本發(fā)明涉及一種一體化自適應(yīng)納衛(wèi)星姿態(tài)確定的方法，屬于納衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：Zadeh于1965年提出了模糊集的概念，建立了模糊集合理論，使得模糊邏輯理論有了飛躍性的發(fā)展，并得到了廣泛的應(yīng)用。模糊決策能夠避開對象的數(shù)學建模，它能夠從人們對于某個問題的經(jīng)驗中總結(jié)出知識，提煉出控制規(guī)則。模糊決策的出發(fā)點是相關(guān)專家的經(jīng)驗，使用語言方法，這使得干擾和和參數(shù)變化對于決策結(jié)果的影響被大大削弱，適用于非線性、時變以及純滯后的數(shù)學模型。在衛(wèi)星的實際姿態(tài)確定工作中，對于姿態(tài)敏感器如何選擇，常遇到許多界限不清的情況，需要在很多條件不確定的情況下解決姿態(tài)敏感器的選擇與組合的問題，這時候如果追求數(shù)學上的嚴謹與精密，不但會阻礙姿態(tài)確定系統(tǒng)的正常工作，而且有可能在某些特定的情況下做出錯誤的決策，從而影響姿態(tài)確定系統(tǒng)乃整個衛(wèi)星的壽命。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種一體化自適應(yīng)的納衛(wèi)星的姿態(tài)確定方法，能夠在納衛(wèi)星運行的時候根據(jù)外界環(huán)境以及衛(wèi)星自身參數(shù)進行敏感器的選擇與組合，從基礎(chǔ)層面上改善了納衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)的品質(zhì)。主要針對低軌道上面運行的中等姿態(tài)精度要求的納衛(wèi)星。在進行姿態(tài)敏感器選擇的過程中，通過使用模糊決策的方式，對姿態(tài)敏感器進行選擇，不需要進行實際的數(shù)學建模，降低了方法的復(fù)雜度，提高了姿態(tài)確定系統(tǒng)對于空間不確定因素的適應(yīng)性。本發(fā)明的技術(shù)解決方案：這種一體化自適應(yīng)的納衛(wèi)星姿態(tài)確定方法，包含以下兩個方面：一：對冗余的星載敏感器的選擇與組合，利用模糊決策的方式，將各個敏感器在論域上的確定量轉(zhuǎn)換成基礎(chǔ)變量論域上的模糊集，即將確定量進行模糊化。然后根據(jù)專家經(jīng)驗生成的模糊規(guī)則庫，參考當前的空間環(huán)境與任務(wù)要求，選擇相應(yīng)的姿態(tài)敏感器，最后對模糊量進行清晰化的處理，即當條件符合臨界狀態(tài)時的取舍策略。二：當選出適合的姿態(tài)敏感器之后，通過姿態(tài)確定系統(tǒng)輸出衛(wèi)星的姿態(tài)結(jié)果。由于是多種敏感器聯(lián)合測姿，則需要將多種敏感器的數(shù)據(jù)進行融合。根據(jù)不同敏感器精度的級別，選擇相應(yīng)敏感器對于系統(tǒng)的貢獻值，輸出融合的敏感器姿態(tài)信息，然后使用擴展卡爾曼濾波算法對姿態(tài)確定系統(tǒng)的輸出精度進行濾波，使得姿態(tài)確定系統(tǒng)的精度進一步的提高。本發(fā)明具體實現(xiàn)如下：(1)首先納衛(wèi)星對自身所處的空間環(huán)境進行感知，得到空間環(huán)境信息，并且依據(jù)空間環(huán)境信息得到相應(yīng)的限制條件，然后納衛(wèi)星統(tǒng)計星上的姿態(tài)敏感器的種類和數(shù)量，了解當前納衛(wèi)星有哪些姿態(tài)敏感器可以用，如果納衛(wèi)星上沒有可選擇的姿態(tài)敏感器，姿態(tài)確定工作結(jié)束；如果納衛(wèi)星上面搭載了多種姿態(tài)敏感器，進行步驟(2)；(2)根據(jù)空間環(huán)境，采用模糊決策方法，對納衛(wèi)星上的姿態(tài)敏感器進行選擇，得到姿態(tài)敏感器組合方案，將再姿態(tài)敏感器組合方案的數(shù)據(jù)進行融合，得到姿態(tài)確定系統(tǒng)，通過姿態(tài)確定系統(tǒng)輸出衛(wèi)星的姿態(tài)結(jié)果。所述多種姿態(tài)敏感器包括太陽敏感器、地球敏感器、恒星敏感器、射頻敏感器、陀螺儀、加速度計、磁強計和GPS。當然上述多種姿態(tài)敏感器還可以根據(jù)環(huán)境需要進行擴展，例如可以是其它光學敏感器，月球敏感器和行星敏感器等；所述(2)根據(jù)空間環(huán)境，采用模糊決策方法，對納衛(wèi)星上的姿態(tài)敏感器進行選擇的過程為：將各個姿態(tài)敏感器在論域上的確定量轉(zhuǎn)換成基礎(chǔ)變量論域上的模糊集，即將確定量進行模糊化，通過模糊控制器選擇合適的姿態(tài)敏感器并組合成相應(yīng)的姿態(tài)確定系統(tǒng)；最后，得到了不同空間環(huán)境條件下的姿態(tài)敏感器組合方案，對模糊量進行清晰化處理，如果處于臨界狀態(tài)，則選擇消耗星上資源較小的姿態(tài)敏感器組合方案。將確定量進行模糊化時，把各個姿態(tài)敏感器的輸出數(shù)據(jù)離散化，對各個姿態(tài)敏感器的輸出量按照線性化的方法進行尺度變換；然后確定線性表示的各個量的隸屬度，隸屬函數(shù)的選擇直接影響著系統(tǒng)的性能；對于本發(fā)明而言，所有敏感器的輸出值都是系統(tǒng)的輸入值，在輸入之前將他們進行線性組合，然后由通過專家經(jīng)驗得到的模糊規(guī)則庫對不同場景進行選擇。所述步驟(2)中，將多種姿態(tài)敏感器的數(shù)據(jù)進行融合時，根據(jù)不同姿態(tài)敏感器精度的級別，選擇相應(yīng)姿態(tài)敏感器的貢獻值，即重要程度，輸出融合的姿態(tài)信息，然后使用擴展卡爾曼濾波算法對姿態(tài)確定系統(tǒng)的輸出精度進行濾波，使得姿態(tài)確定系統(tǒng)的精度進一步的提高。所述姿態(tài)敏感器的貢獻值選擇是：某種類型的姿態(tài)敏感器在姿態(tài)確定系統(tǒng)中的輸出值重要程度，確定為其精度倒數(shù)所占精度倒數(shù)和的百分比ci，即：ci=1diΣi=1n1di]]>其中di表示姿態(tài)敏感器的精度,n為正整數(shù)，表示姿態(tài)敏感器的個數(shù)。對于同一精度級別的姿態(tài)敏感器，如果有多個姿態(tài)敏感器都符合當前的篩選條件，則選擇運算量低，耗電量小的姿態(tài)敏感器，組合成為姿態(tài)確定系統(tǒng)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：(1)一體化的姿態(tài)確定方法的設(shè)計。本發(fā)明集合了所有當前衛(wèi)星可用的姿態(tài)敏感器，由納衛(wèi)星統(tǒng)一進行管理，通過不同的環(huán)境信息，選擇合適的姿態(tài)敏感器從而完成姿態(tài)確定任務(wù)，這種方式具思路先進，是未來納衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢。(2)自適應(yīng)的姿態(tài)敏感器的選擇。通過這種方式，納衛(wèi)星的姿態(tài)確定系統(tǒng)能夠根據(jù)外界的環(huán)境及時迅速的做出反應(yīng)，根據(jù)專家經(jīng)驗生成的模糊語言規(guī)則庫進行選擇。這樣做避免了復(fù)雜的數(shù)學建模，在臨界區(qū)域內(nèi)也能夠根據(jù)專家經(jīng)驗做出合適的選擇，提高了系統(tǒng)的魯棒性，最大程度上的節(jié)約了系統(tǒng)的資源。(3)通過擴展卡爾曼濾波算法，使得姿態(tài)確定系統(tǒng)的輸出精度得到進一步的提高。擴展卡爾曼濾波算法對于解決非線性問題方面有著顯著的優(yōu)勢，簡化了非線性問題的運算量，其對于計算資源的需求接近于線性問題。附圖說明圖1為一體化自適應(yīng)的納衛(wèi)星姿態(tài)確定方法流程圖；圖2為模糊決策器；圖3為語言規(guī)則庫判斷規(guī)則；圖4為擴展卡爾曼濾波算法。具體實施方式下面結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明的具體實施方式做詳細描述。一體化自適應(yīng)納衛(wèi)星姿態(tài)確定的方法，給出了一種滿足低軌道衛(wèi)星中等精度要求下的姿態(tài)確定方案，該方案能夠根據(jù)外界環(huán)境、衛(wèi)星自身的條件以及衛(wèi)星姿態(tài)解算的要求，自主選擇姿態(tài)敏感器組合成為多敏感器姿態(tài)確定系統(tǒng)，然后通過擴展卡爾曼濾波算法對姿態(tài)確定系統(tǒng)的結(jié)果精度進行進一步的提高。一體化自適應(yīng)的納衛(wèi)星姿態(tài)確定方法，集成了多種衛(wèi)星姿態(tài)敏感器，其中包括：地球敏感器、太陽敏感器、恒星敏感器、射頻敏感器、陀螺儀、磁力計、加速度計和GPS。其中，地球敏感器、太陽敏感器、恒星敏感器、射頻敏感器、陀螺儀、磁力計可以單獨使用完成姿態(tài)確定任務(wù)，加速度計和GPS不能單獨使用完成姿態(tài)確定任務(wù)。但是對于納衛(wèi)星來說，地球敏感器和恒星敏感器由于體積較大，現(xiàn)階段在體積小巧的納衛(wèi)星上面搭載使用需要克服體積帶來的問題，因此使用的情況較少；射頻敏感器確定航天器姿態(tài)的原理是基于對航天器天線軸與無線電波瞄準線之間夾角的測量，受到天線基線長度和地面站分布的雙重影響，因此，射頻敏感器在現(xiàn)階段也不適合體積小巧的敏感器。但是，隨著微電子技術(shù)以及航天姿態(tài)敏感器技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)階段不適用于納衛(wèi)星的姿態(tài)敏感器也會在未來的某一天達到納衛(wèi)星的使用要求，使用本方法時，假設(shè)在航天領(lǐng)域常見的姿態(tài)敏感器都能夠在納衛(wèi)星中搭載使用，同時姿態(tài)敏感器的姿態(tài)感知精度同現(xiàn)階段的姿態(tài)敏感器的精度一致。圖1展示的是一體化自適應(yīng)的納衛(wèi)星姿態(tài)確定方法流程圖，下邊針對本發(fā)明的主要方面進行詳細介紹。首先納衛(wèi)星對自身所處的空間環(huán)境進行感知，得到空間環(huán)境信息，并且依據(jù)空間環(huán)境信息得到相應(yīng)的限制條件。然后納衛(wèi)星統(tǒng)計星上姿態(tài)敏感器的種類和數(shù)量，了解當前衛(wèi)星有哪些敏感器可以用。如果星上沒有相應(yīng)的姿態(tài)敏感器，那么姿態(tài)確定系統(tǒng)的工作結(jié)束。如果納衛(wèi)星上面搭載了多種姿態(tài)敏感器，進行下一步。這一步中，姿態(tài)確定系統(tǒng)根據(jù)空間環(huán)境，采用模糊決策方法，對姿態(tài)敏感器進行選擇。使用模糊決策方法，姿態(tài)確定系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點：(1)當各種敏感器的使用在某一臨界區(qū)域內(nèi)是重疊的，使用模糊策略避免了復(fù)雜的邊界判斷，根據(jù)專家經(jīng)驗選擇合適的敏感器。(2)如果有多種姿態(tài)確定方案能夠完成同一目標，使用帶有專家?guī)斓哪：龥Q策可以快速選擇合適的方案。(3)由于太空環(huán)境中的不確定因素，在當前的技術(shù)條件和認知程度下并不能窮舉所有的情況，尤其是面對眾多不確定因素的時候，采用模糊決策方法來確定姿態(tài)確定方案，顯然具有更高的智能性。圖2給出了模糊決策器的決策過程。對于一體化自適應(yīng)的納衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)，首先需要將各個姿態(tài)敏感器的輸出進行模糊化，即把各個姿態(tài)敏感器的輸出數(shù)據(jù)離散化，對各個姿態(tài)敏感器的輸出量按照線性化的方法進行尺度變換；然后確定上一步中線性表示的各個量的隸屬度，隸屬函數(shù)的類型直接影響著系統(tǒng)的性能。對于本發(fā)明而言，所有的姿態(tài)敏感器的輸出值都是姿態(tài)確定系統(tǒng)的輸入值，在輸入之前將他們進行線性組合。然后由通過專家經(jīng)驗得到的模糊規(guī)則庫對不同場景下的進行選擇，其中圖3給出了模糊規(guī)則。然后對經(jīng)過模糊規(guī)則庫處理的選擇結(jié)果進行清晰化?；诠?jié)約星上資源的考慮，如果有兩種方案或多種方案均滿足衛(wèi)星系統(tǒng)對于姿態(tài)確定系統(tǒng)的要求，那么選擇消耗星上資源較小的姿態(tài)敏感器組合方案。圖3所示為語言規(guī)則庫，語言規(guī)則庫是通過專家經(jīng)驗生成的模糊規(guī)則庫。不同敏感器受環(huán)境影響很大，所以敏感器的應(yīng)用場景限制作為模糊規(guī)則的制定標準。首先，選擇限制條件較少的陀螺儀、磁力計、加速度計和GPS作為整個方案的基礎(chǔ)姿態(tài)敏感器，其中加速度計和GPS作為輔助姿態(tài)敏感器使用。恒星敏感器的姿態(tài)輸出頻率是非常低的，一般情況下，每輸出一次姿態(tài)信息需要1～5s。因此，通過姿態(tài)確定系統(tǒng)是否需要高頻輸出為規(guī)則，來考慮姿態(tài)確定系統(tǒng)中是否需要恒星敏感器。在需要高頻輸出的情況下，則放棄使用恒星敏感器。如果這時候納衛(wèi)星處于陽光直射的位置，此時姿態(tài)確定系統(tǒng)中使用太陽敏感器。由于射頻敏感器的姿態(tài)輸出精度級別同太陽敏感器相同，但是具體姿態(tài)輸出精度低于太陽敏感器，因此，當使用太陽敏感器的時候不考慮使用射頻敏感器。如果不能接收到陽光，但能夠接收到地面基站發(fā)出的信號，可使用射頻敏感器作為姿態(tài)確定系統(tǒng)中的一種姿態(tài)敏感器。如果姿態(tài)確定系統(tǒng)不需要高頻輸出，由于恒星敏感器的輸出精度級別很高，那么的姿態(tài)確定系統(tǒng)需要使用恒星敏感器。如果納衛(wèi)星處于地球陰影處，那么姿態(tài)確定系統(tǒng)將不使用太陽敏感器。當不使用姿態(tài)敏感器的時候，如果能夠接收到地面基站發(fā)出的信息，那么的姿態(tài)確定系統(tǒng)將搭載射頻敏感器。如果納衛(wèi)星不要求姿態(tài)確定系統(tǒng)的輸出頻率，而且納衛(wèi)星處于陽光能夠直射的位置。那么，此時使用所有的姿態(tài)敏感器來進行組合測姿，即姿態(tài)確定系統(tǒng)的姿態(tài)敏感器有地球敏感器、太陽敏感器、恒星敏感器、射頻敏感器、陀螺儀、磁力計、加速度計和GPS。當每一次根據(jù)專家經(jīng)驗得到合適的姿態(tài)敏感器組合之后，開始組合姿態(tài)敏感器的信息。由于不同的敏感器具有不同的姿態(tài)測量精度，因此，將姿態(tài)敏感器精度的倒數(shù)相加，將某種類型的姿態(tài)敏感器在姿態(tài)確定系統(tǒng)中的輸出值的重要程度確定為其精度倒數(shù)所占精度倒數(shù)和的百分比。即：ci=1diΣi=1n1di]]>其中di表示姿態(tài)敏感器的精度,n為正整數(shù)，表示姿態(tài)敏感器的個數(shù)。當?shù)玫搅讼鄳?yīng)的姿態(tài)敏感器在線性組合過程中的系數(shù)ci后，將相應(yīng)的姿態(tài)敏感器的組合方案進行線性組合。確定了當前的姿態(tài)敏感器之后，將擴展卡爾曼濾波器應(yīng)用到相應(yīng)的方案中去。圖4為擴展卡爾曼濾波器的示意圖。擴展卡爾曼濾波器是一種將期望和方差線性化的濾波器，因此，擴展卡爾曼濾波器可以看作是一個通過線性化而達到漸進最優(yōu)貝葉斯決策的特殊狀態(tài)估計器。首先，定義姿態(tài)確定系統(tǒng)的觀測更新方程和狀態(tài)更新方程為：Xk＝f(Xk-1,uk-1)+Γk,k-1Wk-1Zk＝h(Xk-1,k)+Vk-1其中，Wk-1是模型噪聲；Γk,k-1是噪聲控制矩陣，它表示狀態(tài)方程的置信度；使用泰勒公式將上述公式展開，忽略其二階及其高階項，可得：X·k=f(Xk,uk)|Xk=X^k+∂f(Xk,uk)∂Xk|Xk=X^kΔXk+ΓkWk]]>Zk=h(Xk,k)|Xk=X^k+∂h(Xk,k)∂Xk|Xk=X^k+Vk]]>將公式線性化之后，帶入濾波方程:x^k,k-1=Φk,k-1x^k-1xk=x^k,k-1+kk(zk-Hkx^k,k-1)pk,k-1=Φk,k-1pk-1Φk,k-1T+Γk-1Qk-1Γk-1Tkk=pk,k-1HkT(Hkpk,k-1HkT+Rk)-1pk=(I-kkH)pk,k-1]]>即可得到最終的姿態(tài)結(jié)果。其中Φk,k-1是裝填轉(zhuǎn)換矩陣。Wk-1是模型噪聲。Γk,k-1是噪聲控制矩陣，它表示狀態(tài)方程的置信度。zk表示觀測結(jié)果。Hk表示觀測矩陣。vk表示噪聲觀測序列。Pk,k-1表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣。kk表示卡爾曼增益?？傊?，本發(fā)明提出了一體化自適應(yīng)納衛(wèi)星姿態(tài)確定的方法，給出了一種滿足低軌道衛(wèi)星中等精度要求下的通用型姿態(tài)確定方案，能夠根據(jù)外界及其衛(wèi)星自身的條件，根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)解算的要求，自主選擇姿態(tài)敏感器組合成為多敏感器姿態(tài)確定系統(tǒng)，然后通過擴展卡爾曼濾波算法對姿態(tài)確定系統(tǒng)的結(jié)果精度進行進一步的提高。提供以上實例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。當前第1頁1 2 3