CN119803526A - 一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法，包括获取节点卫星和相邻卫星数据；通过轨道矢量计算理想状态下链路惯性矢量；通过理想状态下链路惯性矢量与实际链路矢量之间的关系，计算姿态估计值；当卫星姿态传感器工作正常时，基于误差姿态修正量对估计姿态进行修正；根据姿态估计或修正完成的卫星姿态，完成链路的对准或对准优化。本发明利用星间链路的理论惯性矢量和实际载荷矢量之间的关系，通过伪逆求解和正交优化，计算姿态估计矩阵，本发明利用相邻卫星的星间链路多矢量联合定姿，在姿态传感器有效时通过链路矢量校准姿态误差，提高姿态标定精度；在姿态传感器失效时通过链路辅助提供可靠的姿态估计和维持功能。

Description

一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定 方法

技术领域

本发明涉及卫星姿态估计技术领域，尤其是一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法。

背景技术

近年来，低轨互联网卫星星座逐渐成为全球通信领域的热点。低轨卫星星座通过部署大量低轨卫星，为全球用户提供低延迟、高带宽的通信服务。为了实现卫星间稳定的通信，特别是低轨卫星间的激光链路(星间链路)被广泛应用。卫星姿态的精确控制对于星间链路的对准和通信质量至关重要，因为卫星的高速运动和轨道变化会导致姿态误差，进而影响链路的稳定性和通信效率。因此，卫星星座需要定期进行高精度的姿态标定修正，以确保激光链路的对准。

现有的卫星姿态修正方法主要依赖于卫星的姿态传感器(如星敏感器、陀螺仪等)和地面测控指令。然而，这些方法在面对大量低轨卫星和复杂运行环境时存在一定的局限性。现有的卫星姿态标定技术主要存在以下缺点：

1)、依赖星上传感器的局限性

单星姿态确定方法通常依赖星上传感器(如星敏感器、陀螺等)，但这些传感器存在测量误差和漂移问题。当星敏感器失效时，单星姿态难以维持高精度，这会直接影响激光链路的对准精度。

2)、对地面测控的高度依赖性

传统的卫星姿态标定方法通常依赖地面站的测控指令来校正卫星的姿态。然而，由于低轨星座卫星数量庞大、轨道周期短，地面站难以高效覆盖并实时进行姿态标定，存在延迟和时效性差的问题。这种方法在低轨星座中尤为不适用，无法满足实时和高效的姿态校正需求。

3)、缺乏多卫星协同标定机制

无论是基于单颗卫星姿态传感器的数据还是地面主导的标定方法，都没有充分利用星座内其他卫星的姿态数据进行协同标定。现有技术中，星间链路主要用于数据传输，未能有效利用星座内多颗卫星的姿态信息进行协同工作，导致缺乏高效的姿态误差修正机制。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法，本发明利用相邻卫星的星间链路多矢量联合定姿，在姿态传感器有效时，通过链路矢量校准姿态误差，提高姿态标定精度；在姿态传感器失效时，通过链路辅助提供可靠的姿态估计和维持功能。

本发明的技术方案为：一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法，包括以下步骤：

S1)、获取节点卫星和相邻卫星数据；

S2)、通过轨道矢量计算理想状态下链路惯性矢量；

S3)、通过理想状态下链路惯性矢量与实际链路矢量之间的关系，计算姿态估计值；

S4)、当卫星姿态传感器工作正常时，基于误差姿态修正量对估计姿态进行修正；

S5)、根据姿态估计或修正完成的卫星姿态，完成链路的对准或对准优化。

作为优选的，步骤S1)中，按十字构型建链，获取的节点卫星和相邻卫星数据包括：卫星轨道位置、链路载荷光轴矢量、卫星自身姿态数据。

作为优选的，步骤S2)中，所述的理想状态下链路惯性矢量的计算式为：

式中，l_i-1，i ^eci为S_i-1，j指向S_i，j的链路惯性矢量，l_i+1，i ^eci为S_i+1，j指向S_i，j的链路惯性矢量，l_j-1，j ^eci为S_i，j-1指向S_i，j的链路惯性矢量，l_j+1，j ^eci为S_i，j+1指向S_i，j的链路惯性矢量；对星座上卫星S_i，j，i为轨道面编号，j为轨道面内卫星编号；S_i-1，j、S_i+1，j、S_i，j-1、S_i，j+1为卫星S_i，j的相邻卫星；r_i，j为卫星S_i，j的轨道位置；r_i-1，j、r_i+1，j、r_i，j-1、r_i，j+1分别为卫星S_i-1，j、S_i+1，j、S_i，j-1、S_i，j+1的轨道位置；上标b表示本体坐标系；上标eci表示惯性坐标系。

作为优选的，步骤S3)中，通过理想状态下链路惯性矢量与实际链路矢量之间的关系，计算姿态估计值，具体包括如下步骤：

S31)、理想状态下链路惯性矢量与实际链路矢量之间的关系表示为：

L^b＝A_kjL^eci (1)；

式中，L^b为本体系下的实际链路矢量矩阵；L^eci为理想状态下链路惯性矢量矩阵；A_kj为姿态估计矩阵；下标kj表示姿态估计矩阵的索引；

S32)、通过最小化误差平方和构造伪逆解算式(1)，得到逆解算矩阵A^*：

A^*＝L^b(L^eci)^T(L^eci(L^eci)^T)^-1 (2)；

式中，A^*表示逆解算矩阵；(L^eci)^T表示理想状态下链路惯性矢量矩阵L^eci的转置矩阵；T表示转置操作；

S33)、对逆解算矩阵A^*进行正交化处理，使其满足旋转矩阵的正交约束条件，优化得到最终的姿态估计矩阵A_kj；

S34)、将最终的姿态估计矩阵A_kj转化为估计姿态四元数

作为优选的，步骤S4)中，基于误差姿态修正量对估计姿态进行修正，具体包括如下步骤：

S41)、将激光载荷误差和定姿误差合并为修正量Q_e；

S42)、基于误差姿态修正量Q_e对估计姿态四元数进行修正，得到修正后的卫星姿态四元数

作为优选的，步骤S5)中，当姿态传感器失效时，利用估计姿态四元数维持激光链路的对准。

作为优选的，步骤S5)中，当姿态传感器有效时，将修正后的卫星姿态四元数输入控制系统进一步调整姿态，实现链路对准优化。

本发明的有益效果为：

1、本发明利用星间链路的理论惯性矢量和实际载荷矢量之间的关系，通过伪逆求解和正交优化，构造高精度的姿态估计矩阵，并进一步转化为四元数进行姿态修正；

2、本发明充分利用星间链路矢量信息，为姿态估计提供了可靠的辅助机制，即使在复杂环境或传感器误差增大的情况下，仍能保证较高的姿态精度；

3、本发明通过轨道矢量和链路载荷信息，结合相邻卫星的姿态与轨道数据，估计目标卫星的姿态，确保短期内激光链路的对准和通信稳定性；

4、本发明通过多颗卫星的协同作用，构建了分布式姿态标定架构，在星敏感器有效时，通过链路姿态估计修正传感器误差；在失效时，通过多卫星协作维持目标卫星的姿态参考；

5、本发明在分布式架构中采用最小化链路误差平方和的优化机制，通过对链路性能的综合均衡，在系统标定过程中有效避免了某些链路对准效果较好而其他链路较差的情况，这种均衡优化特性确保了目标卫星姿态的整体精度和链路性能的一致性，使链路整体稳定性显著提升；

6、本发明的分布式架构在标定精度和链路对准效果上更具鲁棒性，特别适用于低轨星座这种高动态环境。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明实施例卫星十字构型星间链路的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，本实施例提供一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法，包括以下步骤：

S1)、获取节点卫星和相邻卫星数据；

本实施例利用相邻卫星的星间链路多矢量联合定姿，如图2所示，本实施例按十字构型建链时，卫星S_i，j的相邻卫星为S_i-1，j，S_i+1，j，S_i，j-1，S_i，j+1。

本实施例获取的卫星数据包括：轨道位置、链路载荷光轴矢量、卫星自身姿态数据。

节点卫星根据自身轨道获取卫星在惯性系下轨道矢量r，同时通过星间链路获取相邻卫星的轨道矢量，获取卫星本体系下的载荷光轴矢量矩阵，即实际链路矢量矩阵L^b：

L^b＝[p_i，i-1 ^b p_j，j-1 ^b p_i，i+1 ^b p_j，j+1 ^b]；

其中，

式中，Q＝[q₀，q₁，q₂，q₃]^T表示卫星姿态惯性四元数；上标T表示转置运算符；上标b表示本体坐标系；上标eci表示惯性坐标系；q₀，q₁，q₂，q₃分别表示四元数的每一个元素；o表示四元数与矢量的旋转运算；下标i为轨道面编号，下标j为轨道面内卫星编号；

当卫星的姿态传感器(如星敏感器)工作正常时，获取卫星自身姿态数据。S2)、通过轨道矢量计算理想状态下链路惯性矢量；计算式为：

式中，l_i-1，i ^eci为S_i-1，j指向S_i，j的链路惯性矢量，l_i+1，i ^eci为S_i+1，j指向S_i，j的链路惯性矢量，l_j-1，j ^eci为S_i，j-1指向S_i，j的链路惯性矢量，l_j+1，j ^eci为S_i，j+1指向S_i，j的链路惯性矢量；对星座上卫星S_i，j，i为轨道面编号，j为轨道面内卫星编号；S_i-1，j、S_i+1，j、S_i，j-1、S_i，j+1为卫星S_i，j的相邻卫星；r_i，j为卫星S_i，j的轨道位置；r_i-1，j、r_i+1，j、r_i，j-1、r_i，j+1分别为卫星S_i-1，j、S_i+1，j、S_i，j-1、S_i，j+1的轨道位置；上标b表示本体坐标系；上标eci表示惯性坐标系。

S3)、通过理想状态下链路惯性矢量与实际链路矢量之间的关系，计算姿态估计值；具体包括如下步骤：

S31)、理想状态下链路惯性矢量与实际链路矢量之间的关系表示为：

L^b＝A_kjL^eci (1)；

式中，L^b为本体系下的实际链路矢量矩阵；L^eci为理想状态下链路惯性矢量矩阵；A_kj为姿态估计矩阵；下标kj表示姿态估计矩阵的索引。

其中，

L^b＝[p_i，i-1 ^b p_j,j-1 ^b p_i,i+1 ^b p_j，j+1 ^b]；

L^eci＝[l_i-1，i ^eci l_j-1，j ^eci l_i+1，i ^eci l_j+1，j ^eci]；

S32)、通过最小化误差平方和构造伪逆解算式(1)，得到逆解算矩阵A^*：

A^*＝L^b(L^eci)^T(L^eci(L^eci)^T)^-1 (2)；

式中，A^*表示逆解算矩阵；(L^eci)^T表示理想状态下链路惯性矢量矩阵L^eci的转置矩阵；

S33)、对逆解算矩阵A^*进行正交化处理，使其满足旋转矩阵的正交约束条件，优化得到最终的姿态估计矩阵A_kj；

式中，a₁₁～a₃₃分别表示3x3矩阵A_kj的每一个元素；I表示3x3的单位矩阵；

S34)、将最终的姿态估计矩阵A_kj转化为估计姿态四元数

四元数解算公式如下：

基于式(7)-(10)第一行分别计算q₀，q₁，q₂，q₃，比较q₀，q₁，q₂，q₃的绝对值大小，并选择绝对值最大所对应的公式计算估计姿态

S4)、当卫星姿态传感器工作正常时，基于误差姿态修正量对估计姿态进行修正；具体包括如下步骤：

S41)、将激光载荷误差和定姿误差合并为误差姿态修正量Q_e；所述的误差姿态修正量Q_e的表达式为：

式中，分别表示四元数的每一个元素；Q_s为卫星姿态传感器确定的姿态四元数；为估计姿态；

S42)、基于误差姿态修正量Q_e对估计姿态四元数进行修正，得到修正后的卫星姿态四元数即：

式中，W_e为误差姿态修正量；W_s为卫星姿态传感器确定的姿态四元数。

S5)、根据姿态估计或修正完成的卫星姿态，完成链路的对准或对准优化。

本实施例中，当姿态传感器失效时，利用估计姿态四元数维持激光链路的对准。

当姿态传感器有效时，将修正后的卫星姿态四元数输入控制系统进一步调整姿态，实现链路对准优化。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)、获取节点卫星和相邻卫星数据；

S2)、通过轨道矢量计算理想状态下链路惯性矢量；

S3)、通过理想状态下链路惯性矢量与实际链路矢量之间的关系，计算卫星姿态估计值；

S4)、当卫星姿态传感器工作正常时，基于误差姿态修正量对卫星估计姿态进行修正；

S5)、根据姿态估计或修正完成的卫星姿态，完成链路的对准或对准优化。

2.根据权利要求1所述的一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法，其特征在于：步骤S1)中，按十字构型建链，获取的节点卫星和相邻卫星数据包括：卫星轨道位置、链路载荷光轴矢量、卫星自身姿态数据。

3.根据权利要求1所述的一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法，其特征在于：步骤S2)中，所述的理想状态下链路惯性矢量的计算式为：

式中，l_i-1,i ^eci为S_i-1,j指向S_i,j的链路惯性矢量，l_i+1,i ^eci为S_i+1,j指向S_i,j的链路惯性矢量，l_j-1,j ^eci为S_i,j-1指向S_i,j的链路惯性矢量，l_j+1,j ^eci为S_i,j+1指向S_i,j的链路惯性矢量；对星座上卫星S_i,j，i为轨道面编号，j为轨道面内卫星编号；S_i-1,j、S_i+1,j、S_i,j-1、S_i,j+1为卫星S_i,j的相邻卫星；r_i,j为卫星S_i,j的轨道位置；r_i-1,j、r_i+1,j、r_i,j-1、r_i,j+1分别为卫星S_i-1,j、S_i+1,j、S_i,j-1、S_i,j+1的轨道位置；上标b表示本体坐标系；上标eci表示惯性坐标系。

4.根据权利要求3所述的一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法，其特征在于：步骤S3)中，通过理想状态下链路惯性矢量与实际链路矢量之间的关系，计算姿态估计值，具体包括如下步骤：

S31)、理想状态下链路惯性矢量与实际链路矢量之间的关系表示为：

L^b＝A_kjL^eci (1)；

式中，L^b为本体系下的实际链路矢量矩阵；L^eci为理想状态下链路惯性矢量矩阵；A_kj为姿态估计矩阵，下标kj表示姿态估计矩阵的索引；

S32)、通过最小化误差平方和构造伪逆解算式(1)，得到逆解算矩阵A^*：

^A*＝L^b(L^eci)^T(L^eci(L^eci)^T)^-1 (2)；

式中，A^*表示逆解算矩阵；(L^eci)^T表示对理想状态下链路惯性矢量矩阵L^eci的转置矩阵，T表示转置运算操作；

S33)、对逆解算矩阵A^*进行正交化处理，使其满足旋转矩阵的正交约束条件，优化得到最终的姿态估计矩阵A_kj；

S34)、将最终的姿态估计矩阵A_kj转化为估计姿态四元数

5.根据权利要求4所述的一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法，其特征在于：步骤S33)中，最终的姿态估计矩阵A_kj的表达式为：

式中，a₁₁～a₃₃分别表示3x3矩阵A_kj的每一个元素；I表示3x3的单位矩阵。

6.根据权利要求5所述的一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法，其特征在于：步骤S34)中，所述的估计姿态四元数表示为：

四元数解算公式如下：

基于式(7)-(10)第一行分别计算q₀,q₁,q₂,q₃，并比较q₀,q₁,q₂,q₃的绝对值大小，选择绝对值最大所对应的公式计算估计姿态

7.根据权利要求6所述的一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法，其特征在于：步骤S4)中，基于误差姿态修正量对估计姿态进行修正，具体包括如下步骤：

S41)、将激光载荷误差和定姿误差合并为误差姿态修正量Q_e；

S42)、基于误差姿态修正量W_e对估计姿态四元数进行修正，得到修正后的卫星姿态四元数

8.根据权利要求7所述的一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法，其特征在于：步骤S41)中，所述的误差姿态修正量W_e表示为：

式中，分别表示四元数的每一个元素；W_s为卫星姿态传感器确定的姿态四元数；为估计姿态；

步骤S42)中，修正后的卫星姿态四元数表示为：

式中，W_e为误差姿态修正量；Q_s为卫星姿态传感器确定的姿态四元数。

9.根据权利要求1所述的一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法，其特征在于：步骤S5)中，当姿态传感器失效时，利用估计姿态四元数维持激光链路的对准。

10.根据权利要求9所述的一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法，其特征在于：步骤S5)中，当姿态传感器有效时，将修正后的卫星姿态四元数输入控制系统进一步调整姿态，实现链路对准优化。