基于陀螺和星敏感器的卫星姿态确定算法

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1、第20卷第2期2011年3月航天器工程SPACECRAFTENGINEERINGVoL20No．229基于陀螺和星敏感器的卫星姿态确定算法边志强程卫强薛孝补于永江(上海卫星工程研究所，上海200240)摘要主要研究了基于陀螺和星敏感器配置的卫星姿态确定算法。为保证卫星姿态确定的高精度，利用星敏感器提供的姿态四元教结合扩展卡尔曼滤波，对陀螺漂移进行实时补偿。并利用在轨数据，通过matlab数学仿真，验证了高精度滤波算法的有效性。所设计的滤波器能准确估计陀螺漂移，估计误差优于5．56×10-5(。)／s；姿态估计误差优于0．01。，从而有效抑制了姿态测量噪声。关键词对地观测卫星；陀螺漂移；星敏

2、感器；四元数；姿态确定；卡尔曼滤波中图分类号：V448．22文献标志码：A文章编号：1673-874812011)02-0029-06SatelliteAttitudeDeterminationAlgorithmBasedonGyroandStar-sensorBIANZhiqiangCHENGWeiqiangXUEXiaobuYUYongjiang(ShanghaiInstituteofSatelliteEngineering，Shanghai200240，China)Abstract：Theprocessofsatelliteattitudedeterminationalgorithm

3、basedongyrosandstar-sensorschemeisstudiedinthispaper．Inordertoensurethehighprecisionofthesatelliteattitude，thequaternionofstar-sensorandextendedKalmanfilterareusedforreal—timecompensatingthegyrosbiasandmisalignment．TheavailabilityofhighaccuracyfilteralgorithmisdemonstratedbyMatlabnumericalsimulati

4、onwithsatelliteorbitaldata．Theproposedfiltercanestimatethegyrodriftaccuratelywiththeestimatingerrorlessthan5．56×10—50／sandtheattitudeestimatinger—rorlessthan0．01。。whichmeansattitudemeasurementnoiseisrestrainedeffectively．Keywords：earthobservationsatellite；gyrosbias；starsensor；quaternion；attitudede

5、termina—tion；Kalmanfilter1引言随着对地观测卫星的不断发展，人们对卫星的姿态控制精度和稳定性提出了更高的要求，然而提高姿态控制精度的前提是提高卫星姿态确定的精度。在姿态确定系统中，陀螺是惯性基准，提供最基本的角速度信息，但是由于其本身的缺陷，如漂移误差、测量噪声等将直接影响精度；星敏感器可以使卫星获得很高的三轴姿态精度，但是它不能连续输出，而且易受环境影响Ll{]。为了高精度地确定卫星姿态，将二者组合进行卫星姿态确定是一个很有效的方法。日本和美国联合发射的“热带降雨测量卫星”(TRMM)采用了六维扩展卡尔曼滤波作为备份姿态确定方案，并利用数字太阳敏感器和磁强计测量，

6、以更新姿态和陀螺漂移[4]。美国发射的克莱门汀(Clementine)月球探测器，其姿态确定系统中包括了定增益卡尔曼滤波算法，采用陀螺和星跟踪器进行滤波[5]。但是，利用太阳敏感器、地平仪、磁强计作为姿态基准，精度太低，不能满足卫星高精度定姿需求；定增益卡尔曼滤波算法是一种次优算法限71，滤波器收敛速度不快。本文采用陀螺和星敏感器组合进行定姿。利用收稿日期：2010—08—30；修回日期：2011·02-22作者简介：边志强(1983一)，男，工程师，从事卫星总体技术和卫星姿态确定技术方面研究工作。30航天器工程20卷实时在线的扩展卡尔曼滤波算法(一种最优估计算法)进行卫星姿态确定技术研究

7、，状态变量不限于姿态参数，还可以是定姿所必需的其他变量，如陀螺的常值漂移、随机漂移等。星敏感器提供较高的姿态基准，并对陀螺角速度漂移进行修正，利用扩展卡尔曼滤波进行姿态确定，为星体提供实时的姿态信息。2陀螺的测量模型陀螺模型中考虑陀螺的随机漂移d、常值漂移6和测量噪声‰，有E{％(￡)聆丕(r)}=吒2艿(￡一r)(i=z，Y，z)，以为测量噪声均方差阵，艿(￡)是方差强度。模型如下r卜2]∞g=∞+d+6+ng(1)其