一种利用偏航机动的自主导航敏感器系统误差校正方法

摘要

一种利用偏航机动的自主导航敏感器系统误差校正方法，自主导航敏感器通过对地球进行观测得到卫星本体系地心方向矢量和地心距，自主导航敏感器通过对恒星进行观测得到惯性系到卫星本体系的姿态转换矩阵，二者结合得到惯性系下的地心方向和地心距，从而可以确定卫星轨道。本发明方法将自主导航敏感器系统误差扩充为状态变量，以地心方向和地心距作为测量值进行偏差自校准。借鉴惯导系统领域研究较多的动基座对准思想，利用偏航机动来提高导航系统对敏感器系统误差的可观性，从而可以更好地对敏感器系统误差进行估计和补偿。本发明方法操作简单，可以显著提高自主导航精度。

主权项

1.一种利用偏航机动的自主导航敏感器系统误差校正方法，其特征在于实现步骤如下：(1)通过自主导航敏感器对地球和恒星进行观测，得到惯性系下地心方向矢量和地心距自主导航敏感器对地球观测，得到卫星滚动角和俯仰角θ_m，导航敏感器测量存在系统误差分别为和θ_c，则卫星真实滚动角和俯仰角θ分别为θ＝θ_m-θ_c计算得到卫星本体系下地心方向矢量自主导航敏感器对恒星观测，得到惯性系到卫星本体系的姿态转换矩阵从而计算得到惯性系下地心方向矢量$\overrightarrow{u}={\left(C_i^b\right)}^T{\overrightarrow{u}}^b;$由自主导航敏感器测量得到的地球视半径ρ，计算得到卫星到地心的距离r$r=\frac{R_e+h_{\mathrm{co}2}}{{\sin }^{-1}\rho }$其中R_e为地球半径，h_co2为二氧化碳层高度；(2)以卫星位置矢量、卫星速度矢量为状态变量，同时辅以导航敏感器测量存在的系统误差为状态变量，以地心方向矢量和地心距为测量值，进行导航滤波解算，最后得到位置估计值、速度估计值和系统误差估计值，具体如下：(a)状态变量其中r＝[x y z]为卫星的位置矢量，x、y、z分别为X轴、Y轴和Z轴的位置坐标值，$\stackrel{·}{r}=\left[\begin{array}{ccc}{v}_x& v_y& v_z\end{array}\right]$为卫星的速度矢量，v_x、v_y、v_z分别为X轴、Y轴和Z轴的速度坐标值，θ_c为导航敏感器系统误差，状态方程如下：式中μ为地球引力常数，Re为地球半径，J₂为二阶带谐项系数，w_x，x_y，w_z分别为X轴、Y轴和Z轴的系统噪声；(b)将惯性系下地心方向和地心距作为测量值，测量方程为：$Z=h\left(X\right)+v=\left[\begin{array}{c}\overrightarrow{u}\\ r\end{array}\right]+v$其中v为测量噪声，h(X)表示测量方程是状态变量的非线性函数，计算测量值对状态变量的偏导数矩阵为其中$\frac{\partial \overrightarrow{u}}{\partial r}\frac{1}{\left|r\right|}{I}_{3\times 3}-r\frac{r^T}{{\left|r\right|}^3}$$\frac{\partial \overrightarrow{u}}{\partial \stackrel{·}{r}}=0_{3\times 3}$$\frac{\partial r}{\partial r}=\frac{1}{\left|r\right|}{r}^T$$\frac{\partial r}{\partial \stackrel{·}{r}}=0$$\frac{\partial r}{\partial {\theta }_c}=0$I_3×3为3×3维的单位矩阵，0_3×3为3×3维的零矩阵(c)导航滤波算法采用扩展卡尔曼滤波算法，即可实现对敏感器系统误差θ_c的实时估计和校正，从而得到位置估计值、速度估计值和系统误差估计值；(3)在导航滤波解算过程，通过地面指令使卫星进行90度偏航姿态机动，提高位置估计值、速度估计值和系统误差估计值的准确性，从而提高自主导航精度，实现利用偏航机动的自主导航敏感器系统误差校正。