基于陀螺星敏感器的微小卫星姿态确定方法研究

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1、．。．计算机测量黧．咖200＆8·16(5)34CompukrMContro。陌丽·6·easurement＆lI丁工lp-JJJ‘．，l、l文章编号：1671—4598(2008)05—0634一03中圈分类号：TP274文献标识码：A基于陀螺／星敏感器的微小卫星姿态确定方法研究吴廷元，刘建业，郁丰，熊智(南京航空航天大学导航研究中心，江苏南京210016)摘要：在热备份的余度配置陀螺与星敏感器的组合定姿中，典型的三轴正交陀螺与星敏感器姿态确定算法受到限制；现以某微小卫星姿控系统为对象，设计了热备份的四

2、陀螺系统与星敏感器组合定姿方法，数据处理时．利用最／Ix--乘法将四陀螺测量系统构建为一个虚拟三轴正交陀螺，再将虚拟陀螺与星敏感器组成卡尔曼滤波器I该方法和典型的三正交陀螺与星敏感器组合定姿结构相同，实现简单，且在一陀螺发生故障时．能在不改变滤波器结构的情况下实现对故障陀螺的屏蔽；仿真验证了该方法的有效性。关键词：卫星姿态#扩展卡尔曼滤波，最小二乘法；冗余陀螺；虚拟陀螺SatelliteAttitudeDeterminationBasedonRedundantGyroSystemandStarSensor

3、WuTingyuan，LiuJianye，YuFeng，XiongZhi(NUAA，Nanjing210016。China)Abstract：Thispaperanalysesamethodusinggyrosandstarsensortoobtainsatelliteattitudeforaspecificsatellite．Togethighrelia—bility．thissystemusesfourgyros．Usingleastsquaretochange4gyrossystemto3virtu

4、algyrossystem，thenuseextendkalmanfilter(EKF)tofusethedataofvirtualgyrossystemandstarsensor．ThesimulationresultshowsthatthismethodcangiveUShighattitudeaccu—racy．Itstillcangethighaccuracywhenoneofthemdegrades．Keywords：satelliteattitudelextendedkalmanfilter；

5、leastsquarelredundantgyrossystem；virtualgyrosO引言随着航天技术的发展和空间任务的日益复杂，人们对卫星姿态确定精度和可靠性提出了越来越高的要求。采用陀螺和星敏感器组合可以得到高精度姿态信息，同时为了提高系统可靠性，实际运用中常采用陀螺余度配置。对于余度配置陀螺系统，可采用冷备份或热备份方式口-2]。在热备份的余度陀螺配置中，典型的三轴正交陀螺与星敏感器组合定姿方法受到限制，从而要求设计出与余度配置陀螺系统相适应的姿态确定方法。本文针对某微小卫星姿态确定系统进行分

6、析。该系统采用四陀螺配置，在对卫星进行姿态估计时，利用最小二乘法将四陀螺系统构建成三轴虚拟陀螺系统，再将虚拟陀螺与星敏感器组合进行姿态估计。该方法结构简单，和常规的三正交陀螺与星敏感器组合定姿结构相同。仿真结果表明，该方法能成功实现陀螺和星敏感器信息融合，达到高精度姿态要求，且在其中某一陀螺出现故障时，在不改变滤波器结构的情况下能有效实现姿态确定系统的重构。1陀螺与星敏感器测量模型在卫星姿态确定系统中，陀螺输出可以提供高精度的卫星三轴角速度．经积分后可以获得连续姿态，但其存在漂移，星敏感器可以输出高精度姿

7、态，但不能提供连续的姿态信息，陀螺与星敏感器的有效组合可以克服各自的缺点，最终得到高精度的连续的姿态。收稿日期：2007—07—26：修回日期：2007—09—04。作者简介：吴廷元(1983一)．男．四川遂宁人，硕士生．主要从事微小卫星姿态确定技术方向的研究。刘建业(1957一)，男，教授，博士生导师。主要从事惯性技术、卫星定位、组合导航系统等方向的研究．中华测控网chinamca．corn陀螺测量误差主要包括漂移和测量噪声，一般采用如图1所示的测量模型脚，陀螺漂移建立为由自噪声驱动的随机游走。％图1陀

8、螺测量模型其中，魄为陀螺输出角速度，m为真实角速度，6为陀螺漂移，由一白噪声驱动，b(0)为陀螺初始常值偏差，毗为陀螺测量噪声，"lOb为陀螺漂移驱动噪声，毗，砒皆为高斯白噪声。其测量模型可用公式(1)表示。f=+6h㈣星敏感器直接输出三轴姿态角：匠卜豳+医](2)式中，9，0，审分别为滚动角、俯仰角和偏航角。2虚拟陀螺组件构造陀螺采取三正交一斜装的方式，正交陀螺沿三轴安装，斜装陀螺与三轴夹角相等，夹角为0，由四陀螺得到一虚拟