寡星條件下的半球諧振陀螺與星敏感器組合姿態測量算法

祁子洋,伊國興,魏振楠,徐澤遠

(哈爾濱工業大學,哈爾濱 150000)

寡星條件下的半球諧振陀螺與星敏感器組合姿態測量算法

祁子洋,伊國興,魏振楠,徐澤遠

(哈爾濱工業大學,哈爾濱 150000)

針對半球諧振陀螺與星敏感器松組合系統在寡星條件下無法正常工作的問題,采用新的星圖識別算法和新的數據融合觀測方程,使星敏感器在觀測到的導航星數量為1或2顆的情況下完成星圖識別,從而能夠完成組合測姿。

半球諧振陀螺； 星敏感器； 寡星條件； 組合測姿

0 引言

半球諧振陀螺是一種新型固體振動陀螺,具有高精度、長壽命、高可靠性的特點,廣泛適用于深空探測、長壽命在軌衛星等領域。但是,由于陀螺具有誤差積累效應,無法滿足長時間姿態測量的精度要求。而星敏感器具有體積小、功耗低、精度高的特點,但卻有在大機動條件下不能提供姿態數據,及無法提供角速度信息的缺點。因此,由半球諧振陀螺與性星敏感器組成的組合姿態測量系統是一種的較為理想的選擇。

1)松組合系統在正常工作時,在星圖匹配和姿態測量過程中,要求星敏感器觀測到的導航星數量不少于3顆。一般情況下,星敏感器能夠觀測到足夠導航星數量的概率為90.4%,在無法觀測到足夠的導航星時,星敏感器無法正常工作,不能夠及時更新觀測數據,導致純慣性測量數據發散,無法滿足相關任務要求[1]。

2)在大動態情況下,星敏感器所能觀測到導航星數量過少,這就導致了星敏感器在星跟蹤模式下無法正常工作,而進入全球識別模式,這就會使得星敏感器的數據更新頻率大大降低[5-6],迫使整個組合系統無法正常工作。

本文將對上述問題進行解決,采用新的星圖識別算法和新的數據融合觀測方程,使星敏感器在觀測到的導航星數量為1或2顆的情況下完成星圖識別,從而能夠完成組合測姿。

1 基于慣性姿態測量系統快速星圖識別

星敏感器和半球諧振陀螺構成緊組合姿態測量系統,其基本原理如圖1所示。星敏感器成像原理如圖2所示。

圖1 緊組合原理Fig.1 Principle of tightly integrated system

圖2 星敏感器成像原理Fig.2 Imaging principle of star sensor

pjos的單位矢量Ssj在osxsyszs系中表示為

(1)

光軸單位矢量Ss0在osxsyszs系投影為

(2)

根據坐標變換原理,矢量Ssj與SIj有如下關系

(3)

(4)

式中：α0、δ0即為星敏感器光軸指向的赤經、赤緯。

(5)

(6)

式中：Δ為判定閾值。

圖3 星圖識別流程圖Fig.3 Flow chart of star identification

2 觀測方程

為簡化問題,式(3)可表示為

(7)

(8)

式中

(9)

(10)

(11)

式中

(12)

又因為

(13)

(14)

因此

(15)

而

(16)

定義向量

(17)

結合星敏感器對αcj、δcj的觀測噪聲特性,式(15)可以整理成如下形式

Zj=HjX+Vj

(18)

如果組合系統的觀測方程表示為如下形式

Z=HX+V

(19)

當觀測到1顆導航星時,式(19)中

Z=Z1H=H1V=V1

(20)

當觀測到2顆導航星時,式(19)中

(21)

當觀測到大于等于3顆導航星時,寫成矩陣形式為

(22)

式中

(23)

由最小二乘法可知

(24)

進一步可得

(25)

從式(25)中即可得到姿態角誤差δα、δβ、δγ的觀測量。其中,ΔS的測量噪聲可以過式(25)傳播后,可以得出相對于δα、δβ、δγ的觀測噪聲。

3 半實物仿真測試

利用三軸仿真轉臺對組合系統性能進行測試。星敏感器初始設置為：光軸指向赤經221.7825°,赤緯24.7077° 。星敏感器初始偏航角300.8792° ,俯仰角-32.9310°,滾轉角-29.8682° 。數據產生地點為北緯31°1′25″,東經119°10′37″,實驗時間21h12m0s～21h22m0s(平時)。其中星敏感器基本參數為,視場20°×16°,CCD像素669×519,數據更新頻率300ms。此時觀測到7顆恒星,其赤經赤緯如表1所示,測試原理框圖如圖4所示,慣性測量系統的誤差特性如圖5所示。

表1 星點赤經赤緯

圖4 測試系統原理Fig.4 Schematic block diagram of test system

在單星、雙星及多星情況下,將第1顆星完成單星情況下組合導航,系統觀測方程為式(19),組合導航姿態輸出結果如圖6所示。在第1、2顆星完成雙星情況下組合導航系統中,系統觀測方程為式(21),組合導航姿態輸出結果如圖7所示。在第1～7顆星組成的導航系統中,系統觀測方程為式(25),組合導航姿態輸出結果如圖8所示。

圖5 慣性姿態測量系統姿態誤差Fig.5 Attitude errors ofinertial attitude measurement system

圖6 單星緊組合系統姿態誤差Fig.6 Attitude errors under one star

圖7 雙星緊組合系統姿態誤差Fig.7 Attitude errors under two stars

圖8 7顆星緊組合系統姿態誤差Fig.8 Attitude errors under seven stars

圖6表明,在單星情況下,星敏感器能夠抑制慣性姿態測量系統偏航角及滾轉角漂移。從圖7可以看出,在雙星情況下,通過組合算法,星敏感器完全抑制了慣性姿態測量系統姿態角漂移。觀測精度比單星情況下的觀測精度有所增加。在圖8中,在觀測到導航星數量為7顆星情況下,系統觀測噪聲大大減小,觀測精度相較于單星和雙星的情況下大大提高。

4 結論

本文實現了半球諧振陀螺與星敏感器組合系統的研制,并通過三軸轉臺對組合系統的性能進行了測試,解決了松組合在觀測到小于3顆的導航星時,無法進行數據融合的問題,提高了系統可靠工作的全天域適應性。

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An Integrated Attitude-measuring Method Based on HRG and Star Sensor under the Condition of Few Navigational Stars

QI Zi-yang, YI Guo-xing, WEI Zhen-nan, XU Ze-yuan

(Harbin Institute of Technology, Harbin 150000, China)

The loose integrated system based on HRG and star sensor fail to work normally under the condition of few stars.In order to solve this problem, a new data fusion using the algorithm of star map recognition is proposed, which can make sure the integrated attitude measurement system can work properly even the number of observed stars is less than 3.

HRG；Star sensor；Condition of few stars；Integrated attitude-measuring

2017-02-02；

2017-02-26

國家自然科學基金(61403095)

祁子洋(1987-),男,博士,主要從事半球諧振陀螺方面的研究。E-mail: qi.ziyanghit@gmail.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.02.004

V249

A

2095-8110(2017)02-0021-05