一种基于陀螺精确角度关联的星敏感器动态测姿方法

摘要

本发明公开了一种基于陀螺精确角度关联的星敏感器动态测姿方法，属于导航定位领域。在现有技术对星敏感器每个测量曝光帧进行动态补偿处理并得到含有动态误差和噪声影响的恒星匹配矢量矩阵的基础上，通过与星敏感器固联的三个陀螺的组合体精确测量出星敏感器各相邻测量帧之间的变换矩阵，由这种变换矩阵将星敏感器相邻测量帧的匹配矢量矩阵关联起来，最后用一系列的关联测量帧建立一个关联的测量方程，相当于将一系列的测量帧等同于一个单测量帧处理，用最小二乘法求解出姿态矩阵，可有效抑制动态误差和噪声影响，从而得到高精度的运动载体的动态姿态及其变化信息。

主权项

1.一种基于陀螺精确角度关联的星敏感器动态测姿方法，采用由三个相互正交安装的单轴陀螺组成的陀螺组合体以及与所述陀螺组合体固联的星敏感器组成的测姿装置，其特征在于，该方法为：1）对于星敏感器测量的一个星图帧序列1、…、(j-1)、j、(j+1)、…、(j+k)，通过陀螺组合体测量的角度关联矩阵将第(j+1)帧到当前帧(j+k)向前关联到第j帧，即向前关联公式：$\left\{\begin{array}{c}[P_j,P_{j+1},...,P_{j+k}]=C_{\mathrm{ss}}^{\mathrm{ini}}\left(j\right)[(S_j+E_j),(S_{j+1}^j+E_{j+1}^j),...,(S_{j+k}^j+E_{j+k}^j)]\\ S_{j+l}^j=\left(\underset{r=1}{\overset{r=l}{\Pi }}{C}_{j+r}^{j+r-1}\right)S_{j+l}=C_{j+l}^j{S}_{j+l}\\ E_{j+l}^j=\left(\underset{r=1}{\overset{r=l}{\Pi }}{C}_{j+r}^{j+r-1}\right)E_{j+l}=C_{j+l}^j{E}_{j+l},l\in [1,k]\end{array}\right.$或者通过陀螺组合体测量的角度关联矩阵将第j帧到(j+k-1)帧向后关联到当前帧(j+k)，即向后关联公式：$\left\{\begin{array}{c}[P_{j+k},P_{j+k-1},...,P_j]=C_{\mathrm{ss}}^{\mathrm{ini}}(j+k)[(S_{j+k}+E_{j+k}),(S_{j+k-1}^{j+k}+E_{j+k-1}^{j+k}),...,(S_j^{j+k}+E_j^{j+k})]\\ S_j^{j+l}=\left(\underset{r=l}{\overset{r=1}{\Pi }}{C}_{j+r-1}^{j+r}\right)S_j=C_j^{j+l}{S}_j\\ E_j^{j+l}=\left(\underset{r=l}{\overset{r=1}{\Pi }}{C}_{j+r-1}^{j+r}\right)E_j=C_j^{j+l}{E}_j,l\in [1,k]\end{array}\right.$其中：(P_j,S_j)、…、(P_j+k,S_j+k)为星敏感器测量的第j帧、…、第(j+k)帧每帧星图经搜索匹配得到的星图帧中各星点相对于惯性坐标系和星敏感器坐标系中的方向矢量矩阵；E_j、…、E_j+k为星敏感器测量的第j帧、…、第(j+k)帧每帧星图中各星点的误差矢量矩阵；为星敏感器第j帧坐标系到惯性坐标系的变换矩阵，为星敏感器当前帧(j+k)坐标系到惯性坐标系的变换矩阵；为陀螺组合体测量得到的星敏感器第(j+r)帧到第(j+r-1)帧的角度关联矩阵，为星敏感器第(j+r-1)帧到第(j+r)帧的角度关联矩阵，且为星敏感器第(j+l)帧直接关联到第j帧的角度关联矩阵，为第j帧直接关联到第(j+l)帧的角度关联矩阵，且2）根据上述步骤1）中的向前关联公式，利用最小二乘法求解出星敏感器第j帧的最优姿态矩阵将第j帧的最优姿态矩阵与第(j+l)帧到第j帧的角度关联矩阵相乘，即得第(j+l)帧的最优姿态矩阵l∈[1,k]；或者，根据上述步骤1）中的向后关联公式，利用最小二乘法直接求解出星敏感器当前帧(j+k)的最优姿态矩阵将当前帧(j+k)的最优姿态矩阵与第(j+l-1)帧到第(j+k)帧的角度关联矩阵相乘，即得第(j+l-1)帧的最优姿态矩阵${\stackrel{\approx }{C}}_{\mathrm{ss}}^{\mathrm{ini}}(j+l-1)={\stackrel{\approx }{C}}_{\mathrm{ss}}^{\mathrm{ini}}(j+k)C_{j+l-1}^{j+k},$l∈[1,k]；3）利用上述步骤2）得到的星敏感器第(j+l_A)帧的最优姿态矩阵l_A∈[0,k]，计算星敏感器第(j+l_A)帧的姿态角φ_x、φ_y、φ_z：$\left\{\begin{array}{c}{\phi }_x=\arcsin \left[{\stackrel{\approx }{C}}_{\mathrm{ss}}^{\mathrm{ini}}\left(\mathrm{3,2}\right)\right]\\ {\phi }_y=-\arctan [{\stackrel{\approx }{C}}_{\mathrm{ss}}^{\mathrm{ini}}\left(\mathrm{3,1}\right)/{\stackrel{\approx }{C}}_{\mathrm{ss}}^{\mathrm{ini}}\left(\mathrm{3,3}\right)]\\ {\phi }_z=-\arctan [{\stackrel{\approx }{C}}_{\mathrm{ss}}^{\mathrm{ini}}\left(\mathrm{1,2}\right)/{\stackrel{\approx }{C}}_{\mathrm{ss}}^{\mathrm{ini}}\left(\mathrm{2,2}\right)]\end{array}\right.;$其中，均为星敏感器第(j+l_A)帧最优姿态矩阵中的矩阵元素。