一种基于连续星图观测的自旋姿态估计方法

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1、2013年12月第6期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology一种基于连续星图观测的自旋姿态估计方法宁晓琳1’2’3白鑫贝3姜丽伟3(1惯性技术重点实验室，北京100191)(2新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室，北京100191)(3北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191)摘要传统的利用地球敏感器和太阳敏感器作为测量仪器的自旋卫星姿态确定方法存在系统误差和安装误差等，从而导致自旋姿态确定误差较大的问题，文章提出了一种利用星敏感器荻取的连续星图估计卫星自旋姿态参数的新方法。该方法以卫星的自旋轴和旋转角速度作为状态变量，通过星敏

2、感器连续跟踪拍摄的恒星的成像位置作为观测量，利用无迹卡尔曼滤波估计出卫星的自旋姿态参数。仿真结果表明，在星敏感器的精度为3”时，该方法的自旋轴估计精度为o．3448”，自旋角速度估计精度为10-4(。)／s数量级。关键词自旋卫星星图观测无迹卡尔曼滤波星敏感器姿态估计DOI：10．3780／}．issn。1000—758X．2013．06．0071引言自旋稳定模式在早期航天活动中常用于实现卫星的姿态稳定，目前虽然大部分卫星已改为使用三轴稳定模式，但仍有部分气象卫星、通信卫星和科学探测卫星仍然采用自旋稳定模式。此外，卫星利用固体运载火箭进行轨道机动操作时也常用该姿态稳定方式，例如将卫星从近地轨道变

3、轨到地球同步轨道，或将深空探测器从地球停泊轨道变轨到转移轨道等。这种情况要求自旋姿态确定的误差越小越好，因为此刻的姿态误差所导致的轨道误差只能靠后期星上的推进器进行修正，而修正所需燃料的多少直接影响卫星的寿命uj。目前卫星在自旋模式下通常利用太阳敏感器、地球敏感器和地磁敏感器等的测量信息，采用基于参考矢量观测的几何计算方法或滤波方法进行自旋姿态确定心。3]。利用地磁敏感器和太阳敏感器的自旋姿态确定方法精度较低卧。5]，主要用于低成本的小卫星上。通常姿态确定精度较低，而地球敏感器和太阳敏感器均存在系统误差和安装误差，虽然其中部分误差可通过地面标定等手段消除，但由于卫星本身的动力学不平衡、发射时的

4、振动导致的对准误差变化，以及地球红外辐射的不均匀等，使得仍有部分残余误差无法消除，导致姿态确定精度下降。国内外学者针对系统误差进行了大量研究，提出了包括基于卡尔曼滤波技术的系统误差估计和补偿方法[6。]、红外弦宽差分定姿方法[8]、等弦长法[9]，以及控制相关性方法n叩等，这些方法虽然能从一定程度上提高姿态确定的精度，但无法从根本上彻底解决该问题。目前，国外的宽视场星敏感器测量精度已经可达到优于1”，测量频率可达10Hz[n]，因此，利用星敏感器代替地球敏感器进行自旋姿态确定是一种可行的途径。本文提出了一种利用一个光轴与卫星自旋轴平行安装的星敏感器，通过连续跟踪观测恒星的像素位置变化来确定卫星

5、自旋姿态新方法。该方法以卫星的自旋轴和旋转角速度作为状态变量，以星国家自然科学基金(61233005)，航天科技创新基金(10300002012117003)，新世纪优秀人才支持计划(NCET110771)资助项目收稿日期：2013一02—19。收修改稿日期：2013-03—26!!主垦窒囹登堂堇查!!!i笙!!旦敏感器拍摄的恒星像素位置作为观测量，利用无迹卡尔曼滤波(UnscentedKalmanFilter，UKF)估计卫星的自旋姿态参数。该方法的优点在于，一方面仅用一个星敏感器即可实现高精度的自旋姿态确定，方法简单、易于实现；另一方面，该方法的状态量就是卫星的白旋轴指向和自旋角速度，几何

6、意义直观，其估计结果为卫星进行姿态控制提供了方便。2基于连续星图观测的姿态确定方法的基本原理由于恒星距离地球非常遥远，固定安装在卫星上的星敏感器拍摄到的星图主要由卫星的姿态决定而与其所在的位置无关。当卫星绕某一固定轴旋转时，如果在卫星上安装一个光轴与自旋轴平行的星敏感器，则该星敏感器拍摄到的恒星数量和形状均不会随时间发生变化，但每颗星的成像点位置则会以自旋轴方向在星敏感器成像平面上的投影点为中心做圆周运动。图1给出了当卫星以60o)／s的速度旋转时，一个视场为10。×10。的星敏感器在相邻时刻和6S内拍摄的连续星图，“×”表示卫星自旋轴矢量在星敏感器成像平面上的投影，从图1可以明显看出恒星成像

7、点位置与卫星自旋轴指向和旋转角速度之间的变化规律。因此，通过星敏感器对星空进行连续拍摄，并对拍摄得到的星图序列进行实时处理，以获得的恒星像点的位置坐标作为观测量，结合卫星的姿态运动规律进行建模，就可利用滤波方法实时估计卫星的自旋姿态参数。．400．2000200400．f’(b)6s内拍摄的连续星图合成图1星敏感器在相邻时刻和6S内拍摄星图Fig．1Thecombinedstarmapbetwee