多敏感器信息融合技術(shù)在衛(wèi)星姿態(tài)確定中的應(yīng)用

摘 要：衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)是姿態(tài)控制系統(tǒng)的重要組成部分，姿態(tài)確定正確與否，關(guān)系到衛(wèi)星的測(cè)量控制精度和使用壽命，由于各敏感器基準(zhǔn)的不同和產(chǎn)生誤差的機(jī)理不同，必須通過(guò)信息融合技術(shù)、故障檢測(cè)與系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)，將多敏感器的量測(cè)信息構(gòu)成姿態(tài)確定信息融合系統(tǒng)，充分利用量測(cè)信息的同時(shí)利用量測(cè)殘差完成自主故障診斷，來(lái)提高衛(wèi)星定姿精度和可靠性。這對(duì)提高我國(guó)衛(wèi)星的自主生存能力具有重要意義，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：信息融合；陀螺；星敏感器；紅外地敏；太陽(yáng)敏感器

0 引言

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)確定的精度和可靠性的要求也越來(lái)越高。因此，如何利用多個(gè)信息源的融合來(lái)提高衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)的性能，成為近年來(lái)航天控制中十分關(guān)注的重要問(wèn)題[1]。

目前航天器主要利用慣性單元、星敏感器、紅外地敏和太陽(yáng)敏感器進(jìn)行定姿。利用信息融合技術(shù)把這些敏感器的信息進(jìn)行融合，可解算出高精度的姿態(tài)信息。

本文主要針對(duì)陀螺、星敏感器、紅外地敏和太陽(yáng)敏感器的組合導(dǎo)航技術(shù)展開(kāi)研究，并通過(guò)系統(tǒng)仿真對(duì)算法可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)方案

組合導(dǎo)航系統(tǒng)主要是將陀螺、星敏感器、紅外地敏和太陽(yáng)敏感器進(jìn)行信息融合處理，以獲得高精度的導(dǎo)航信息[2]。

陀螺利用慣性敏感元件測(cè)量飛機(jī)相對(duì)慣性空間的角運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在給定的運(yùn)動(dòng)初始條件下，由計(jì)算單元推算出飛機(jī)的姿態(tài)信息。

星敏感器以恒星作為姿態(tài)測(cè)量的參考源，可輸出恒星在星敏感器坐標(biāo)下的矢量方向，為衛(wèi)星的姿態(tài)控制和天文導(dǎo)航提供高精度測(cè)量數(shù)據(jù)。

紅外地敏通過(guò)測(cè)量地球與天空的紅外輻射的差別而獲取航天器姿態(tài)信息，用來(lái)提供衛(wèi)星對(duì)地姿態(tài)偏差。

太陽(yáng)敏感器通過(guò)敏感太陽(yáng)矢量的方位來(lái)確定太陽(yáng)矢量在星體坐標(biāo)中的方位，從而獲取航天器相對(duì)于太陽(yáng)方位信息。

2 信息融合技術(shù)研究

聯(lián)合濾波算法是N A Carlson[3]結(jié)合組合導(dǎo)航研究提出的一種并行兩級(jí)結(jié)構(gòu)的分散濾波方法。聯(lián)合濾波過(guò)程中，首先選取一個(gè)公共參考系統(tǒng)，然后其他每個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)均與參考系統(tǒng)組成一系列子系統(tǒng)，并分別通過(guò)一子濾波器對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行信息融合處理，最終利用一主濾波器將各子系統(tǒng)的輸出信息進(jìn)行綜合處理。

考慮實(shí)際系統(tǒng)模型，著重針對(duì)陀螺、星敏感器、紅外地敏和太陽(yáng)敏感器運(yùn)用聯(lián)合濾波方法進(jìn)行信息融合處理，具體組合算法結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)由3個(gè)子濾波器和1個(gè)主濾波器構(gòu)成，各子濾波器均獨(dú)立工作，主濾波器僅進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

設(shè)全局狀態(tài)估計(jì)為 ，對(duì)應(yīng)協(xié)方差矩陣為Pg ，公共參考系統(tǒng)噪聲協(xié)方差陣為Qg ；主濾波器狀態(tài)估計(jì)為 ，對(duì)應(yīng)協(xié)方差矩陣為Pm ，系統(tǒng)噪聲協(xié)方差陣為Qm ；各子濾波器狀態(tài)估計(jì)為 ，對(duì)應(yīng)協(xié)方差矩陣為Pi ，系統(tǒng)噪聲協(xié)方差陣為Qi （其中，i=1，2，3 ）。

則聯(lián)合濾波中的信息分配原則為：

（1）

式中， 為信息分配因子，其需滿足信息守恒原理：

（2）

聯(lián)合濾波器全局狀態(tài)估計(jì)的最優(yōu)合成算法為：

（3）

3 系統(tǒng)仿真研究與性能分析

仿真時(shí)設(shè)定，陀螺常值漂移為（3，-5-5）°/h ，白噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為0.05°/h ；紅外地敏（GEO擺動(dòng)掃描式）系統(tǒng)誤差0.05° ，隨機(jī)誤差0.03° ；太陽(yáng)敏感器測(cè)量誤差0.05° ；星敏感器測(cè)量誤差9.9″，仿真時(shí)間300s，在此仿真環(huán)境下做100次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)共分兩組，一組采用統(tǒng)一的方差矩陣加權(quán)法進(jìn)行融合，另一組采用聯(lián)合濾波算法進(jìn)行融合，分別進(jìn)行100次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)，仿真時(shí)間都為300s，以驗(yàn)證聯(lián)合濾波算法選擇模塊的性能。然后，在相同的仿真環(huán)境下，利用其他現(xiàn)有的定姿結(jié)構(gòu)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行定姿，通過(guò)對(duì)比以驗(yàn)證本文提出算法的定姿性能。各種定姿系統(tǒng)的精度對(duì)比如表1所示。

通過(guò)表1可以看出，聯(lián)合濾波算法可以有效地提高衛(wèi)星的姿態(tài)確定精度。

4 結(jié)論

本文針對(duì)配置多敏感器的衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了以聯(lián)合濾波器為基礎(chǔ)的高精度衛(wèi)星姿態(tài)信息融合結(jié)構(gòu)，將不同敏感器組合提供的定姿數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而達(dá)到最終融合的全局最優(yōu)。仿真結(jié)果表明，本文提出的組合方案是合理可行的，能夠達(dá)到預(yù)定的精度指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉梅，張雷，武云麗，等. 多敏感器智能信息融合衛(wèi)星定姿新方法[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，43（3）：23-28.

[2] 劉建業(yè)，曾慶化，趙偉等. 導(dǎo)航系統(tǒng)理論與應(yīng)用 [M]. 西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010，10-60.

[3] 孫永榮，吳玲，趙偉，等. 多星座組合導(dǎo)航自適應(yīng)聯(lián)合卡爾曼濾波算法研究[J]. 宇航學(xué)報(bào)，2009，30（5）：1879-1884.

作者簡(jiǎn)介：

劉建，女，江蘇南通人，1986年6月出生，北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，工程師，主要從事衛(wèi)星控制分系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試研究。