一種基于殘差生成器的最優(yōu)陀螺組合選取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星姿態(tài)確定技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種陀螺儀表在線優(yōu)選的方法，尤其是 涉及一種在備選陀螺組件存在硬件冗余時選取性能最好的三個陀螺參與角速度解算的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 陀螺用于敏感衛(wèi)星的慣性角速度，是衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)中主要的慣性測量部件。 鑒于其重要性，衛(wèi)星上通常會采用冗余配置。目前常用的高精度陀螺為光纖陀螺組件以及 半球諧振陀螺組件，這兩類陀螺組件均采用了三正一斜的冗余構(gòu)型，即使用四個表頭敏感 三軸慣性角速度信息。由于三正一斜陀螺組件的四個陀螺儀表之間存在解析冗余，因此選 用其中的三個即可確定出衛(wèi)星三軸角速度。理想情況下，選用四個陀螺中的任意三個即可 解算出相同的衛(wèi)星三軸角速度，但由于陀螺儀表存在常值漂移、隨機(jī)游走等誤差，因此每個 陀螺儀表的測量值與真值均存在不同程度的偏差。為了達(dá)到高精度姿態(tài)確定的目的，需要 選出偏差相對較小的三個陀螺用于衛(wèi)星三軸角速度解算。
[0003] 根據(jù)國內(nèi)外已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)可知，目前對于三正一斜構(gòu)型的陀螺組件解算衛(wèi)星 三軸角速度方法有：使用最小二乘算法使四個陀螺儀表均參與解算；根據(jù)地面測試結(jié)果選 取固定的三個陀螺儀表參與解算。這些方法均存在一定的局限，比如四個陀螺儀表均參與 解算的方法，雖然充分利用了所有的測量信息，但是由于四個陀螺儀表存在著性能差異，所 以該方案容易使解算出的衛(wèi)星三軸角速度精度偏低；另一種方案中，雖然根據(jù)地面的測試 結(jié)果選擇出了性能最優(yōu)的三個陀螺，但空間環(huán)境與地面的不同以及在發(fā)射入軌階段衛(wèi)星的 震動等因素會使得陀螺性能發(fā)生變化，因此地面的測試結(jié)果不能代表在軌時的實際性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有陀螺組件存在冗余時無法實時選取性能最優(yōu)的陀螺儀表參與解算 衛(wèi)星三軸角速度的問題，本發(fā)明提供了一種基于殘差生成器的最優(yōu)陀螺組合選取方法，通 過構(gòu)造一組殘差生成器的方法實現(xiàn)了在軌實時動態(tài)選擇性能最優(yōu)的陀螺組合，有效地利用 了星上陀螺組件的冗余，可以為姿態(tài)控制系統(tǒng)提供更高精度的角速度信息，并且對于陀螺 故障具有一定的容錯能力。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0006] -種基于殘差生成器的最優(yōu)陀螺組合選取方法，包括如下步驟：
[0007] -、將備選三正一斜陀螺組件中的四個陀螺儀表劃分成四組陀螺組合，每組含有 三個不同的陀螺；
[0008] 二、根據(jù)備選陀螺組件的安裝矩陣，分別利用四組陀螺組合的測量值解算出衛(wèi)星 三軸角速度，得到四組衛(wèi)星三軸角速度；
[0009] 三、將星敏感器提供的三軸姿態(tài)分別與四組陀螺組合解算出的衛(wèi)星三軸角速度構(gòu) 造殘差生成器，共計得到四組姿態(tài)殘差；
[0010] 四、求取每組姿態(tài)殘差的評價函數(shù)，之后將四組評價函數(shù)按照數(shù)值大小排序，最小 的那組即為最優(yōu)陀螺組合。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點和有益效果如下：
[0012] (1)在軌實時動態(tài)選擇，排除掉性能較差或者故障的陀螺，為姿態(tài)確定系統(tǒng)提供了 高精度角速度信息；
[0013] (2)星敏感器為衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)標(biāo)配的測量部件，測量精度通常高于陀螺至少一 個數(shù)量級，因此本方法工程可實現(xiàn)且不增加額外成本；
[0014] (3)星敏感器與陀螺構(gòu)造殘差生成器的算法簡單，星載軟件容易實現(xiàn)，可靠性高。
【附圖說明】
[0015] 圖1為三正一斜構(gòu)型陀螺組件的四個陀螺布局圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0017] 本發(fā)明提供了一種基于殘差生成器的最優(yōu)陀螺組合選取方法，具體實施步驟如 下：
[0018] -、將四個陀螺組件劃分成四組備選陀螺組合：
[0019] 如圖1所示，0nXJnZn為三正一斜構(gòu)型陀螺組件的儀表坐標(biāo)系，該陀螺組件共有四 個陀螺，分別標(biāo)記為陀螺1、陀螺2、陀螺3、陀螺4,其中陀螺1、陀螺2、陀螺3的測量方向分 別與儀表坐標(biāo)系的〇nXn軸、〇nYn軸、〇nZn軸平行，陀螺4的測量方向與儀表坐標(biāo)系的0nXn軸、 〇Λ軸、〇Λ軸的夾角分別為ai、α2、α3，三個夾角均不為〇。
[0020] 二、解算出四組衛(wèi)星三軸角速度：
[0021] 設(shè)備選陀螺組件儀表坐標(biāo)系下三軸角速度分別為ωχη、coyn、ωζη，備選陀螺組件的 四個陀螺測量輸出分別為ω1Νω2、ω3、ω4，則這四組陀螺組合解算出的儀表坐標(biāo)系下的三 軸角速度ωη1、ωη2、ωη3、ωη4分別為：
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026] 設(shè)備選陀螺組件儀表坐標(biāo)系到衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為A，則ωη1、ωη2、ωη3、 ωη4投影至衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的三軸角速度ωbl、《b2、《b3、ωΜ分別為：
[0027] 〇bi=A·ωni(i= 1，2, 3, 4) 〇
[0028] 根據(jù)以上步驟得到了四組衛(wèi)星三軸角速度。
[0029] 三、構(gòu)造殘差生成器，得到四組姿態(tài)殘差：
[0030] 殘差生成器的具體類型不受限制，可以根據(jù)實際情況選取適當(dāng)?shù)臑V波器/觀測 器。這里，我們選取常用的擴(kuò)展卡爾曼濾波方法設(shè)計殘差生成器。
[0031] 根據(jù)上述陀螺組合解算出的衛(wèi)星三軸角速度cob可表示如下：
[0032] ωΒ=ω+b+vg〇
[0033] 上式中，b、vg*別為陀螺的漂移與白噪聲，ω為真實的衛(wèi)星三軸角速度D
[0034] 定義誤差四元數(shù)為星敏感器測量值q與估計四元數(shù)#之間的差值A(chǔ)q，則有：
[0035] q=q?Aq
[0036] 因為Aq為小量，約等于[1，0,0,0]\經(jīng)過公式轉(zhuǎn)換后，可得：
[0037]
[0038]
[0039] 上式中，ΛQq為Δq的矢量部分，Δb為陀螺漂移的估計誤差，心s
[0040] 取狀態(tài)變量為X= [ΔQqT，ΔbT]T，則可得擴(kuò)展卡爾曼濾波器的狀態(tài)方程與觀測方 程為：
[0041 ]
[0042] Δz= [I3X3 03X3]x
[0043] 上式中，I3X3為3維的單位矩陣。上述擴(kuò)展卡爾曼濾波器即可以作為殘差生成器， Az=AQq即為姿態(tài)殘差。
[0044] 分別將四組衛(wèi)星三軸角速度與星敏感器的測量值構(gòu)造殘差生成器，可以得到四個 姿態(tài)殘差，分另ll為Δζ!、Δζ2、Δζ3、Δζ4〇
[0045] 四、確定每組姿態(tài)殘差的評價函數(shù)，選出最優(yōu)的陀螺組合：
[0046] 評價函數(shù)r采用2-范數(shù)的形式，則：
[0047] | |Δz; | |(i= 1，2, 3, 4) 〇
[0048] 將1'1、1'2、1'3、1' 4按照大小排序。若1'1最小，則陀螺組合1為最優(yōu)陀螺組合；若1'2最 小，則陀螺組合2為最優(yōu)陀螺組合；若r3最小，則陀螺組合3為最優(yōu)陀螺組合；若r4最小， 則陀螺組合4為最優(yōu)陀螺組合。
【主權(quán)項】
1. 一種基于殘差生成器的最優(yōu)陀螺組合選取方法，其特征在于所述方法步驟如下： 一、 將備選三正一斜陀螺組件中的四個陀螺儀表劃分成四組陀螺組合，每組含有三個 不同的陀螺； 二、根據(jù)備選陀螺組件的安裝矩陣，分別利用四組陀螺組合的測量值解算出衛(wèi)星三軸 角速度，得到四組衛(wèi)星三軸角速度； 三、 將星敏感器提供的三軸姿態(tài)分別與四組陀螺組合解算出的衛(wèi)星三軸角速度構(gòu)造殘 差生成器，共計得到四組姿態(tài)殘差； 四、 求取每組姿態(tài)殘差的評價函數(shù)，之后將四組評價函數(shù)按照數(shù)值大小排序，最小的那 組即為最優(yōu)陀螺組合。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于殘差生成器的最優(yōu)陀螺組合選取方法，其特征在于所述 構(gòu)造殘差生成器的方法為擴(kuò)展卡爾曼濾波方法。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于殘差生成器的最優(yōu)陀螺組合選取方法，其特征在于所述 評價函數(shù)采用2-范數(shù)的形式。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于殘差生成器的最優(yōu)陀螺組合選取方法，其步驟如下：一、將備選三正一斜陀螺組件中的四個陀螺儀表劃分成四組陀螺組合；二、根據(jù)備選陀螺組件的安裝矩陣，分別利用四組陀螺組合的測量值解算出衛(wèi)星三軸角速度，得到四組衛(wèi)星三軸角速度；三、將星敏感器提供的三軸姿態(tài)分別與四組陀螺組合解算出的衛(wèi)星三軸角速度構(gòu)造殘差生成器，共計得到四組姿態(tài)殘差；四、求取每組姿態(tài)殘差的評價函數(shù)，之后將四組評價函數(shù)按照數(shù)值大小排序，最小的那組即為最優(yōu)陀螺組合。本發(fā)明實現(xiàn)了在軌實時動態(tài)選擇性能最優(yōu)的陀螺組合，有效地利用了星上陀螺組件的冗余，可以為姿態(tài)控制系統(tǒng)提供更高精度的角速度信息，并且對于陀螺故障具有一定的容錯能力。
【IPC分類】G01C21/20, G01C21/18, G01C25/00
【公開號】CN105371852
【申請?zhí)枴緾N201510981619
【發(fā)明人】李利亮, 王振華, 沈毅, 湯文濤
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年3月2日
【申請日】2015年12月24日