[发明专利]一种非合作航天器位姿一体化估计和惯性参数确定方法

说明书

本发明涉及一种非合作航天器位姿一体化估计和惯性参数确定方法，针对视觉导航过程中目标航天器相对角速度和相对线速度测量信息缺失的问题，提出一种基于对偶四元数的非合作航天器位姿和惯性参数估计方法；本发明包括如下步骤：为精确刻画相对姿态运动与相对位置运动间的固有耦合关系，建立对偶四元数框架描述下的空间刚体航天器六自由度姿态运动学和动力学模型；然后选取目标航天器对偶四元数矢量部分、对偶角速度矢量部分和转动惯量比值的误差量作为状态变量，确定状态方程与观测方程；最后给出误差对偶四元数的状态校正方法，并设计乘性扩展卡尔曼滤波器，实现在线估计目标航天器的实时位姿和惯性参数，提高在轨任务执行的精度。

技术领域

本发明涉及一种非合作航天器位姿一体化估计和惯性参数确定方法，主要应用于考虑视觉导航过程中目标航天器相对角速度和相对线速度测量信息缺失下的航天器位姿估计问题，属于航天器导航领域。

背景技术

临近操作要求空间航天器，谨慎地与另一航天器保持相对近距离和指定相对姿态。目标航天器完整六自由度位姿信息的精确获取，显然是临近操作成功与否的先决条件。在相对视觉导航任务背景下，由于相机观测目标特征均位于偏离质心的航天器表面，忽略位姿间耦合关系导致的估计偏差尤为重大，而且该误差不能通过传统位姿分立的运动模型表征。此外仅依靠导航相机，追踪航天器不具备直接测量与目标航天器间的相对角速度和相对线速度的能力，这将导致位姿估计的精度下降，并影响在轨任务的成功执行。因此，在位姿耦合一体的框架下，为缺失相对角速度和相对线速度测量信息的目标航天器设计六自由度位姿精确估计方法，非常具有理论和工程意义。

针对目前考虑位姿耦合关系的航天器位姿估计方法，专利201710178159.6利用陀螺仪和加速度计误差测量模型，结合GPS测量信息，搭建基于对偶四元数的惯性/GPS组合卡尔曼滤波器。但是该方法由于分别采用了陀螺仪和加速度计对目标角速度和线速度进行测量，不适用于相对角速度和相对线速度测量信息缺失下的位姿估计问题。同样地，专利201810872927.2提出一种基于深度学习的空间非合作目标姿轨一体化参数估计方法，但是该方法并没有给出当目标角速度和线速度始终不可测时的位姿估计方法。在采用导航相机观测目标航天器的实际情况中，角速度和线速度无法获取将直接导致位姿估计的精度下降。

针对目前的航天器位姿一体化估计问题研究成果，大部分现有估计方法都是建立在目标航天器角速度和线速度可精确获取的假设上，忽视了视觉导航背景下无法直接测量目标相对速度信息。这种情况将导致位姿估计算法精度大幅下降，进而影响临近操作任务的顺利执行。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，解决航天器临近操作视觉导航任务中由于缺少相对角速度和相对线速度测量信息造成的位姿估计精度下降问题，提供一种非合作航天器位姿一体化估计和惯性参数确定方法，通过建立对偶四元数框架描述下的空间刚体航天器六自由度姿态运动学和动力学模型，然后选取对偶四元数矢量部分、对偶角速度矢量部分和转动惯量比值的误差量作为状态变量，推导状态方程与观测方程，并设计一种新型乘性扩展卡尔曼滤波器，解决了相对测量信息缺失下的位姿估计精度下降问题，实现在线估计目标航天器的实时位姿和惯性参数，提高在轨任务执行的精度。

本发明的技术解决方案为：一种非合作航天器位姿一体化估计和惯性参数确定方法，其包括如下步骤：

S1：考虑传统位姿分立模型无法准确描述相对姿态运动与相对位置运动间固有耦合关系，建立对偶四元数框架描述下的空间刚体航天器六自由度运动学和姿态动力学模型；

S2：基于步骤S1中建立的航天器六自由度运动学和姿态动力学模型，选取目标航天器对偶四元数矢量部分、对偶角速度矢量部分和转动惯量比值的误差量作为状态变量，推导状态方程与观测方程；

S3：给出误差对偶四元数的状态校正方法，并基于步骤S2中推导的状态方程和观测方程，设计一种新型乘性扩展卡尔曼滤波器，实现在线估计目标航天器的实时位姿和惯性参数。

具体实现步骤如下：