一种仅用角度信息的GEO轨道卫星自主控制方法

摘要

本发明提供了一种仅用角度信息的GEO轨道卫星自主控制方法，步骤：修正星敏感器、红外地球敏感器的在轨偏差；计算地心单位矢量在惯性赤道坐标系中的投影；计算当前卫星与理想定点之间的经纬度偏差，将结果作为滤波观测量。将C_W方程作为系统方程，利用卡尔曼递推办法估计出卫星的赤经赤纬；利用结果将确定卫星当前姿态控制的基准坐标系。再次利用星敏感器信息，计算卫星的姿态偏差，作为系统控制输入。重复上述步骤，实现卫星的自主连续导航和自主姿态控制。本发明仅通过星上敏感器观测，进行航天器位置自主星上解算和自主姿态控制，解决因无法全球布设测控网络和测控成本高的问题，从而实现卫星的自主运行，提高卫星的生存力。

主权项

一种仅用角度信息的GEO轨道卫星自主控制方法，其特征在于包括如下步骤：①修正星敏感器、红外地球敏感器的在轨偏差；②利用红外地球敏感器确定的地心方向单位矢量在卫星本体坐标系下的投影，结合通过星敏感器测量信息，计算得到的卫星本体坐标系与惯性赤道坐标系之间转换关系，计算地心方向单位矢量在惯性赤道坐标系中的投影；③利用地心方向单位矢量在惯性赤道坐标系中的投影，计算卫星的赤经赤纬，结合星上时间，计算当前卫星与理想定点之间的经纬度偏差，将结果作为滤波观测量；④将C_W方程作为系统方程，利用卡尔曼递推办法估计出卫星的赤经赤纬；利用结果确定卫星当前姿态控制的基准坐标系；⑤再次利用星敏感器信息，计算卫星的姿态偏差，作为系统控制输入；⑥重复上述步骤，实现卫星的自主连续导航和自主姿态控制；所述步骤④中，利用基于C_W方程的卡尔曼滤波进行赤经赤纬计算，过程如下：线性动力学线性化即计算Φ阵：$\Phi =\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& T& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& T& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& T\\ 3n^2·T& 0& 0& 1& 2nT& 0\\ 0& 0& 0& -2nT& 1& 0\\ 0& 0& -n^{2}T& 0& 0& 1\end{array}\right]$式中：n为地球自转角速度；T为滤波周期，根据星载计算机周期确定；一步预测值计算：计算一步预测值，取$X=\left[\begin{array}{cccccc}\Delta \gamma & \Delta \alpha & \Delta \delta & \Delta \stackrel{·}{\gamma }& \Delta \stackrel{·}{\alpha }& \Delta \stackrel{·}{\delta }\end{array}\right]:$X_k+1/k＝ΦX_k式中：X_k+1/k为一步预测值；X_k为当前时刻状态值；以卫星在惯性赤道坐标系的经纬度偏差Δα,Δδ作为观测量z，建立观测方程：z＝HX_k+v_kv_k为经纬度测量误差的总和；其中$H=\left[\begin{array}{cccccc}0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0\end{array}\right];$卡尔曼滤波计算公式如下：$P_{k+1/k}={\Phi }_{k+1,k}{P}_{k/k}{\Phi }_{k+1,k}^T+Q_k$$K_{k+1}=P_{k+1/k}{H}_{k+1}^T{(H_{k+1}{P}_{k+1/k}{H}_{k+1}^T+R_{k+1})}^{-1}$${\hat{X}}_{k+1/k+1}={\hat{X}}_{k+1/k}+K_{k+1}(Z_{k+1}-h({\hat{X}}_{k+1/k}\left)\right)$$\begin{array}{c}{P}_{k+1/k+1}=(I-K_{k+1}{H}_{k+1})P_{k+1/k}{(I-K_{k+1}{H}_{k+1})}^T\\ +K_{k+1}{R}_{k+1}{K}_{k+1}^T\end{array}$式中：Φ_k+1,k为t时刻的一步转移矩阵，H_k为量测矩阵；K_k+1为滤波增益；P_k+1/k为一步预测均方误差；P_k+1/k+1为估计均方误差；经过滤波得到连续稳定的卫星经纬度偏差Δα,Δδ，计算卫星赤经赤纬：α＝Δα+g₀+ω_etδ＝Δδ；所述步骤④中，利用卫星的赤经赤纬建立卫星姿态控制基准，从惯性赤道坐标系到东南地坐标系的转换关系如下：A_ei＝R_x(‑δ′‑π/2)R_z(α′+π/2)其中$R_x(-{\delta }^{\prime }-\pi /2)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& cos(-{\delta }^{\prime }-\pi /2)& sin(-{\delta }^{\prime }-\pi /2)\\ 0& -sin(-{\delta }^{\prime }-\pi /2)& \cos (-{\delta }^{\prime }-\pi /2)\end{array}\right];$$R_z\left({\alpha }^{\prime }+\pi /2\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left({\alpha }^{\prime }+\pi /2\right)& \sin \left({\alpha }^{\prime }+\pi /2\right)& 0\\ -\sin \left({\alpha }^{\prime }+\pi /2\right)& \cos \left({\alpha }^{\prime }+\pi /2\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$R_x(‑δ′‑π/2)表示绕着X轴旋转(‑δ′‑π/2)角的坐标转换矩阵；R_z(α′+π/2)表示绕着Z轴旋转(α′+π/2)角的坐标转换矩阵。