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《基于STLS的衛(wèi)星慣量矩陣在軌估計》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、2010年12月中國空間科學(xué)技術(shù)3l第6期ChineseSpaceScienceandTechnology基于STLS的衛(wèi)星慣量矩陣在軌估計林佳偉h2王平1(1北京控制工程研究所，北京100190)(2空間智能控制技術(shù)國家級重點實驗室，北京100190)摘要提出了一種采用結(jié)構(gòu)總體最小二乘(Structuredtotalleastsquares，STLS)進(jìn)行衛(wèi)星慣量矩陣在軌估計的方法，與當(dāng)前估計方法相比，該方法在考慮敏感器測量噪聲時能獲得一致估計。首先由動量守恒定律得到估計方程，針對該方程的特點
2、定義了慣量矩陣的STLS估計，并使用結(jié)構(gòu)總體最小范數(shù)(Structuredtotalleastnorm，STLN)算法進(jìn)行求解。證明了當(dāng)噪聲為高斯分布時該STLS估計為極大似然估計，給出了該STLS估計具有一致性的充分條件，仿真結(jié)果驗證了文章所提估計方法的有效性。關(guān)鍵詞結(jié)構(gòu)總體最小二乘結(jié)構(gòu)總體最小范數(shù)極大似然估計一致估計慣量矩陣在軌估計衛(wèi)星姿態(tài)控制1引言衛(wèi)星的慣量矩陣參數(shù)的準(zhǔn)確與否對衛(wèi)星控制系統(tǒng)的性能有很大影響。當(dāng)前工程實踐中，通過事先對衛(wèi)星進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析來估計衛(wèi)星的慣量矩陣參數(shù)。但在衛(wèi)星的實際運
3、行中該參數(shù)可能與預(yù)先估計發(fā)生偏差，例如推進(jìn)劑余量難以估計、液體在失重狀態(tài)下漂浮不定、太陽翼和天線等大型附件的展開無法由結(jié)構(gòu)模型所完全描述，這些都會導(dǎo)致先驗估計的誤差。在軌估計能夠降低衛(wèi)星實際運行中的不確定性，提高慣量矩陣參數(shù)的估計精度，進(jìn)而為控制器提供準(zhǔn)確參數(shù)以提高控制精度。慣量矩陣參數(shù)在軌估計在國際上引起了重視，取得了一些研究成果【l-1¨。大體上說，當(dāng)前的慣量矩陣估計方法主要有兩種：一是使用最小二乘方法，二是使用卡爾曼濾波方法。上述的研究或者不考慮測量噪聲，或者在考慮測量噪聲時未能證明估計的
4、一致性。針對以上缺點，文獻(xiàn)[12]中使用總體最小二乘(TotalLeastSquares，TLS)方法對零動量衛(wèi)星進(jìn)行慣量矩陣估計，在存在測量噪聲的條件下該估計具有一致性。該方法的缺點是要求整星角動量為零，在工程實際中該條件難以滿足。本文將文獻(xiàn)[12]所提方法推廣到一般情形，對初始角動量不為零的衛(wèi)星推導(dǎo)得到估計方程，應(yīng)用結(jié)構(gòu)總體最小二范數(shù)法(Structuredtotalleastnorm，STLN)算法獲得對慣量矩陣參數(shù)的結(jié)構(gòu)總體最小二乘(Structuredtotalleastsquares
5、，STLS)算法估計，并且證明了該估計是極大似然估計及其一致性。2估計方程及STLS問題記衛(wèi)星在慣性空間中的角動量在慣性坐標(biāo)系中坐標(biāo)為L。，衛(wèi)星本體坐標(biāo)系相對于慣性坐標(biāo)系的方向余弦陣為Q，存儲在星上動量裝置的角動量在本體坐標(biāo)系中坐標(biāo)為L，衛(wèi)星本體坐標(biāo)系相對收穡日期l2009—06-17。收修改稿日期I2009-08—1032中國空間科學(xué)技術(shù)Ij。于慣性空間的角速度在本體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為∞，．，一lJ。J，U。j劈量輪轉(zhuǎn)速，根據(jù)角動鼉守恒定律，可以列出動力學(xué)方程：Jto+L=QLf用下標(biāo)z、Y、z
6、分別表示矢量在本體坐標(biāo)系三軸中的分量，驢1一驢乏引為衛(wèi)星的慣量矩陣。改變動該方程展開得fLl亍咽其中妒、0、妒分別為滾動、俯仰、偏航角。一0(2)將式(2)簡記為C(z)y----0。其中z—z。+雄。一[％∞，∞。9口≯L，L，L；]T，zo是不含噪聲的量測真值，受到加性噪聲n；的干擾，刀：均值為零，協(xié)方差陣為c-．。由于噪聲的存在等號不成立，即c(z)y≈o。記≈(i—l，?，9)為向量z的第i個分量，可得C(z)=Co+zlcl+?+Z9Co，其中C都是常數(shù)矩陣，篇幅所限不一一羅列。觀察方
7、程形式，一方面方程的系數(shù)矩陣c(z)是由含有誤差的測量值z構(gòu)造而成，另一方面c(z)有結(jié)構(gòu)限制。STLS方法是針對這種形式的方程的估計方法，定義相應(yīng)的STLS問題為【l引：尋找矢量2及相應(yīng)的Y，使得(z--2)TW(z--2)取最小，約束條件為方程等號成立，即c(1)y=o(3)其中W是加權(quán)矩陣，在本文中取W—C==1，所求出的y—I-x一1]T，稱其中的j=I-]，J，J。J。J。J，L矗L，Li]T為STLS估計。與文獻(xiàn)[12]的方法相比，本方法不要求初始角動量為零，具有較強的工程可操作性，
8、并且通過慣量矩陣的對稱性減少了估計參數(shù)的數(shù)量，有利于提高估計效果。Iyz印辯耳y曩JJ^^∥LL，—引●一。魄％魄o‰虬蚍0O0蛾O％o№㈨∞1一口一Q，時小很角態(tài)姿的星衛(wèi)當(dāng)有時此LL止幾kbk1kbL一91口一驢l一尹1口一妒一。蛾％叭。眥喲眥o0魄0吣o№㈨∞2010年12月中國空間科學(xué)技術(shù)3用STI。N求解當(dāng)前STLS問題主要有三種形式?]：基于黎曼奇異值分解(RiemannianSVD，RiSVD)的方法D3]，約束總體最小二乘方法(Constrainedtotalleastsquare
