基于罗德里格斯参数的星敏感器几何线性姿态确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种卫星定位领域的技术，具体是一种基于罗德里格斯参数的星 敏感器几何线性姿态确定方法。
【背景技术】
[0002] 面向轻质化、小型化敏捷卫星对地观测多种扫描模式，提出适应快速机动的几何 线性姿态确定方法，为星体姿态敏捷机动提供精确的测量数据，具有重要的应用价值。姿态 确定是星敏感器数据处理的重要环节，其输出结果直接利用在姿态控制、遥感应用计算中。 目前国际上普遍采用上世纪八十年代提出的四元数估计方法，需要求解迭代求解一元四次 方程的根，计算量较大。因此提出新的快速线性姿态确定方法来解决敏捷机动下的姿态测 量是十分必要的。
[0003] 经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN104020671A公开（公告）日 2014. 09. 03,公开了一种量测干扰下用于飞行器姿态估计的鲁棒递推滤波方法。该技术包 括：采集飞行器运动过程中陀螺与星敏感器的输出数据；建立量测干扰下基于姿态四元数 的飞行器非线性状态空间模型；进行时间更新，求得一步状态预测和预测方差的上界；进 行鲁棒递推滤波量测更新，求得最优的滤波增益，进而求出k+Ι时刻的状态估计值和方差 的上界，将k+Ι时刻的状态估计中四元数部分进行强制的归一化约束；输出姿态四元数及 陀螺漂移的结果，完成姿态估计。该技术采用基于最小方差的鲁棒滤波设计，能够实现在最 小方差意义下最优滤波增益设计，有利用提高系统的姿态估计精度。但该技术无法解决的 技术问题包括：1、该方法基于飞行器运动状态方法来解决姿态估计问题，但并没有从考虑 测量矢量和参考矢量之间的几何关系，以及利用这种关系来建立新的方法以提高姿态估计 精度；2、鲁棒递推滤波方法计算量大，且存在飞行器运动建模不准确、传感器噪声特性难以 获取等问题。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于罗德里格斯参数的星敏感器 几何线性姿态确定方法，可以很好的快速估计载体姿态，并具有形式简单、计算量小、便于 递归扩展等优点，可以满足星敏感器姿态测量数据处理需要。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0006] 本发明基于姿态旋转几何分析，建立参考矢量、方位矢量、姿态参数之间的线性投 影关系，通过优化的误差评估准则获得最小估计误差下的姿态估计结果，并进一步采用预 旋转方法消除计算奇异，获得非奇异的辅助姿态并最终得到星敏感器的最优估计姿态。
[0007] 所述的方位矢量通过采集星敏感器的图像处理信息获得。
[0008] 所述的姿态旋转几何分析是指：根据欧拉旋转理论，姿态余弦矩阵R与旋转轴a、 旋转角 9 之间满足：R(a, Θ ) = cos Θ I3+(l-cos Θ )aaT_sin Θ [ax]，其中：[ax]为旋转轴 a 生成的斜对称矩阵，
【主权项】
1. 一种基于罗德里格斯参数的星敏感器几何线性姿态确定方法，其特征在于，基于姿 态旋转几何分析，建立参考矢量、方位矢量、姿态参数之间的线性投影关系，通过优化的误 差评估准则获得最小估计误差下的姿态估计结果，并进一步采用预旋转方法消除计算奇 异，获得非奇异的辅助姿态并最终得到星敏感器的最优估计姿态。
2. 根据权利要求1所述的基于罗德里格斯参数的星敏感器几何线性姿态确定方法，其 特征是，所述的姿态旋转几何分析是指：根据欧拉旋转理论，姿态余弦矩阵R与旋转轴a、旋 转角 Θ 之间满足：R(a, Θ ) = C0s Θ I3+(l-cos Θ )aaT_sin Θ [ax]，其中：[ax]为旋转轴 a生 成的斜对称矩阵
3. 根据权利要求1所述的基于罗德里格斯参数的星敏感器几何线性姿态确定方法，其 特征是，所述的线性投影关系是指：在观测坐标系中，参考矢量和测量矢量在旋转轴上的投 影相等、姿态罗德里格斯参数g与y轴垂直以及X轴与姿态罗德里格斯参数g的叉乘等于 y轴。
4. 根据权利要求1所述的基于罗德里格斯参数的星敏感器几何线性姿态 确定方法，其特征是，所述的观测坐标系为右手正交坐标系，具体为：对于惯性系 下的参考矢量以及在星敏感器本体系中的测量矢量，即Ir, b}的观测坐标系，其 X = (b + r)/2 X= Il X Il 中：y = (6-i*)/2,坐标轴的长度为y= IIjHI，对应所述的线性投影关系具体是指： z = xxy IU Il aTb = a' /?(?, 0)r =fl1 [cos<9/ + (I - cos沒)"βτ - sin 沒[flx]]f。 =aTr
5. 根据权利要求1所述的基于罗德里格斯参数的星敏感器几何线性姿态确定方法， 其特征是，所述的优化的误差评估准则是指：对于每一组测量Ir i^J及其测量坐标系 Ixi, yi，zj，对应的罗德里格斯参数的误差向量为e,:=[-<以-X ;以加权累计误差为性能函 I n I H 2 数，建立误差评估准则=7Σ4Ι[·<]^-λ||，其中"归一化加权值，满 ^ /'=1 ^ i=l 足Σ:』=ι。
6. 根据权利要求1所述的基于罗德里格斯参数的星敏感器几何线性姿态确定方法，其 特征是，所述的姿态估计结果通过以下方式得到：将优化的误差评估准则整理成关于向量 的二次型函数J = gTMg-2gTz+c，其中
通过求解优化问题，获得线性姿态 确定方程，即求解二次型优化问题min J = gTMg-2gTz+c，其姿态估计结果为左=AT1Z。
7.根据权利要求1所述的基于罗德里格斯参数的星敏感器几何线性姿态确定方法，其 特征是，所述的预旋转方法消除计算奇异，其步骤包括： i) 改进的罗德里格斯参数是一种无奇异姿态描述方式，用6来表示姿态估计值，则有
将上式分子和分母同时乘以矩阵M的行列式γ = detM，则 其中：矩阵M的伴随矩阵；
ii) 采用预旋转方法，维持γ -直在较高的值附近，即选择辅助旋转轴：
并构建辅助参考向量= ^Ori= 并用r，代替ri，就可以计算非奇异的辅助姿态^
iii) 根据辅助姿态if和辅助旋转轴a?，计算最终的最优估计姿态：
【专利摘要】一种基于罗德里格斯参数的星敏感器几何线性姿态确定方法，该方法基于姿态旋转几何分析，建立参考矢量、方位矢量、姿态参数之间的线性投影关系，通过优化的误差评估准则获得最小估计误差下的姿态估计结果，并进一步采用预旋转方法消除计算奇异，从而建立基于罗德里格斯参数的几何线性姿态确定方法。本发明可以很好的快速估计载体姿态，并具有形式简单、计算量小、便于递归扩展等优点，可以满足星敏感器姿态测量数据处理需要。
【IPC分类】G01C21-20
【公开号】CN104833358
【申请号】CN201510240998
【发明人】龚德仁, 叶国宇, 陈吉安, 段登平
【申请人】上海交通大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月13日