CN109032161B - 基于四阶龙格库塔方法的小惯量航天器姿态抖动确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于四阶龙格库塔方法的小惯量航天器姿态抖动确定方法,包括以下步骤:S1、建立航天器基于方向余弦矩阵的姿态运动学方程;S2、使用四阶龙格库塔方法对所述姿态运动学方程进行离散,得到方向余弦矩阵的递推方程;S3、使用两种不同类型的传感器,以其中一种类型的传感器的测量数据为主导项,另一种类型的传感器为修正项,通过数据融合算法,对所述递推方程进行修正。本发明的有益效果是:提高了姿态抖动的测量带宽,可以在相对较宽的带宽范围内较为精确地测量小惯量航天器的小角度下的姿态抖动。
Description
技术领域
本发明涉及航天器,尤其涉及一种基于四阶龙格库塔方法的小惯量航天器姿态抖动确定方法。
背景技术
由于各种各样的原因,小型航天器开始变得越来越有影响力。这类航天器拥有比普通航天器更小的惯性,这就使得它们极易受到扰动的影响而产生比大型航天器更为剧烈的姿态抖动。这种程度的抖动对科学仪器来说是不能接受的,因此必须进行补偿。在补偿之前,必须对姿态抖动在较宽的带宽范围内进行测量。
现有的姿态传感器都存在带宽限制的问题,只能在各自的带宽范围内进行测量。
发明内容
为了解决现有技术中的问题,本发明提供了一种基于四阶龙格库塔方法的小惯量航天器姿态抖动确定方法,来解决扩展姿态敏感器测量带宽的问题。
本发明提供了一种基于四阶龙格库塔方法的小惯量航天器姿态抖动确定方法,包括以下步骤:
S1、建立航天器基于方向余弦矩阵的姿态运动学方程;
S2、使用四阶龙格库塔方法对所述姿态运动学方程进行离散,得到方向余弦矩阵的递推方程;
S3、使用两种不同类型的传感器,以其中一种类型的传感器的测量数据为主导项,另一种类型的传感器为修正项,通过数据融合算法,对所述递推方程进行修正。
作为本发明的进一步改进,步骤S1包括:
建立航天器基于方向余弦矩阵的姿态运动学方程如下:
作为本发明的进一步改进,步骤S2包括:
运用四阶龙格库塔方法对式(1)进行离散近似:
其中,K1为n时刻的斜率;K2为n时刻与n+1时刻中点的斜率,通过欧拉法引入K1的值而求得;K3也为n时刻与n+1时刻中点的斜率,通过欧拉法引入K2的值而求得;K4为n+1时刻的斜率;T为传感器的采样时间,由于在数据融合算法中涉及到了两种不同类型的传感器,如果两种不同类型的传感器的采样时间不相同,则取T为两种不同类型的传感器的采样时间的最小公倍数。
作为本发明的进一步改进,步骤S2包括:
通过四阶龙格库塔方法得到的方向余弦矩阵的递推方程为:
其中,Cn+1为n+1时刻的航天器方向余弦矩阵,Cn为n时刻的航天器方向余弦矩阵,为n时刻姿态角速度向量的叉乘矩阵,为n时刻与n+1时刻中点的姿态角速度向量的叉乘矩阵,为n+1时刻姿态角速度向量的叉乘矩阵;与均由传感器所测量的姿态角位移作差分而得到;因为传感器的采样时间为T,所以在n时刻与n+1时刻中点的姿态角速度传感器无法获得,只能用近似,所以有:
将式(4)代入式(3)可得:
作为本发明的进一步改进,步骤S3包括:
当使用角位移传感器与惯性基准单元所测得的数据进行数据融合时,以角位移传感器所测得的数据作为主导项,以惯性基准单元所测得的数据作为低频修正项,令:
其具体表达式如下:
其中ADSθx、ADSθy、ADSθz分别为角位移传感器测量得到的航天器滚转轴、俯仰轴、偏航轴的角位移;而corθx,corθy,corθz则是由闭环控制器产生的低频修正项。
将式(6)代入式(5),可得到进行数据融合后的递推方程:
本发明的有益效果是:提高了姿态抖动的测量带宽,可以在相对较宽的带宽范围内较为精确地测量小惯量航天器的小角度下的姿态抖动。
附图说明
图1是本发明一种基于四阶龙格库塔方法的小惯量航天器姿态抖动确定方法的数据融合算法的原理框图。
图2是发明一种基于四阶龙格库塔方法的小惯量航天器姿态抖动确定方法的数据融合算法的simulink仿真框图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1至图2所示,一种基于四阶龙格库塔方法的小惯量航天器姿态抖动确定方法,包括以下内容:
首先,建立航天器基于方向余弦矩阵的姿态运动学方程如下:
其中,C为航天器的方向余弦矩阵,为方向余弦矩阵对时间的一阶导数,ω×为角速度向量ω=[ωx ωy ωz]T的叉乘矩阵。由于姿态敏感器都存在采样时间,对上述连续方程利用四阶龙格库塔方法进行离散化处理。根据四阶龙格库塔方法,有:
其中,K1为n时刻的斜率;K2为n时刻与n+1时刻中点的斜率,通过欧拉法引入K1的值而求得;K3也为n时刻与n+1时刻中点的斜率,通过欧拉法引入K2的值而求得;K4为n+1时刻的斜率。T为传感器采样时间,由于在本专利提出的数据融合算法中涉及到了两种不同类型的传感器,两传感器采样时间可能会有所不同,这时可以取T为两传感器采样时间的最小公倍数。则通过四阶龙格库塔方法得到的航天器姿态运动学方程的离散形式为:
其中,Cn+1为n+1时刻的航天器方向余弦矩阵,Cn为n时刻的航天器方向余弦矩阵,为n时刻姿态角速度向量的叉乘矩阵,为n时刻与n+1时刻中点时刻的姿态角速度向量的叉乘矩阵,为n+1时刻姿态角速度向量的叉乘矩阵。与均可以由传感器所测量的姿态角位移作差分而得到。由于姿态传感器采样时间T恒定,所以在n时刻与n+1时刻中点时刻的姿态角速度传感器无法直接获得,在这里用近似,所以有:
将式(13)代入式(12)中,可以得到航天器姿态运动学方程的递推形式:
为了拓展姿态传感器的测量带宽,可以使用两种不同带宽的传感器进行数据融合,以一个传感器的数据作为主导项,另一个传感器经过闭环控制器得到的数据作为修正项,其原理框图如图1所示,传感器1为主导项,传感器2为修正项。
例如,当本发明选择角位移传感器(ADS)与惯性基准单元(IRU)作数据融合时,以ADS的数据作为主导项,以IRU的数据作为修正项。在方向余弦矩阵的更新过程中,令
将式(15)代入式(14)中,可得到进行数据融合后的姿态运动学方程的递推算法:
在由数据融合后得到的方向余弦矩阵计算航天器姿态角时,由于我们关心的是姿态抖动问题,姿态抖动往往是很小的,可以适用姿态角的小角度近似。航天器的姿态角可从方向余弦矩阵直接提取出来:
θ=f(C)=[θx θy θz]T (19)
其中,
图2给出利用simulink搭建的计算机仿真程序框图,框图中fcn模块的M代码:
function[x,y,z,c]=fcn(ads0,ads1,ads2,cor0,cor1,cor2,c0)
adsx0=[0 -ads0(3) ads0(2);ads0(3) 0 -ads0(1);-ads0(2) ads0(1) 0];
adsx1=[0 -ads1(3) ads1(2);ads1(3) 0 -ads1(1);-ads1(2) ads1(1) 0];
adsx2=[0 -ads2(3) ads2(2);ads2(3) 0 -ads2(1);-ads2(2) ads2(1) 0];
corx0=[0 -cor0(3) cor0(2);cor0(3) 0 -cor0(1);-cor0(2) cor0(1) 0];
corx1=[0 -cor1(3) cor1(2);cor1(3) 0 -cor1(1);-cor1(2) cor1(1) 0];
corx2=[0 -cor2(3) cor2(2);cor2(3) 0 -cor2(1);-cor2(2) cor2(1) 0];
cx0=[c0(1) c0(2) c0(3);c0(4) c0(5) c0(6);c0(7) c0(8) c0(9)];
fused0=adsx0+corx0;
fused1=adsx1+corx1;
fused2=adsx2+corx2;
err1=fused1-fused0;
err2=fused2-fused1;
cx1=(eye(3)-err1+((err1^2)/3)-((err1^3)/12)+(err2*err1/6)-(err2*(err1^2)/12)+(err2*(err1^3)/24))*cx0;
x=0.5*(cx1(2,3)-cx1(3,2));
y=0.5*(cx1(3,1)-cx1(1,3));
z=0.5*(cx1(1,2)-cx1(2,1));
c=[cx1(1,1);cx1(1,2);cx1(1,3);cx1(2,1);cx1(2,2);cx1(2,3);cx1(3,1);cx1(3,2);cx1(3,3)]。
本发明提供的一种基于四阶龙格库塔方法的小惯量航天器姿态抖动确定方法,针对单个传感器存在测量带宽限制的问题,基于四阶龙格库塔方法设计了两传感器的数据融合算法。本发明的目的在于拓展姿态抖动的测量带宽,从而为抑制姿态抖动打下基础。本发明采用以方向余弦矩阵表示的航天器姿态运动学方程,使用四阶龙格库塔方法进行离散化,并且以一种传感器的测量数据为主导项,另一种传感器的数据为修正项,对离散后的姿态运动学方程进行了处理,得到了数据融合算法的姿态运动学递推方程。以ADS与IRU两种传感器为例,给出了递推方程的具体表达形式。最后通过simulink计算机仿真设计验证了数据融合算法的有效性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于四阶龙格库塔方法的小惯量航天器姿态抖动确定方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、建立航天器基于方向余弦矩阵的姿态运动学方程;
S2、使用四阶龙格库塔方法对所述姿态运动学方程进行离散,得到方向余弦矩阵的递推方程;
S3、使用两种不同类型的传感器,以其中一种类型的传感器的测量数据为主导项,另一种类型的传感器为修正项,通过数据融合算法,对所述递推方程进行修正;
其中,
步骤S1包括:
建立航天器基于方向余弦矩阵的姿态运动学方程如下:
步骤S2包括:
运用四阶龙格库塔方法对式(1)进行离散近似:
其中,K1为n时刻的斜率;K2为n时刻与n+1时刻中点的斜率,通过欧拉法引入K1的值而求得;K3也为n时刻与n+1时刻中点的斜率,通过欧拉法引入K2的值而求得;K4为n+1时刻的斜率;T为传感器的采样时间,由于在数据融合算法中涉及到了两种不同类型的传感器,如果两种不同类型的传感器的采样时间不相同,则取T为两种不同类型的传感器的采样时间的最小公倍数;
步骤S2包括:
通过四阶龙格库塔方法得到的方向余弦矩阵的递推方程为:
其中,Cn+1为n+1时刻的航天器方向余弦矩阵,Cn为n时刻的航天器方向余弦矩阵,为n时刻姿态角速度向量的叉乘矩阵,为n时刻与n+1时刻中点的姿态角速度向量的叉乘矩阵,为n+1时刻姿态角速度向量的叉乘矩阵;与均由传感器所测量的姿态角位移作差分而得到;因为传感器的采样时间为T,所以在n时刻与n+1时刻中点的姿态角速度传感器无法获得,只能用近似,所以有:
将式(4)代入式(3)可得:
步骤S3包括:
当使用角位移传感器与惯性基准单元所测得的数据进行数据融合时,以角位移传感器所测得的数据作为主导项,以惯性基准单元所测得的数据作为低频修正项,令:
其具体表达式如下:
其中ADSθx、ADSθy、ADSθz分别为角位移传感器测量得到的航天器滚转轴、俯仰轴、偏航轴的角位移;而corθx,corθy,corθz则是由闭环控制器产生的低频修正项;
将式(6)代入式(5),可得到进行数据融合后的递推方程:
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