专利名称：一种基于mems传感器的航天器姿态测量方法
技术领域：
本发明涉及一种基于MEMS传感器的航天器姿态测量方法，属于姿态测量和航天测控技术领域。
背景技术：
航天器姿态信息是航天器最重要参数之一，航天器姿态实时测量是实现航天器姿态精确控制的关键。航天器的姿态信息包括三个姿态角，即俯仰角Θ，横滚角Y和偏航角Ψ。现代微型航天器(或航天器附属机构)的发展对姿态测量系统的可靠性，精度、体积，重量、成本等提出了更高的要求。通过国家专利局检索库检索，目前，关于姿态测量的专利主要是清华大学的“微小型动态载体姿态测量装置及其测量方法”(专利号:200510011763.7)。这一发明主要包括3轴速率陀螺、3轴磁场计、单轴加速度计、微处理器，以及相应软件测量方法。该组合姿态测量系统的核心技术是kalman滤波算法，以系统姿态变换矩阵相关元素为状态，根据陀螺的输出构造kalman滤波的状态方程。利用加速度计和三轴磁强计测量重力加速度分量和地磁矢量为量测，建立kalman滤波的量测方程，然后进行滤波，实现变换阵元素的最优估计，然后解算姿态角。该系统的主要缺点是:(I)航天器处于微重力或者失重的环境中，加速度计测量不到重力加速度或者由于重力加速度量值太小而无法分辨，其输出信号主要是载体过载加速度，系统的量测方程建立不正确。(2)在动态情况下，惯性器件无法分辨重力加速度和过载加速度，导致系统量测误差很大。

发明内容
本发明目的在于克服现有航天器姿态测量技术的不足，提供一种基于MEMS传感器的航天器姿态测量方法，具有较高的精度、可靠性、动态性能。为了实现上述目的，本发明提供了一种基于MEMS传感器的航天器姿态测量方法。所述的航天器姿态测量方法，主要利用GPS双天线、三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS磁强计等传感器。所述姿态测量方法采用地理坐标系(g)作为导航坐标系U)。将测量系统与航天器载体固连，使得传感器的敏感轴分别位于载体坐标系的三个轴上。所述的姿态测量方法步骤如下:步骤1:系统初始对准；在初始对准时刻^系统利用GPS双天线测量俯仰角g、
横滚角爲，三轴MEMS磁强计测量航向角A，求得初始时刻的姿态阵( :(纟,)和姿态四元数
Q (t0);具体求解公式如下:
权利要求
1.种基于MEMS传感器的航天器姿态测量方法。所述的航天器姿态测量方法，主要利用GPS双天线、三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS磁强计等传感器。所述姿态测量方法采用地理坐标系(g)作为导航坐标系(n)。将测量系统与航天器载体固连，使得传感器的敏感轴分别位于载体坐标系的三个轴上； 所述的姿态测量方法步骤如下: 步骤1:系统初始对准；在初始对准时刻t0，系统利用GPS双天线测量俯仰角θ0、横滚角，三轴MEMS磁强计测量航向角ψ0，求得初始时刻的姿态阵Cnb(t0)和姿态四元数Q (t0);具体求解公式如下:
全文摘要
本发明公开了一种基于MEMS传感器的航天器姿态测量方法，步骤如下系统初始对准；信号采集；陀螺仪姿态更新；双天线GPS/磁强计姿态实时计算；kalman滤波；输出校正。本发明根据航天器轨道空间具有微重力、GPS信号接收效果好的特点，选择三轴MEMS陀螺仪/三轴MEMS磁强计/双天线GPS的组合模式，相对于其他组合方式具有更高测量精度和可靠性。本发明还设计了组合姿态测量算法，采用了算法误差最小的优化三子样旋转矢量算法，补偿了有限转动不可交换误差；为系统建立了一种简单有效的kalman滤波状态空间模型，对两个独立信息源的姿态信息进行了融合，实现了陀螺测姿态和双天线GPS测姿态的优势互补，提高了系统的动态可靠性和精度。
文档编号G01C21/24GK103090870SQ20131001975
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月21日 优先权日2013年1月21日
发明者常洪龙, 赵彦明, 申强, 袁广民, 谢建兵, 容建刚 申请人:西北工业大学