影響因素水平后，姿態(tài)確定精度變化的百分比，選取閾值百分比進(jìn)行一次篩選；（四）針對(duì)一次篩選時(shí)認(rèn)為影響不顯著的因素，從正交試驗(yàn)中選取不同于一次篩選中的試驗(yàn)組，利用EKF姿態(tài)確定算法，重新進(jìn)行姿態(tài)確定仿真計(jì)算，利用閾值百分比進(jìn)行二次篩選；（五）經(jīng)兩次篩選，在給定閾值百分比下，確定影響姿態(tài)確定精度的主要因素。本發(fā)明用于在軌衛(wèi)星姿態(tài)確定領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)對(duì)工程應(yīng)用的主動(dòng)指導(dǎo)奠定基礎(chǔ)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種測(cè)量影響衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度分析方法，具體涉及一種測(cè)量影響衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]衛(wèi)星姿態(tài)確定是根據(jù)帶有噪聲的姿態(tài)敏感器的測(cè)量值估計(jì)衛(wèi)星相對(duì)于某個(gè)參考坐標(biāo)系姿態(tài)參數(shù)的過(guò)程，是衛(wèi)星姿態(tài)控制和衛(wèi)星應(yīng)用的重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。姿態(tài)確定系統(tǒng)主要由姿態(tài)敏感器和相應(yīng)的信息處理算法即姿態(tài)確定算法組成，姿態(tài)確定精度取決于姿態(tài)測(cè)量敏感器和姿態(tài)確定算法的精度。姿態(tài)敏感器方面，星敏感器和陀螺組合定姿系統(tǒng)成為現(xiàn)代高精度衛(wèi)星姿態(tài)確定的主要測(cè)量手段，而姿態(tài)確定算法方面，應(yīng)用最廣泛的濾波算法是Kalman濾波或擴(kuò)展Kalman濾波及其改進(jìn)形式。
[0003]當(dāng)前衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度分析的研究工作集中在提高敏感器姿態(tài)測(cè)量精度所采取的誤差建模、測(cè)試標(biāo)定、誤差校準(zhǔn)及精度補(bǔ)償?shù)染忍嵘夹g(shù)，以及設(shè)計(jì)新型的或改進(jìn)的姿態(tài)確定算法以滿足不同性能，適應(yīng)不同工作環(huán)境、不同系統(tǒng)模型等。而這些工作的基礎(chǔ)就是要分析影響姿態(tài)確定精度的各個(gè)影響因素，并找到其中的主要影響因素，這不僅有利于后續(xù)對(duì)各個(gè)姿態(tài)確定精度影響因素的分析與處理，還可為實(shí)現(xiàn)對(duì)工程應(yīng)用的主動(dòng)指導(dǎo)奠定基礎(chǔ)。
[0004]由于影響姿態(tài)確定系統(tǒng)精度的主要因素與姿態(tài)確定系統(tǒng)精度間的影響關(guān)系是客觀存在的，不隨姿態(tài)確定算法的改變而發(fā)生變化。不同姿態(tài)確定算法最優(yōu)估計(jì)框架相同，只是以不同的策略逼近最優(yōu)估計(jì)，在一定情況下可以相互轉(zhuǎn)化。由于擴(kuò)展卡爾曼濾波EKF姿態(tài)確定算法是應(yīng)用最為廣泛最為成熟的方法，很多非線性系統(tǒng)的估計(jì)方法都是對(duì)EKF的變型或改進(jìn)，且EKF有顯式表達(dá)式，方便進(jìn)行理論推導(dǎo)，因此，用EKF姿態(tài)確定算法來(lái)分析和仿真計(jì)算影響姿態(tài)確定精度的各個(gè)因素是合理可行的。
[0005]此外，由于影響衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度的因素眾多，常規(guī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)將耗費(fèi)大量時(shí)間，并且結(jié)果不利于處理。日本統(tǒng)計(jì)學(xué)家田口玄一提出的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是用于多因素試驗(yàn)的一種方法，它是從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些點(diǎn)具有均勻和整齊的特點(diǎn)，可以經(jīng)過(guò)少數(shù)試驗(yàn)得到與全面試驗(yàn)基本一致的結(jié)果。尤其當(dāng)試驗(yàn)因素的水平數(shù)不多時(shí)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)具有很大優(yōu)勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于正交試驗(yàn)的一種測(cè)量影響衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度的方法，為提高衛(wèi)星在軌姿態(tài)確定精度提供技術(shù)支撐。所述的衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)為星敏感器和陀螺組合的姿態(tài)確定系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明具體過(guò)程如下:
步驟一:結(jié)合EKF姿態(tài)確定算法，從數(shù)據(jù)層、模型層和算法層面全面分析影響衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度的各個(gè)因素，得到數(shù)據(jù)層的影響因素包括:星敏感器測(cè)量精度、陀螺測(cè)量精度、星敏感器采樣頻率、衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、陀螺的數(shù)據(jù)頻率；模型層的影響因素包括:星敏感器相對(duì)安裝誤差、星敏感器安裝方位、陀螺隨機(jī)安裝誤差；算法層的影響因素包括:初始姿態(tài)估計(jì)精度；
步驟二:將步驟一得到的影響衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度的因素作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素，選取不同的星敏感器測(cè)量精度、陀螺測(cè)量精度、星敏感器采樣頻率、陀螺數(shù)據(jù)頻率、衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、星敏感器相對(duì)安裝誤差、星敏感器安裝方位、陀螺隨機(jī)安裝誤差、初始姿態(tài)估計(jì)精度作為試驗(yàn)水平，選用正交設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)；
步驟三:選取試驗(yàn)水平差異較大的幾組試驗(yàn)，每次改變一個(gè)影響因素的水平，利用EKF姿態(tài)確定算法，進(jìn)行仿真計(jì)算，記錄改變一個(gè)影響因素的水平后，衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度變化的百分比，選取閾值百分比進(jìn)行一次篩選，大于該閾值的認(rèn)為是對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度影響顯著的因素；
步驟四:針對(duì)一次篩選時(shí)認(rèn)為影響不顯著的因素，從正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中選取不同于步驟三中的試驗(yàn)組，并增加該因素的試驗(yàn)水平，利用EKF姿態(tài)確定算法，重新進(jìn)行仿真計(jì)算，記錄該因素水平變化時(shí)衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度變化的百分比，利用閾值百分比進(jìn)行二次篩選;
步驟五:經(jīng)兩次篩選均認(rèn)為是對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度影響顯著的因素即為影響衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度的主要因素，包括:星敏感器的測(cè)量精度、陀螺測(cè)量精度、星敏感器采樣頻率、星敏感器的相對(duì)安裝誤差、陀螺隨機(jī)安裝誤差及星敏感器安裝方位。
[0008]所述的衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)為3個(gè)星敏感器和3個(gè)陀螺組合的姿態(tài)確定系統(tǒng)。
[0009]所述的姿態(tài)確定算法為EKF姿態(tài)確定算法。
[0010]EKF姿態(tài)確定原理
1.衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)狀態(tài)方程和測(cè)量方程構(gòu)建
設(shè)定衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量敏感器由三個(gè)星敏感器和三個(gè)陀螺組合而成。
[0011]三個(gè)陀螺各自測(cè)量一個(gè)方向的角速度，考慮三個(gè)陀螺的安裝方向與本體系三軸一致，陀螺隨機(jī)安裝誤差均為〃，則三個(gè)陀螺的實(shí)際安裝方向與三軸夾角分別為:
【權(quán)利要求】
1.一種測(cè)量影響衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度的方法，其特征在于，具體過(guò)程如下: 步驟一:結(jié)合EKF姿態(tài)確定算法，從數(shù)據(jù)層、模型層和算法層面全面分析影響姿態(tài)確定精度的各個(gè)因素，得到數(shù)據(jù)層的影響因素包括:星敏感器測(cè)量精度、陀螺測(cè)量精度、星敏感器采樣頻率、衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、陀螺的數(shù)據(jù)頻率；模型層的影響因素包括:星敏感器相對(duì)安裝誤差、星敏感器安裝方位、陀螺隨機(jī)安裝誤差；算法層的影響因素包括:初始姿態(tài)估計(jì)精度； 步驟二:將步驟一得到的影響姿態(tài)確定精度的因素作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素，選取不同的星敏感器測(cè)量精度、陀螺測(cè)量精度、星敏感器采樣頻率、陀螺數(shù)據(jù)頻率、衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、星敏感器相對(duì)安裝誤差、星敏感器安裝方位、陀螺隨機(jī)安裝誤差、初始姿態(tài)估計(jì)精度作為試驗(yàn)水平，選用正交設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)； 步驟三:選取試驗(yàn)水平差異較大的幾組試驗(yàn)，每次改變一個(gè)影響因素的水平，利用EKF姿態(tài)確定算法，進(jìn)行仿真計(jì)算，記錄改變一個(gè)影響因素的水平后，姿態(tài)確定精度變化的百分比，選取閾值百分比進(jìn)行一次篩選，大于該閾值的認(rèn)為是對(duì)姿態(tài)確定精度影響顯著的因素； 步驟四:針對(duì)一次篩選時(shí)認(rèn)為影響不顯著的因素，從正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中選取不同于步驟三中的試驗(yàn)組，并增加該因素的試驗(yàn)水平，利用EKF姿態(tài)確定算法，重新進(jìn)行仿真計(jì)算，記錄該因素水平變化時(shí)姿態(tài)確定精度變化的百分比，利用閾值百分比進(jìn)行二次篩選； 步驟五:經(jīng)兩次篩選均認(rèn)為是對(duì)姿態(tài)確定精度影響顯著的因素即為影響姿態(tài)確定精度的主要因素，包括:星敏感器的測(cè)量精度、陀螺測(cè)量精度、星敏感器采樣頻率、星敏感器的相對(duì)安裝誤差、陀螺隨機(jī)安裝誤差及星敏感器安裝方位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量影響衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度的方法，其特征在于，所述衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)包括3個(gè)星敏感器和3個(gè)陀螺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量影響衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度的方法，其特征在于，所述衛(wèi)星姿態(tài)確定算法采用的是EKF姿態(tài)濾波算法；具體包括: (I)衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)狀態(tài)方程和測(cè)量方程構(gòu)建 設(shè)定衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量敏感器由三個(gè)星敏感器和三個(gè)陀螺組合而成， 三個(gè)陀螺各自測(cè)量一個(gè)方向的角速度，考慮三個(gè)陀螺的安裝方向與本體系三軸一致，陀螺隨機(jī)安裝誤差均為〃，則三個(gè)陀螺的實(shí)際安裝方向與三軸夾角分別為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量影響衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)精度的方法，其特征在于，所述選取閾值百分比為5%。
【文檔編號(hào)】G01C25/00GK103983278SQ201410210850
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月19日
【發(fā)明者】王炯琦, 矯媛媛, 周海銀, 陳彧赟, 宋立軍, 潘曉剛, 何章鳴, 李書(shū)興 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)