陀螺與星敏感器組合定姿及陀螺漂移估計

王獻忠 張 肖

1.上海航天技術研究院，上海 201109 2.上海航天控制技術研究所，上海 201109 3.空間智能控制技術重點實驗室，上海 201109

陀螺能夠連續輸出衛星相對慣性空間的角速率，對陀螺角速率積分可以確定衛星姿態，但陀螺存在漂移，不能長時間使用；星敏感器能夠直接提供衛星姿態，但可能受月亮、地球和太陽等干擾不能連續輸出姿態，特別是衛星姿態機動期間。

基于星敏感器感器估計陀螺漂移，對陀螺漂移修正后積分輸出衛星姿態，既可以確保姿態輸出的連續性，又可以抑制星敏感器觀測噪聲對姿態確定精度的影響。

一般基于卡爾曼濾波(Kalman)及其擴展型進行星敏感器與陀螺組合定姿研究，參考文獻[1]推導了星敏感器觀測矩陣及誤差四元數狀態方程，使用卡爾曼濾波方法進行星敏感器與陀螺組合定姿研究；文獻[2]基于擴展卡爾曼濾波進行星敏感器與陀螺組合定姿研究，并對陀螺漂移進行實時補償；文獻[3]和[4]利用擴展卡爾曼濾波進行陀螺與星敏感器組合定姿研究；文獻[5]基于擴展卡爾曼濾波進行星敏感器與陀螺組合定姿態研究，采用離線計算次優增益矩陣的方法減少計算量。

也有基于其它濾波算法進行星敏感器與陀螺組合定姿研究，文獻[6]基于改進輔助邊緣粒子濾波(IAMPF) 進行星敏感器與陀螺組合定姿研究，并與UKF進行比對；文獻[7]推導了一種能在線估計過程噪聲和量測噪聲協方差陣的自適應采樣濾波算法，該算法不僅能對姿態確定系統的非線性誤差進行高精度估計，而且估計結果具有較強的魯棒性；文獻[8]將慣導確定的載體相對慣性空間的四元數姿態信息與星敏感器輸出的高精度四元數姿態進行信息融合，實時估計出陀螺漂移及失準角，并對慣導進行在線修正。

基于PI濾波估計陀螺角速率漂移進行星敏感器與陀螺組合定姿算法研究。首先推導了陀螺角速率漂移與姿態偏差四元數之間的關系，在穩態小姿態角變化和小角速率條件下陀螺角速率漂移與姿態偏差四元數滿足線性關系，并基于姿態偏差四元數和PI濾波估計陀螺角速率漂移；接著給出了分別基于J2000慣性系和軌道坐標系的星敏感器與陀螺組合定姿算法和姿態偏差四元數求解算法；最后進行了工程應用方式分析和仿真驗證。

1 基于偏差四元數估計陀螺漂移

1.1 偏差四元數導數與陀螺角速率關系

本文中2個四元數p和q的乘法定義為：

定義姿態偏差四元數如下：

(1)

對式(1)求導可以得到：

(2)

由姿態運動學方程：

(3)

(4)

將式(3)和(4)代入式(2)并推導整理得到：

(5)

考慮衛星姿態偏差為小角度：

(6)

將上式代入式(5)，并整理得：

(7)

其中,

1.2 推導偏差四元數與陀螺角速率漂移關系

(8)

(9)

設陀螺量測噪聲為ng，則星體的真實角速率可表示為：

(10)

將式(10)代入式(7)，并考慮陀螺漂移估計誤差Δb和陀螺量測噪聲ng為小量，忽略高階小量后可得：

(11)

由上式得：

(12)

設ng為白噪聲，由式(8)和(12)得：

(13)

(14)

式(14)積分項為三軸之間的耦合項，穩態控制時角速率和姿態誤差都為小量，忽略高階小量后可得：

(15)

1.3 基于PI濾波估計陀螺角速率漂移

由式(15)可知陀螺漂移和姿態偏差四元數之間存在線性關系，基于PI濾波估計陀螺漂移如下：

(16)

其中,kp為PI濾波估計比例系數;ki為PI濾波估計積分系數；kp和ki為3×3對角陣，可以獨立估計陀螺三軸角速率漂移。

(17)

(18)

(19)

其中,kpx，kpy和kpz為三軸PI濾波估計比例系數，kix，kiy和kiz為三軸PI濾波估計積分系數。

2 星敏感器與陀螺組合定姿

星敏感器與陀螺組合定姿可基于慣性坐標系或軌道坐標系。

2.1 陀螺積分四元數

應用簡化積分算法求得四元數增量dq如下：

(20)

J2000慣性系或軌道系下積分四元數：

qbi/o,k/k-1=qbi/o,k-1?dq

其中，慣性系下組合定姿時qbi/o,k-1即為qbi,k-1，為第k-1步基于星敏感器修正后慣性系下陀螺積分姿態四元數；軌道系下組合定姿時qbi/o,k-1即為qbo,k-1，為第k-1步基于星敏感器修正后軌道系下陀螺積分姿態四元數。

2.1.1 基于慣性坐標系組合定姿

基于式(9)求得的扣除陀螺漂移的角速率，在J2000慣性系下直接積分時在J2000慣性系下直接積分。

2.1.2 基于軌道坐標系組合定姿

基于式(13)求得的扣除陀螺漂移的角速率，再扣除軌道角速率ωoi，在軌道系積分。

2.2 陀螺積分姿態四元數修正

基于星敏感器修正陀螺積分姿態四元數qbi,k如下：

(21)

其中，dQe表示偏差四元數dqe的向量部分，0≤ke≤1為星敏感器修正陀螺積分姿態四元數強度系數。

2.2.1 基于慣性坐標系組合定姿

設星敏感器考慮曝光時差及數據采集延時修正后，扣除安裝矩陣，得J2000慣性系下姿態四元數為qbi,s，求得姿態偏差四元數如下：

(22)

星體相對軌道系姿態四元數qbo,k如下：

qbo,k=qio,k?qbi,k

其中：qio,k為由軌道參數求得的慣性系相對軌道系姿態四元數。

2.2.2 基于軌道坐標系組合定姿

基于星敏感器求得相對軌道系姿態四元數如下：

(23)

得姿態偏差四元數dqe如下：

(24)

2.3 求相對軌道系姿態角

(25)

求得姿態角為：

若a23>0.9999時，φ=arcsin(a23)，θ=0ψ=arctan(a31/-a32)

3 工程應用方式及仿真驗證

3.1 工程應用方式

姿態偏差四元數用于估計陀螺角速率漂移，陀螺角速率測量值扣除陀螺角速率漂移后進行角速率積分和姿態求解，基于陀螺積分求得的姿態用于控制，星敏感器姿態用于估計陀螺漂移和姿態修正，有利于抑制星敏感器觀測噪聲和消除長時間積分累積誤差。

基于J2000慣性系直接積分不受軌道角速率估計誤差影響；軌道角速率估計誤差會影響基于軌道坐標系角速率積分，軌道角速率估計誤差導致陀螺角速率漂移估計值波動，陀螺角速率漂移估計值不能真實反映陀螺漂移狀態，不利于地面上注陀螺漂移修正量。

3.2 仿真驗證

陀螺積分三軸初始姿態誤差為-5°，陀螺三軸角速率常值漂移分別為0.005(°)/s,0.008(°)/s和-0.005(°)/s，隨機漂移0.0005(°)/s。陀螺角速率漂移估計仿真結果如圖1所示，星敏感器與陀螺組合定姿姿態角誤差仿真結果如圖2所示。

圖1 陀螺角速度漂移估計及局部放大曲線

圖2 陀螺與星敏感器組合定姿姿態誤差及局部放大曲線

從仿真結果可以看出：陀螺的常值漂移被準確估計，漂移估計受隨機漂移影響波動，波動幅度不超過加入的隨機漂移幅度； 陀螺積分初始姿態誤差通過自主調整陀螺角速率漂移消除，PI濾波穩定后姿態誤差小于 0.005°。

4 結束語

基于PI濾波估計陀螺角速率漂移，在此基礎上進行星敏感器與陀螺組合定姿算法研究，仿真驗證了組合定姿算法的有效性。本文基于PI濾波估計陀螺漂移的星敏感器與陀螺組合定姿算法簡單，易于工程實現，并已通過在軌考核驗證。