一种测量影响卫星姿态确定系统精度的方法
【专利摘要】本发明公开了一种测量影响卫星姿态确定系统精度的方法。具体过程为：（一）结合EKF姿态确定算法，从数据层、模型层和算法层面得到影响姿态确定精度的各个因素；（二）将影响姿态确定精度的因素作为试验设计的因素，选取试验因素的不同水平，选用正交方法试验；（三）选取试验水平差异较大的几组试验，每次改变一个影响因素，结合EKF姿态确定算法，进行姿态确定仿真计算，记录改变一个影响因素水平后，姿态确定精度变化的百分比，选取阈值百分比进行一次筛选；（四）针对一次筛选时认为影响不显著的因素，从正交试验中选取不同于一次筛选中的试验组，利用EKF姿态确定算法，重新进行姿态确定仿真计算，利用阈值百分比进行二次筛选；（五）经两次筛选，在给定阈值百分比下，确定影响姿态确定精度的主要因素。本发明用于在轨卫星姿态确定领域，为实现对工程应用的主动指导奠定基础。
【专利说明】一种测量影响卫星姿态确定系统精度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及卫星姿态确定系统精度分析方法，具体涉及一种测量影响卫星姿态确定系统精度的方法。
【背景技术】
[0002]卫星姿态确定是根据带有噪声的姿态敏感器的测量值估计卫星相对于某个参考坐标系姿态参数的过程，是卫星姿态控制和卫星应用的重要基础和关键技术。姿态确定系统主要由姿态敏感器和相应的信息处理算法即姿态确定算法组成，姿态确定精度取决于姿态测量敏感器和姿态确定算法的精度。姿态敏感器方面，星敏感器和陀螺组合定姿系统成为现代高精度卫星姿态确定的主要测量手段，而姿态确定算法方面，应用最广泛的滤波算法是Kalman滤波或扩展Kalman滤波及其改进形式。
[0003]当前卫星姿态确定系统精度分析的研究工作集中在提高敏感器姿态测量精度所采取的误差建模、测试标定、误差校准及精度补偿等精度提升技术，以及设计新型的或改进的姿态确定算法以满足不同性能，适应不同工作环境、不同系统模型等。而这些工作的基础就是要分析影响姿态确定精度的各个影响因素，并找到其中的主要影响因素，这不仅有利于后续对各个姿态确定精度影响因素的分析与处理，还可为实现对工程应用的主动指导奠定基础。
[0004]由于影响姿态确定系统精度的主要因素与姿态确定系统精度间的影响关系是客观存在的，不随姿态确定算法的改变而发生变化。不同姿态确定算法最优估计框架相同，只是以不同的策略逼近最优估计，在一定情况下可以相互转化。由于扩展卡尔曼滤波EKF姿态确定算法是应用最为广泛最为成熟的方法，很多非线性系统的估计方法都是对EKF的变型或改进，且EKF有显式表达式，方便进行理论推导，因此，用EKF姿态确定算法来分析和仿真计算影响姿态确定精度的各个因素是合理可行的。
[0005]此外，由于影响卫星姿态确定系统精度的因素众多，常规试验设计将耗费大量时间，并且结果不利于处理。日本统计学家田口玄一提出的正交试验设计是用于多因素试验的一种方法，它是从全面试验中挑选出部分有代表的点进行试验，这些点具有均匀和整齐的特点，可以经过少数试验得到与全面试验基本一致的结果。尤其当试验因素的水平数不多时，正交试验设计具有很大优势。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种基于正交试验的一种测量影响卫星姿态确定系统精度的方法，为提高卫星在轨姿态确定精度提供技术支撑。所述的卫星姿态确定系统为星敏感器和陀螺组合的姿态确定系统。
[0007]本发明具体过程如下:
步骤一:结合EKF姿态确定算法，从数据层、模型层和算法层面全面分析影响卫星姿态确定系统精度的各个因素，得到数据层的影响因素包括:星敏感器测量精度、陀螺测量精度、星敏感器采样频率、卫星转动角速度、陀螺的数据频率；模型层的影响因素包括:星敏感器相对安装误差、星敏感器安装方位、陀螺随机安装误差；算法层的影响因素包括:初始姿态估计精度；
步骤二:将步骤一得到的影响卫星姿态确定系统精度的因素作为试验设计的因素，选取不同的星敏感器测量精度、陀螺测量精度、星敏感器采样频率、陀螺数据频率、卫星转动角速度、星敏感器相对安装误差、星敏感器安装方位、陀螺随机安装误差、初始姿态估计精度作为试验水平，选用正交设计安排试验；
步骤三:选取试验水平差异较大的几组试验，每次改变一个影响因素的水平，利用EKF姿态确定算法，进行仿真计算，记录改变一个影响因素的水平后，卫星姿态确定系统精度变化的百分比，选取阈值百分比进行一次筛选，大于该阈值的认为是对卫星姿态确定系统精度影响显著的因素；
步骤四:针对一次筛选时认为影响不显著的因素，从正交试验设计中选取不同于步骤三中的试验组，并增加该因素的试验水平，利用EKF姿态确定算法，重新进行仿真计算，记录该因素水平变化时卫星姿态确定系统精度变化的百分比，利用阈值百分比进行二次筛选;
步骤五:经两次筛选均认为是对卫星姿态确定系统精度影响显著的因素即为影响卫星姿态确定系统精度的主要因素，包括:星敏感器的测量精度、陀螺测量精度、星敏感器采样频率、星敏感器的相对安装误差、陀螺随机安装误差及星敏感器安装方位。
[0008]所述的卫星姿态确定系统为3个星敏感器和3个陀螺组合的姿态确定系统。
[0009]所述的姿态确定算法为EKF姿态确定算法。
[0010]EKF姿态确定原理
1.卫星姿态确定系统状态方程和测量方程构建
设定卫星姿态确定系统的姿态测量敏感器由三个星敏感器和三个陀螺组合而成。
[0011]三个陀螺各自测量一个方向的角速度，考虑三个陀螺的安装方向与本体系三轴一致，陀螺随机安装误差均为〃，则三个陀螺的实际安装方向与三轴夹角分别为:
【权利要求】
1.一种测量影响卫星姿态确定系统精度的方法，其特征在于，具体过程如下: 步骤一:结合EKF姿态确定算法，从数据层、模型层和算法层面全面分析影响姿态确定精度的各个因素，得到数据层的影响因素包括:星敏感器测量精度、陀螺测量精度、星敏感器采样频率、卫星转动角速度、陀螺的数据频率；模型层的影响因素包括:星敏感器相对安装误差、星敏感器安装方位、陀螺随机安装误差；算法层的影响因素包括:初始姿态估计精度； 步骤二:将步骤一得到的影响姿态确定精度的因素作为试验设计的因素，选取不同的星敏感器测量精度、陀螺测量精度、星敏感器采样频率、陀螺数据频率、卫星转动角速度、星敏感器相对安装误差、星敏感器安装方位、陀螺随机安装误差、初始姿态估计精度作为试验水平，选用正交设计安排试验； 步骤三:选取试验水平差异较大的几组试验，每次改变一个影响因素的水平，利用EKF姿态确定算法，进行仿真计算，记录改变一个影响因素的水平后，姿态确定精度变化的百分比，选取阈值百分比进行一次筛选，大于该阈值的认为是对姿态确定精度影响显著的因素； 步骤四:针对一次筛选时认为影响不显著的因素，从正交试验设计中选取不同于步骤三中的试验组，并增加该因素的试验水平，利用EKF姿态确定算法，重新进行仿真计算，记录该因素水平变化时姿态确定精度变化的百分比，利用阈值百分比进行二次筛选； 步骤五:经两次筛选均认为是对姿态确定精度影响显著的因素即为影响姿态确定精度的主要因素，包括:星敏感器的测量精度、陀螺测量精度、星敏感器采样频率、星敏感器的相对安装误差、陀螺随机安装误差及星敏感器安装方位。
2.根据权利要求1所述的一种测量影响卫星姿态确定系统精度的方法，其特征在于，所述卫星姿态确定系统包括3个星敏感器和3个陀螺。
3.根据权利要求1所述的一种测量影响卫星姿态确定系统精度的方法，其特征在于，所述卫星姿态确定算法采用的是EKF姿态滤波算法；具体包括: (I)卫星姿态确定系统状态方程和测量方程构建 设定卫星姿态确定系统的姿态测量敏感器由三个星敏感器和三个陀螺组合而成， 三个陀螺各自测量一个方向的角速度，考虑三个陀螺的安装方向与本体系三轴一致，陀螺随机安装误差均为〃，则三个陀螺的实际安装方向与三轴夹角分别为:
4.根据权利要求1所述的一种测量影响卫星姿态确定系统精度的方法，其特征在于，所述选取阈值百分比为5%。
【文档编号】G01C25/00GK103983278SQ201410210850
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】王炯琦, 矫媛媛, 周海银, 陈彧赟, 宋立军, 潘晓刚, 何章鸣, 李书兴 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学