连续小推力航天器自主导航及在轨参数标定

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1、。2中国空间科学技术2012年8月篁!!里皇!塞量望呈!竺叁!i!里!呈皇塾!!竺!!望呈!皇些兰丝!墅连续小推力航天器自主导航及在轨参数标定石恒徐世杰(北京航空航天大学，北京100191)摘要以连续小推力航天器为背景，提出了综合考虑星载加速度计和推力器在轨标定的自主导航方案。首先以精确姿态测量和{l力梯度模型寿标定参考信息源，建王了包含加速度计参数、推力器参数以厦光压系数的完整参数测量模型；然后基于天文导航方法建立了自主导航系统状态模型和观测模型}表明各状态和参数的能观性后，采用了具备艮好计算效率和鲁棒性的双重无迹卡尔曼滤波方法进行状态和参数联合

2、估计。分析与数值仿真表明，该方击通过结合参数在轨标定直接提高了导航模型精度，在工程应用中具备可行性和有效性。．关键词双重无迹卡尔曼滤波在轨参数标定参数测量模型连续小推力自主式导航航天器DOI103780／j．issn．1000—758X2012．04．0091引言自主导航是航天器自主运行和控制的基础。对于连续小推力航天器，小推力是除引力之外的最大作只；}力，持续推力作用时间长，对轨道的扰动更强，与姿态捐台更加密切，是影响航天器导航和控制性能的重要因素“o。传统的自主导航方案中主要通过改进滤波算法处理轨道机动推力的不确定性。近年来有学者提出了基于自适

3、应鲁棒滤波的方案”3，采用分段确定衰减因子的无迹号尔曼滤波(UnscentedKalmanFilter，UKF)方法，均旨在减少推力误差对导航估计精度和稳定性的影响⋯。然而要从根本上实现连续推力段的精确自丰导航，仪改进滤波算法是不够的，精确且连续地测定探测器所受的持续推力作用，并在导航计算和轨遭控制中加以考虑，将成为问题解决的关键，也是连续小推力探测器自主导航区别于脉冲推力航天器自主导航最大的特点。持续推力的测定可通过精确的加速度计测量或精确标定推力器实现。一方面，进行精确在轨标定是入轨后提高星载加速度计精度的主要环节。重力卫星要求高精度非保守力溅

4、量，对星载加速度计标定要求最高“1。其中GRACE卫星通过测量伴随旋转的向心如速度来进行加速度计在轨标定，这一方法要求控制卫星绕其3个轴进行特定的转动，且只能标定加速度计相对于质心的安装偏差o]。GOCE采用了相似的方法，但得到的是加速度}

5、组件间的相对标度因子、相对安装误差、相对漂移等参数9“。然而本文的研究目的是获得准确的推力测量，需要首先对加速度计的绝对误差参数进行标定和补偿，因此GRACE和GOCE的加速度计在轨标定方法都不能适用。另一方面，对于轨道推力器标定，解决方案包括基于加速度计、基于压电元件、基于载体运动状态等方法。目前工程应用中主

6、要基于地面精密定轨或星载加速度计的精确测量进行标国家自然科学基金(10802002)资助项目收稿日职：勰{’0130。收修政稿R麓．20lz0327!!!!望!旦主旦至l里型芏蒸查§2定。例如在“嫦娥一号”任务巾．综合利用控前控后精密轨道、轨控过程遥测数据对各轨控发动机和加速度计刻度系数进{?标定的与法，取得了良好的效果。但是该方法需要地l面精密删轨支持，且实现的足星上加速度计的相对标定“。不同于卜述方法，本文重点探索基于加速度计和推力器参数在轨标定的自主导航方案。首先确定标定所需的参考测量信息来源；然后建立包含各误差参数的待标定参数数学模型；再建

7、立自主导航系统状态模型和观测模型；同时为了提高算法效率和误差参数估计的鲁棒似，将采用双重UKF与法进行状态和参数联合估计。2在轨标定可行性讨论为了满足小推力发动机(目前最小推力加速度的量级约10_7m／s2)标定要求，本文设定加速度计标定的精度指标为10_8m／s2量级。下面时论不同标定方案的可行性，2．1基于推力标定的可行性若推力的精度优于加速度计的标定精度需求，则可以使用推力的标称输出来标定加速度计的测量参数。设推进器在航天器本体固连坐标系中的推力矢量为Ft：航天器质量为m．’可精确测定。若仅考虑推力引起的加速度，则推力误差引起的加速度不确定项

8、8n。由推力矢量的不确定项决定．即8a，=t3F．／m。没航天器质量为1000kg，连续推力大小为10mN～100mN量级，为了满足加速度计的标定精度要求，则要求推力不确定度

9、

10、8FrlI≤10pN，即要求推力器大小和方向的综合误差小于0．01％，这在工程上很难做到。’2．2基于姿态测量标定的可行性由于加速度计安装位置与航天器质心不重合，航天器相对于惯性系的转动将在加速度计安装位置处产生向心加速度a。一KIL。其中n为角速度系数矩阵．包含惯性角速度矢量∞各分量的_次项和惯肚角加速度矢量玉的分量；L为加速度计测量点相对于航天器质心的位置矢量，可以通过

11、精确测量及系统标定得到。假定L为0，】m量级，为了满足加速度计10_8m／s2的标定精度需求，要求n中各元素的不确定度不大