一种基于陀螺漂移估计值的星敏感器周期性故障检测方法

摘要

一种基于陀螺漂移估计值的星敏感器周期性故障检测方法，利用陀螺漂移估计值的谱分析对星敏感器周期性慢变故障进行检测。对于由星敏感器和陀螺构成的卫星姿态确定系统，陀螺漂移估计值是根据星敏感器观测量得到的。当星敏感器观测量中包含具有特定频率的周期性误差信号时，通过卡尔曼滤波获得的陀螺漂移的估计值中也会包含同样频率的周期性误差。因此，星敏感器周期性慢变故障会体现在陀螺漂移的估计值中，可根据陀螺漂移估计值检测星敏感器周期性慢变故障。傅立叶变换法是检测周期信号存在性的有效方法，通过对陀螺漂移估计值进行傅立叶变换，得到其频谱，并对特定谱段的频谱进行监测，可以判断出是否存在星敏感器周期性慢变故障。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于陀螺漂移估计值的星敏感器周期性故障检测方法， 属于卫星姿态控制领域。

背景技术

随着测绘卫星的飞速发展，对卫星姿态确定系统的要求越来越高。卫星 姿态确定系统不仅为卫星控制系统服务，还在有效载荷数据处理中起到至关 重要的作用。为了保障对地观测卫星上的有效载荷获取高精度图像，要求卫 星姿态确定系统能够准确给出卫星姿态信息。

高精度指向卫星广泛采用由星敏感器和陀螺构成的卫星姿态确定系统。 该系统以星敏感器和陀螺作为测量部件，采用卡尔曼滤波算法并结合卫星姿 态运动学方程处理传感器测量信息，实现对卫星姿态误差和陀螺漂移误差的 实时估计，修正利用陀螺观测量递推得到的卫星姿态数据，提供星体的三轴 姿态信息。

星敏感器是用星光方位来确定卫星姿态的精密姿态测量部件，能够根据 多颗恒星矢量的观测数据给出星敏感器光轴矢量在惯性系中的坐标。卫星在 轨运行过程中受太阳照射角度呈现周期性变化趋势，自身结构受热不均匀， 星敏感器及其安装结构会受其影响而产生形变，导致星敏感器测量输出发生 动态偏移。星敏感器周期性慢变故障指的是在轨卫星上的星敏感器受冷热交 变的空间热环境等因素影响而产生的依轨道周期变化的故障，是影响卫星姿 态确定精度的主要因素之一。

实现对星敏感器周期性慢变故障的检测，是对星敏感器周期性慢变故障 作进一步估计和补偿的前提。目前星上缺乏对星敏感器周期性慢变故障进行 检测的手段。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于陀螺漂 移估计值谱分析的星敏感器周期性慢变故障检测方法，实现对星敏感器周期 性慢变故障的检测，为星敏感器周期性慢变故障的进一步估计和补偿奠定技 术基础。

本发明的技术解决方案是：

一种基于陀螺漂移估计值的星敏感器周期性故障检测方法，依托于卫星 上安装的陀螺和星敏感器实现，步骤如下：

(1)通过卡尔曼滤波算法处理时间Time内的陀螺和星敏感器的输出 观测量，获得卫星姿态估计值和陀螺漂移估计值的时间序列；

(2)通过对步骤(1)中得到的陀螺漂移估计值的时间序列进行离散傅 立叶变换，得到陀螺漂移估计值的频谱；

(3)根据步骤(2)中得到的陀螺漂移估计值的频谱产生故障检测残差， 如果故障检测残差超过故障检测阈值时，则星敏感器发生了周期性慢变故 障，如果故障检测残差未超过故障检测阈值，则星敏感器未发生周期性慢变 故障。

所述步骤(1)中的时间Time至少为1个轨道周期。

所述步骤(3)中的故障检测阈值的取值范围为[2×10^-4，4×10^-4]。

所述步骤(3)中根据陀螺漂移估计值产生故障检测残差是通过如下公式 进行：

L_D(i，j)＝ψ_x，i(jω)，

其中，L_D(i，j)表示故障检测残差，ψ_x，i(jω)表示信号频率为jω时陀螺漂移 估计值的频谱，i＝1，2，3，j＝1，2，3，4，5，ω＝2π/T，T表示轨道周期。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

目前星上缺乏对星敏感器慢变故障进行检测的手段。本发明所提方法能 够实现对星敏感器周期性慢变故障的检测，为星敏感器周期性慢变故障的进 一步估计和补偿奠定基础。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为通过卡尔曼滤波算法得到的陀螺漂移估计值；

图3为陀螺漂移估计值的频谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提出一种基于陀螺漂移估计值的星敏感器周期性故 障检测方法，依托于卫星上安装的陀螺和星敏感器实现，步骤如下：

(1)通过卡尔曼滤波算法处理一个观测时段上(时间Time内)的陀 螺和星敏感器的输出观测量，获得卫星姿态估计值和陀螺漂移估计值的时间 序列，时间Time至少为1个轨道周期。

利用卡尔曼滤波算法获得卫星姿态估计值和陀螺漂移估计值的公式如 下所示；

${\hat{x}}_{k|k-1}=F{\hat{x}}_{k-1}$

${\hat{x}}_k={\hat{x}}_{k|k-1}+k(y_k-H{\hat{x}}_{k|k-1})$

其中，表示k时刻状态量的预测值，表示k时刻状态量的估计值，可 写为如下所示的分量形式，

${\hat{x}}_k=\left(\begin{array}{c}\delta \hat{\overrightarrow{q}}\\ \delta \hat{b}\end{array}\right)$

表示卫星姿态误差的估计值，表示陀螺漂移估计值。F表示状态转移矩 阵，其表达式为

$I_{6\times 6}+\left(\begin{array}{cc}\left[\hat{\omega }\times \right]& -\frac{1}{2}{I}_{3\times 3}\\ 0_{3\times 3}& 0_{3\times 3}\end{array}\right){\tau }_0$

τ₀表示滤波周期，表示卫星姿态角速率的估计值，可通过陀 螺观测量得到，和表示的三个分量。矩阵的形式为

$\hat{\omega }\times \left(\begin{array}{ccc}0& {\hat{\omega }}_z& -{\hat{\omega }}_y\\ -{\hat{\omega }}_z& 0& {\hat{\omega }}_x\\ {\hat{\omega }}_y& -{\hat{\omega }}_x& 0\end{array}\right)$

y_k表示k时刻的观测量，可表示为

$y_k=\delta {\overrightarrow{q}}_s$

是根据星敏感器观测量得到的误差四元数，H表示测量 矩阵，其形式为

H＝[I_3×3 0_3×3]

K表示滤波增益阵。滤波增益阵K的计算方法可参见中国宇航出版社1998 年出版的由屠善澄主编的《卫星姿态动力学与控制》一书。卡尔曼滤波算法 的递推计算过程可参考西北工业大学出版社1998出版的由秦永元、张洪钺、 汪叔华编写的《卡尔曼滤波与组合导航原理》一书。

(2)通过对步骤(1)中得到的陀螺漂移估计值的时间序列进行离散傅 立叶变换，得到陀螺漂移估计值的频谱，即根据以下公式计算陀螺漂移估计 值的频谱：

${\psi }_{x,l}\left(f\right)=\mathrm{DFT}\left({\hat{x}}_{l+3,l:k}\right)$

其中，ψ_x，l(f)表示陀螺漂移估计值的频谱，l＝1，2，3，f表示信号频率，表 示陀螺漂移估计值的时间序列，即

${\hat{x}}_{l+\mathrm{3,1}:k}=\left(\begin{array}{cccc}{\hat{x}}_{l+\mathrm{3,1}}& {\hat{x}}_{l+\mathrm{3,2}}& ···& {\hat{x}}_{l+3,k}\end{array}\right)$

表示状态量的估计值的第l+3个分量，表示对时间序列的离散傅立叶变换。

(3)根据陀螺漂移估计值的频谱产生故障检测残差，故障检测残差产 生如下式所示：

L_D(i，j)＝ψ_x，i(jω)

其中，L_D(i，j)表示故障检测残差，Ψ_x，i(jω)表示信号频率为jω时陀螺漂移估计 值的频谱，i＝1，2，3，j＝1，2，3，4，5，ω＝2π/T，T表示轨道周期。监测故障检 测残差，如果任意一个故障检测残差超过某个事先给定的故障检测阈值时， 则判断星敏感器发生周期性慢变故障，如果故障检测残差均未超过故障检测 阈值，则判断星敏感器未发生周期性慢变故障，具体方式如下：如果 L_D(i，j)≥T_D，则判断星敏感器发生周期性慢变故障，其中，T_D表示事先给定 的故障检测阈值。TD的取值范围为[2×10^-4，4×10^-4]。

下面，以对地定向的三轴稳定卫星姿态确定系统为诊断对象，通过仿真 实例验证本发明所述方法的有效性。设陀螺随机漂移为0.02°/h，星敏感器 测量噪声方差为1″，星敏感器周期性慢变故障幅值为0.5″。仿真过程中，取 滤波周期为1s。仿真时间(即陀螺漂移估计值时间序列的长度)为5个轨 道周期。

通过卡尔曼滤波得到的陀螺漂移估计值如图2所示，从上到下依次对应 x轴、y轴和z轴三个陀螺的漂移估计值。纵坐标表示陀螺漂移估计值的大 小，单位为″/s，横坐标表示时间，单位为轨道周期。从图中很难直接判断时 间序列中是否存在周期信号。

接下来，通过离散傅立叶变换得到陀螺漂移估计值的频谱，如图3所示， 图中横坐标为ω的倍数。显然，在频率为2ω和4ω处，陀螺漂移估计值的频 谱存在显著的尖峰。采用本发明所述方法，根据陀螺漂移估计值的频谱产生 故障检测残差，设置故障检测阈值T_D＝4×10^-4，将故障检测残差与故障 检测阈值相比较可以判断出星敏感器存在周期性慢变故障。

仿真结果表明，本发明提出的基于陀螺漂移估计值谱分析的星敏感器周 期性慢变故障检测方法能够实现对星敏感器周期性慢变故障的检测。本发明 的主要技术内容可应用于高分辨率对地观测卫星的姿态确定系统故障诊断。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技 术。