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JPH0228084B2 - - Google Patents
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JPH0228084B2 - - Google Patents

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JPH0228084B2
JPH0228084B2 JP58043661A JP4366183A JPH0228084B2 JP H0228084 B2 JPH0228084 B2 JP H0228084B2 JP 58043661 A JP58043661 A JP 58043661A JP 4366183 A JP4366183 A JP 4366183A JP H0228084 B2 JPH0228084 B2 JP H0228084B2
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Japan
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attitude
stellar
star
sensor
satellite
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Application number
JP58043661A
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Masami Ikeuchi
Takao Anzai
Katsuo Yonezawa
Kiichiro Izumida
Yasuo Tachibana
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は恒星同定に基づく人工衛星の姿勢決
定方式に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for determining the attitude of an artificial satellite based on stellar identification.

人工衛星の姿勢制御精度を向上させるために、
恒星センサを用いて人工衛星の姿勢を決定するシ
ステムを実現することが必要となると考えられ
る。
To improve the accuracy of satellite attitude control,
It is thought that it will be necessary to realize a system that determines the attitude of an artificial satellite using a stellar sensor.

ところで、従来開発されているこの種の姿勢決
定方式としては、恒星方向単位ベクトルの観測値
とその観測恒星に対応するカタログ恒星を既知と
して、以後姿勢推定のフイルタにより姿勢の最適
な推定値を求め、これを初期値として、慣性セン
サデータをもとに逐次的な姿勢計算を行う方法に
よるものであつた。
By the way, this type of attitude determination method that has been developed conventionally uses the observed value of the stellar direction unit vector and the cataloged star corresponding to the observed star as known, and then uses an attitude estimation filter to find the optimal estimated value of the attitude. , using this as an initial value, the attitude was calculated sequentially based on the inertial sensor data.

しかしながら、前記した従来の方法では衆知の
ように観測恒星に対応するカタログ恒星を如何に
して決定すべきか(すなわち恒星同定の方法)が
問題として残つていた。したがつて実用システム
の実現は困難であつた。
However, in the conventional method described above, the problem remains as to how to determine the catalog star corresponding to the observed star (ie, the method of star identification), as is well known. Therefore, it has been difficult to realize a practical system.

さらに、フイルタを用いて姿勢の最適な推定値
を求める場合に、衛星観測データを蓄積するため
のメモリが必要であり、又計算量が膨大な推定結
果を得るのに長時間を要する。などの欠点があつ
た。
Furthermore, when using a filter to obtain the optimal estimated value of the attitude, a memory is required to store the satellite observation data, and it takes a long time to obtain the estimation result, which requires an enormous amount of calculation. There were drawbacks such as:

この発明は、将来開発が予測される高精度三軸
姿勢制御衛星を実現するために必要となる人工衛
星の姿勢決定法に関し、幾何学的マツチング法に
よる恒星同定機能と、恒星観測時刻から現時点ま
での相対的な姿勢の変化分を慣性センサデータに
基づいて計算する機能を備え、さらに誤つた恒星
同定に基づくシステムの誤動作を防止するように
構成したことを特長とする姿勢決定用計算機を搭
載した人工衛星の姿勢決定方式を提供しようとす
るものである。
This invention relates to a method for determining the attitude of an artificial satellite that will be necessary to realize a high-precision three-axis attitude control satellite that is expected to be developed in the future. Equipped with an attitude determination calculator that is equipped with a function to calculate relative attitude changes based on inertial sensor data, and is configured to prevent system malfunctions due to incorrect star identification The aim is to provide a method for determining the attitude of artificial satellites.

以下この発明の一実施例を図面により詳述す
る。
An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

第1図はこの発明による姿勢決定方式の概念を
示す図である。図において1は恒星センサ、2は
慣性センサ、3は恒星ベクトル計算装置、4はデ
ータベース、5はサブカタログ編集装置、6は恒
星同定処理装置、7は姿勢変位計算装置、8は姿
勢初期値の更新装置、9は姿勢計算装置、10は
姿勢決定用計算機である。
FIG. 1 is a diagram showing the concept of the attitude determination method according to the present invention. In the figure, 1 is a star sensor, 2 is an inertial sensor, 3 is a star vector calculation device, 4 is a database, 5 is a subcatalog editing device, 6 is a star identification processing device, 7 is an attitude displacement calculation device, and 8 is an initial attitude value. An update device, 9 an attitude calculation device, and 10 an attitude determination computer.

このような構成において、恒星センサ1によつ
て観測したセンサ視野内の恒星座標(yi、zi)、但
しiは観測恒星の番号、を入力として、恒星ベク
トル計算装置3は衛星機軸座標に対する恒星方向
の単位ベクトル$i(t0)を計算する。サブカタロ
グ編集装置5はデータベース4中の恒星カタログ
を入力としてサブカタログ$j a(jはカタログ恒
星番号)を編集する。このとき姿勢情報が必要と
なるが、第一回目の処理では例えばデータベース
中に予め設定しておいた姿勢の予測値を用いる。
同定処理装置6は上記$i(t)および$i aを入力
として、観測恒星$i(t)に対応するカタログ
恒星$ij aを決定する。姿勢変位計算装置7は慣性
センサ2によつて測定した衛星機軸回りの角速度
ωl(t)(但しl=1、2、3)を入力として、恒
星観測時刻t0から時刻t(これを例えばt=t0
Tとする)までの人工衛星の姿勢の変化分
〔ΔCB〕を計算する。姿勢初期値の更新装置8は
上記($i(t)、$ij a)および〔ΔCBTを入力と
して時刻t=(t0+T)での姿勢を計算する。こ
れを初期値として姿勢計算装置9は慣性センサデ
ータを入力として逐次的に姿勢を計算し出力す
る。以下、再び恒星センサデータを読込み上記操
作をくり返して、T時間毎に姿勢初期値を更新す
る。また、時刻t=t0+T以降の処理では上記姿
勢計算装置9で計算した姿勢を上記サブカタログ
編集装置5へフイードバツクして姿勢情報を与え
るように構成されている。このように構成された
姿勢決定用計算機10は、恒星同定に基づき時間
T毎に姿勢の初期値を更新し、これを初期として
T時間内での姿勢を、慣性センサデータを入力と
して高い頻度で決定し出力するシステムを実現さ
せるものである。
In such a configuration, by inputting the stellar coordinates (y i , z i ) within the sensor field of view observed by the stellar sensor 1, where i is the number of the observed star, the stellar vector calculation device 3 calculates the coordinates relative to the satellite axis coordinates. Calculate the unit vector $ i (t 0 ) in the stellar direction. The subcatalog editing device 5 inputs the star catalog in the database 4 and edits the subcatalog $ j a (j is the catalog star number). At this time, posture information is required, and in the first processing, for example, a predicted value of the posture set in advance in the database is used.
The identification processing device 6 receives the above $ i (t) and $ i a and determines the catalog star $ ij a corresponding to the observed star $ i (t). The attitude displacement calculation device 7 inputs the angular velocity ω l (t) (where l = 1, 2, 3) around the satellite axis measured by the inertial sensor 2, and calculates it from the star observation time t 0 to the time t (for example, t=t 0 +
Calculate the change in attitude of the satellite [ΔC B ] up to T). The attitude initial value updating device 8 receives the above ($ i (t), $ ij a ) and [ΔC B ] T as input and calculates the attitude at time t=(t 0 +T). Using this as an initial value, the attitude calculation device 9 receives the inertial sensor data as input, and sequentially calculates and outputs the attitude. Thereafter, the star sensor data is read again and the above operation is repeated to update the attitude initial value every T time. Further, in the processing after time t=t 0 +T, the configuration is such that the posture calculated by the posture calculation device 9 is fed back to the sub-catalog editing device 5 to provide posture information. The attitude determination computer 10 configured in this way updates the initial value of the attitude at every time T based on the fixed star identification, and uses this as an initial value to determine the attitude within time T at high frequency using inertial sensor data as input. It realizes a system that makes decisions and outputs them.

以下、姿勢決定用計算機10を構成する各装置
の詳細について、第2図、第3図、第4図を用い
て説明する。
The details of each device constituting the attitude determination computer 10 will be described below with reference to FIGS. 2, 3, and 4.

第2図は恒星センサ座標(XS、TS、ZS)と衛
星機軸座標(XB、YB、ZS)の関係を示す図であ
る。この実施例では恒星センサ1の搭載個数を2
としている。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between stellar sensor coordinates (X S , T S , Z S ) and satellite axis coordinates (X B , Y B , Z S ). In this example, the number of installed star sensors 1 is 2.
It is said that

図において(α1,δ1)、(α2,δ2)はそれぞれ恒
星センサ、(α2,δ2)はそれぞれ恒星センサ1の
光軸方向XSの(方位角、仰角)である。このよ
うな関係において恒星センサ座標と衛星機軸座標
の関係を与える座標変換行列〔BCS1、〔BCS2
次式で与えられる。
In the figure, (α 1 , δ 1 ) and (α 2 , δ 2 ) are the respective stellar sensors, and (α 2 , δ 2 ) are the (azimuth angle, elevation angle) of the optical axis direction X S of the stellar sensor 1, respectively. In such a relationship, the coordinate transformation matrices [ B C S ] 1 and [ B C S ] 2 that provide the relationship between the stellar sensor coordinates and the satellite axis coordinates are given by the following equations.

BCS1=A11 A12 A13 A21 A22 A23 A31 A32 A33 (1) ここでA11=cosα1・cosδ1 A12=−sinα1 A13=−cosα1・sinδ1 A21=sinα1・cosδ1 A22=cosα1 A23=−sinα1・sinδ1 A31=sinδ1 A32=0 A33=cosδ1BCS〕=B11 B12 B13 B21 B22 B23 B31 B32 B33 (2) ここでB11=−sinα2・cosδ2 B12=cosα2 B13=sinα2・sinδ2 B21=cosα2・cosδ2 B22=−sinα2 B23=−cosα2・sinδ2 B31=sinδ2 B32=0 B33=cosδ2 第3図は衛星機軸座標に対する恒星方向の単位
ベクトル$i(t)の観測概念を示す図である。
[ B C S ] 1 = A 11 A 12 A 13 A 21 A 22 A 23 A 31 A 32 A 33 (1) Here, A 11 = cosα 1・cosδ 1 A 12 = −sinα 1 A 13 = −cosα 1・sinδ 1 A 21 = sinα 1・cosδ 1 A 22 = cosα 1 A 23 = −sinα 1・sinδ 1 A 31 = sinδ 1 A 32 = 0 A 33 = cosδ 1 [ B C S ] = B 11 B 12 B 13 B 21 B 22 B 23 B 31 B 32 B 33 (2) Here, B 11 = −sinα 2・cosδ 2 B 12 = cosα 2 B 13 = sinα 2・sinδ 2 B 21 = cosα 2・cosδ 2 B 22 =-sinα 2 B 23 =-cosα 2・sinδ 2 B 31 = sinδ 2 B 32 = 0 B 33 = cosδ 2 Figure 3 shows the observation concept of the unit vector $ i (t) in the star direction with respect to the satellite axis coordinate. It is a diagram.

図において(yi,zi)は恒星センサ視野内の恒
星座標で恒星センサ1による観測値である。(αl
δl)は恒星センサ番号l(l=1、2)の光軸方
向の(方位角、仰角)である。
In the figure, (y i , z i ) are stellar coordinates within the field of view of the stellar sensor, and are values observed by the stellar sensor 1. (α l ,
δ l ) is the (azimuth angle, elevation angle) of the star sensor number l (l=1, 2) in the optical axis direction.

このような関係において、恒星ベクトル計算装
置2は衛星機軸座標に対する恒星方向の単位ベク
トル$i(t)を次式で計算する。
In this relationship, the stellar vector calculation device 2 calculates the unit vector $ i (t) in the stellar direction with respect to the satellite axis coordinate using the following equation.

i(t)=〔BCSlcosyi・coszi sinyi・coszi sinzil=1、2 i=1、2、3 (3) 但し、この実施例では2個の恒星センサ1によ
る複数個の観測値の中から、合計3個すなわち$
(t)、$2(t)、$3(t)を選定して以下の処理
に用いることとする。
$ i (t) = [ B C S ] l cosy i・cosz i siny i・cosz i sinz i l=1, 2 i=1, 2, 3 (3) However, in this example, two star sensors A total of 3 out of the multiple observed values by 1, that is $
1 (t), $ 2 (t), and $ 3 (t) are selected and used in the following processing.

一方、サブカタログ編集装置5はデータベース
4と姿勢計算装置9から与えられる〔BCSt(但
し、初回の処理のみ、例えばデータベース中に予
め設定しておいた〔BCI0)を入力として、以下
の方法でサブカタログ$j aを編集する。
On the other hand, the subcatalog editing device 5 uses the [ B C S ] t given from the database 4 and the attitude calculation device 9 (however, only for the first processing, for example, [ B C I ] 0 set in advance in the database). As input, edit the subcatalog $ j a in the following way.

まず、恒星センサの光軸方向の単位ベクトル〓
sl(t)を次式により計算する。
First, the unit vector in the optical axis direction of the stellar sensor 〓
sl (t) is calculated using the following formula.

sl(t)=〔SCBlBCIt 〔1、0、0〕T、l=1、2 (4) つぎに、データベース4中の恒星カタログa
から、以下の条件式により、恒星センサ視野内に
存在すると予測される恒星$j aを選出する。
sl (t)=[ S C B ] l [ B C I ] t [1, 0, 0] T , l=1, 2 (4) Next, the stellar catalog a in database 4
Based on the following conditional expression, a star $ j a that is predicted to exist within the field of view of the star sensor is selected.

j a∈〔a||cos-1a・〓sl}|<ε1〕 (5) 但し、ε1は恒星センサの視野の大きさなどを考
慮して一定の値に設定する。
$ j a ∈ [ a | | cos -1 { a・〓 sl } | <ε 1 ] (5) However, ε 1 is set to a constant value taking into account the size of the field of view of the stellar sensor.

恒星同定処理装置6は上記式(3)で与えられる$
(t)、i=1、2、3と式(5)で与えられる恒星
カタログ値$j aを用いて以下の同定処理を行う。
The star identification processing device 6 uses $ given by the above equation (3).
The following identification process is performed using i (t), i=1, 2, 3, and the stellar catalog value $ j a given by equation (5).

まず、 a1=$1(t)・S2(t) a2=$2(t)・S3(t) a3=$3(t)・S1(t) (6) を計算する。 First, calculate a 1 = $ 1 (t)・S 2 (t) a 2 = $ 2 (t)・S 3 (t) a 3 = $ 3 (t)・S 1 (t) (6) .

つぎに、サブカタログから1個の恒星$1 aを取
出し、サブカタログ内の残りのj−1個の恒星に
対し、あらかじめ設定した定数ε2を用いて $1 a、$j-1 a−ai>cosε2、i=1、2、3 (7) を満足する組合せが1組でも存在するか否かをテ
ストする。もし一組でも存在すればその恒星$1 a
を同定候補として残す。また、一組も存在しない
場合はその恒星をサブカタログから除去する。こ
の操作をサブカタログ内の全て恒星についてくり
返す。ε2を十分小さく設定すれば、これによつて
サブカタログ内にa1、a2、a3に対応するカタログ
恒星の組$1j a・$2j a、$2j a・$3j a、$3j a・$1j a
が残る。したがつて、$1のカタログ値は$1j a
2のカタログ値は$2j a、$3のカタログ恒星は$
3j aであるとして同定が完了する。
Next, take one star $ 1 a from the subcatalog, and use the preset constant ε 2 to calculate $ 1 a , $ j-1 a − for the remaining j−1 stars in the subcatalog. It is tested whether there is even one combination that satisfies a i >cosε 2 , i=1, 2, 3 (7). If even one pair exists, that star $ 1 a
is left as an identification candidate. Also, if no pair exists, that star is removed from the subcatalog. Repeat this operation for all stars in the subcatalog. If ε 2 is set to a sufficiently small value, the set of catalog stars corresponding to a 1 , a 2 , a 3 in the subcatalog $ 1j a・$ 2j a , $ 2j a・$ 3j a , $ 3j a・$ 1j a
remains. Therefore, the catalog value of $ 1 is $ 1j a ,
The catalog value of $ 2 is $ 2j a , and the catalog star of $ 3 is $
3j a , and the identification is completed.

第4図は恒星センサ1による恒星観測時刻t0
t0=0として、時刻(n−1)τと時刻nτでの人
工衛星の姿勢の相対的関係を示している。但しτ
は恒星観測のサンプリング時間とする。図におい
て、(〓Bo-1、〓Bo-1、〓Bo-1)は時刻(n−1)
τでの衛星機軸方向の単位ベクトル、(〓Bo、〓B
、〓Bo)は時刻nτでの衛星機軸方向の単位ベク
トルであり、(ΔΨo、Δφo、Δθo)はオイラ角、
(ω1o-1、ω2o-1、ω3o-1)、(ω1o、ω2o、ω3o)は

れぞれ衛星機軸回りの回転角速度である。
Figure 4 shows the star observation time t 0 by star sensor 1.
Assuming that t 0 =0, the relative relationship between the attitude of the artificial satellite at time (n-1)τ and time nτ is shown. However, τ
is the sampling time of stellar observation. In the figure, (〓 Bo-1 ,〓 Bo-1 ,〓 Bo-1 ) is time (n-1)
Unit vector in the satellite axis direction at τ, (〓 Bo , 〓 B
o , 〓 Bo ) is the unit vector in the satellite axis direction at time nτ, (ΔΨ o , Δφ o , Δθ o ) is the Euler angle,
1o-1 , ω 2o-1 , ω 3o-1 ) and (ω 1o , ω 2o , ω 3o ) are rotational angular velocities around the satellite axis, respectively.

このような関係において、姿勢変位計算装置7
は時刻t0から時刻t=nτまでの姿勢の変化分
〔ΔCB〕を以下の式で計算する。
In such a relationship, the posture displacement calculation device 7
calculates the change in posture [ΔC B ] from time t 0 to time t=nτ using the following formula.

〔ΔCB〕=C11 C12 C13 C21 C22 C23 C31 C32 C33 ……(8) ここでC11=Δρ1 2−Δρ2 2−Δρ3 2+Δρ4 2 C12=2(−Δρ4Δρ3+Δρ1Δρ2) C13=2(Δρ4Δρ2+Δρ1Δρ2) C21=2(Δρ4Δρ3+Δρ1Δρ2) C22=−Δρ1 2+Δρ2 2+Δρ3 2+Δρ4 2 C23=2(−Δρ4Δρ1+Δρ2Δρ3) C31=2(−Δρ4Δρ2+Δρ1Δρ3) C32=2(Δρ4Δρ1+Δρ2Δρ3) C33=−Δρ1 2−Δρ2 2+Δρ3 2+Δρ4 2 但し Δρ1 Δρ2 Δρ3 Δρ4〓 | | | | 〓o=Δq4−Δq3 Δq2 Δq1 Δq3 Δq4 Δq1 Δq2 −Δq2 Δq1 Δq4 Δq3 −Δq1 −Δq2 −Δq3 Δq4Δρ1 Δρ2 Δρ3 Δρ4〓 | | | | 〓o-1 (9) Δq1=sinΔθn/2cosΔφn/2sinΔΨn/
2−cosΔθn/2sinΔφn/2cosΔΨn/2 Δq2=−sinΔθn/2cosΔφn/2cosΔΨn
/2−cosΔθn/2sinΔφn/2sinΔΨn/2 Δq3=sinΔθn/2cosΔφn/2cosΔΨn/
2−cosΔθn/2cosΔφn/2sinΔΨn/2 Δq4=cosΔθn/2cosΔφn/2cosΔΨn/
2−sinΔθn/2sinΔφn/2sinΔΨn/2(10) ここで未知量となつているのはオイラ角(Δφ、
Δθ、ΔΨ)oであるが、時刻t=0での初期値Δφ0
=Δθ0=ΔΨ0=0とし、慣性センサ2で測定した
衛星機軸回りの回転角速度ωuo(u=1、2、3)
を周期τで読込み、次式で計算する。
[ΔC B ] = C 11 C 12 C 13 C 21 C 22 C 23 C 31 C 32 C 33 ……(8) Here, C 11 = Δρ 1 2 −Δρ 2 2 −Δρ 3 2 +Δρ 4 2 C 12 = 2(-Δρ 4 Δρ 3 +Δρ 1 Δρ 2 ) C 13 =2(Δρ 4 Δρ 2 +Δρ 1 Δρ 2 ) C 21 =2(Δρ 4 Δρ 3 +Δρ 1 Δρ 2 ) C 22 =−Δρ 1 2 +Δρ 2 2 +Δρ 3 2 +Δρ 4 2 C 23 = 2 (−Δρ 4 Δρ 1 +Δρ 2 Δρ 3 ) C 31 = 2 (−Δρ 4 Δρ 2 +Δρ 1 Δρ 3 ) C 32 = 2 (Δρ 4 Δρ 1 +Δρ 2 Δρ 3 ) C 33 = δ 1 2 2-2 2 δ 3 2 + δ 4 2 2 However, δ 1 δ 2 δ 2 δ 3 Δ δ 4 | | 〓 O = ΔQ 4 -ΔQ 2 ΔQ 2 ΔQ 3 ΔQ 4 ΔQ 1 ΔQ 1 ΔQ 1 ΔQ 1 ΔQ 1 ΔQ 1 ΔQ 1 ΔQ 2 −Δq 2 Δq 1 Δq 4 Δq 3 −Δq 1 −Δq 2 −Δq 3 Δq 4 Δρ 1 Δρ 2 Δρ 3 Δρ 4 | | | 〓 o-1 (9) Δq 1 =sinΔθn/2cosΔφn/2sinΔΨn/
2−cosΔθn/2sinΔφn/2cosΔΨn/2 Δq 2 =−sinΔθn/2cosΔφn/2cosΔΨn
/2-cosΔθn/2sinΔφn/2sinΔΨn/2 Δq 3 = sinΔθn/2cosΔφn/2cosΔΨn/
2-cosΔθn/2cosΔφn/2sinΔΨn/2 Δq 4 =cosΔθn/2cosΔφn/2cosΔΨn/
2−sinΔθn/2sinΔφn/2sinΔΨn/2(10) The unknown quantity here is the Euler angle (Δφ,
Δθ, ΔΨ) o , but the initial value Δφ 0 at time t=0
=Δθ 0 =ΔΨ 0 =0, rotational angular velocity around the satellite axis measured by inertial sensor 2 ω uo (u=1, 2, 3)
is read with a period τ and calculated using the following formula.

Δφo=1/6(d1+2d2+2d3+d4) Δθo=1/6(η1+2η2+2η3+η4) ΔΨo=1/6(f1+2f2+2f3+f4) (11) 但し d1=τω1o η1=τω2o f1=τω3o d2=τ{ω1ocos(ω2oτ/2)+ω3osin(ω2oτ/2
)} η2=τ{ω1otan(ω1oτ/2)sin(ω2oτ/2)+
ω2o−ω3otan(ω1oτ/2)cos(ω2oτ/2)} f2=τ{−ω1osin(ω2oτ/2)/cos(ω1oτ/2)
+ω3ocos(ω2oτ/2)/cos(ω1oτ/2)} d3=τ{ω1ocos(η2/2)+ω3osin(η2/2)} η3=τ{ω1otan(d2/2)sin(η2/2)+ω2o−ω
3otan(d2/2)cos(η2/2)} f3=τ{−ω1osin(η2/2)/cos(d2/2)+ω3oc
os(η2/2)/cos(d2/2)} d4=τ{ω1ocosη3+ω3〓sinη3} η4=τ{ω1otand3sinη3+ω2o−ω3otand3cosη3} f4=τ{−ω1osinη3/cosd3+ω3ocosη3/cosd3} なお、 〔Δρ1、Δρ2、Δρ3、Δρ4T 0 =〔0、0、0、1〕T 0 (12) と設定する。
Δφ o = 1/6 (d 1 +2d 2 +2d 3 +d 4 ) Δθ o = 1/6 (η 1 +2η 2 +2η 34 ) ΔΨ o = 1/6 (f 1 +2f 2 +2f 3 +f 4 ) (11 ) However, d 1 = τω 1o η 1 = τω 2o f 1 = τω 3o d 2 = τ{ω 1o cos(ω 2o τ/2) + ω 3o sin(ω 2o τ/2
)} η 2 = τ{ω 1o tan (ω 1o τ/2) sin (ω 2o τ/2) +
ω 2o −ω 3o tan (ω 1o τ/2) cos (ω 2o τ/2)} f 2 = τ{−ω 1o sin (ω 2o τ/2)/cos (ω 1o τ/2)
3o cos (ω 2o τ/2)/cos (ω 1o τ/2)} d 3 = τ{ω 1o cos (η 2 /2) + ω 3o sin (η 2 /2)} η 3 = τ{ω 1o tan (d 2 /2) sin (η 2 /2) + ω 2o −ω
3o tan (d 2 /2) cos (η 2 /2)} f 3 = τ{−ω 1o sin (η 2 /2) / cos (d 2 /2) + ω 3o c
os(η 2 /2) / cos(d 2 /2)} d 4 =τ{ω 1o cosη 33 〓sinη 3 } η 4 =τ{ω 1o tand 3 sinη 32o −ω 3o tand 3 cosη 3 } f 4 = τ{−ω 1o sinη 3 /cosd 33o cosη 3 /cosd 3 } In addition, [Δρ 1 , Δρ 2 , Δρ 3 , Δρ 4 ] T 0 = [0, 0, 0, 1] Set T 0 (12).

姿勢初期値の更新装置8は上記恒星同定処理装
置6の出力すなわち、($1、$2、$3)と($1j
、$2j a、$3j a)を用いて、まず、時刻t=0(=
t0)での衛星の姿勢すなわち衛星機軸座標(XB
YB、ZB)と姿勢基準座標としての慣性空間座標
(XI、YI、ZI)との関係〔BCIt=0を次式により計
算する。
The attitude initial value updating device 8 uses the outputs of the star identification processing device 6, that is, ($ 1 , $ 2 , $ 3 ) and ($ 1j
a , $ 2j a , $ 3j a ), first, at time t=0 (=
t 0 ), that is, the satellite axis coordinates (X B ,
The relationship [B C I ] t=0 between Y B , Z B ) and the inertial space coordinates ( X I , Y I , Z I ) as posture reference coordinates is calculated by the following formula.

BCIt=0=$1A $23〔$1j a、$2j a、$3j a〕 (13) つぎに、式(13)と式(8)を用いて時刻t=nτでの
姿勢〔BCIt=o〓を次式により計算する。
[ B C I ] t=0 = $ 1 A $ 2 $ 3 [ $ 1j a , $ 2j a , $ 3j a ] (13) Next, using equations (13) and (8), time t= Calculate the attitude at nτ [ B C I ] t=o 〓 using the following formula.

BCIt=o〓=〔〓CB〕〔BCIt=0 (14) 姿勢計算装置9はT時間後に再び姿勢初期値が
更新されるまでの期間、上記式(14)の計算結果を
初期値として、以下の式により姿勢を計算し出力
する。
[ B C I ] t=o = [〓C B ] [ B C I ] t=0 (14) The attitude calculation device 9 calculates the above equation (14) until the attitude initial value is updated again after T time. ) is used as the initial value, the attitude is calculated and output using the following formula.

ここで、姿勢初期値の更新時刻t=nτをあら
ためてf=0とすると、衛星の姿勢〔〓B、〓B
Btkは 〔〓B、〓B、〓Btk=〔BCItk〔〓I、〓I、〓I〕(15
) 〔BCItk=〔〓CB〕〔BCItk-1 (16) で与えられる。
Here, if the update time t=nτ of the attitude initial value is set to f=0 again, the attitude of the satellite [〓 B , 〓 B ,
Btk is 〓 B , 〓 B , 〓 Btk = 〓 B C ItkI , 〓 I , 〓 I 〕(15
) [ B C I ] tk = [〓C B ] [ B C I ] tk-1 (16).

但し〔BCI0は式(14)の計算結果を用いる。また
〔〓CB〕は時間τ=tk−tk-1毎に慣性センサデータ
ωl(l=1、2、3)を読込み、式(11)、(12)により

オイラ角Δφ、Δθ、ΔΨを計算し、これを式(10)に
代入し、式(9)、式(10)からオイラパラメータ
(Δρ1、Δρ2、Δρ3、Δρ4)を計算し、これを式(8
)
の右辺に代入して逐次的に〔〓CB〕を計算する。
However, for [ B C I ] 0 , the calculation result of equation (14) is used. [〓C B ] reads inertial sensor data ω l (l = 1, 2, 3) every time τ = t k - t k-1 , and according to equations (11) and (12),
Calculate Euler angles Δφ, Δθ, ΔΨ, substitute them into equation (10), calculate Euler parameters (Δρ 1 , Δρ 2 , Δρ 3 , Δρ 4 ) from equations (9) and (10), This is expressed by the formula (8
)
Substitute it into the right-hand side of and calculate [〓C B ] sequentially.

以上に述べたことから明らかなように、この発
明による姿勢決定方式は、恒性同定に基づいて得
られる恒性観測時刻での姿勢と、慣性センサデー
タを用いて得られる恒星同定処理期間の姿勢の変
化分を結合して姿勢の初期値を定期的に更新し、
これをもとに人工衛星の姿勢を逐次的に決定でき
る。従つて、姿勢推定のためのフイルタが不要で
ある。また、姿勢決定の出力頻度が高い。また、
式(6)、式(7)によつて姿勢情報のもつ誤差の大きさ
と関係なく観測恒星を一意的に同定できる。など
の利点を有する。
As is clear from the above, the attitude determination method according to the present invention uses the attitude at the time of constancy observation obtained based on constancy identification, and the attitude during the star identification processing period obtained using inertial sensor data. The initial value of the posture is updated periodically by combining the changes in
Based on this, the attitude of the satellite can be determined sequentially. Therefore, a filter for posture estimation is not required. In addition, the output frequency of attitude determination is high. Also,
Using equations (6) and (7), the observed star can be uniquely identified regardless of the magnitude of the error in the attitude information. It has the following advantages.

なお、この実施例では式(7)の処理に直接サブカ
タログ中の恒星を用いる方法を示したが、式(7)に
よるベクトル計算(内積)の回数を減らすため
に、観測値とサブカタログ内の恒星の間で $1・$j aε32・$j aε33・$j aε3 (16) 但し、εはあらかじめ設定した定数 なる条件を満足するカタログ恒星を選出して、コ
アカタログを編集し、このコアカタログ内の恒星
に式(7)を適用しても、何らこの発明の効果を妨げ
るものではない。
Note that this example shows a method of directly using stars in the subcatalog to process equation (7), but in order to reduce the number of vector calculations (inner products) using equation (7), the observed values and stars in the subcatalog Among the stars of _ _ _ _ _ _ _ _ Even if the core catalog is edited and formula (7) is applied to the stars in this core catalog, the effects of the present invention will not be hindered in any way.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はこの発明による姿勢決定系の構成概念
を示す図、第2図は恒星センサの取付を示す概念
図、第3図は恒星観測の数学モデルを示す図、第
4図は逐次的姿勢変化計算の過程における前段階
姿勢と現時点の姿勢との関係を説明する図であ
り、1は恒星センサ、2は慣性センサ、3は恒星
ベクトル計算装置、4はデータベース、5はサブ
カタログ編集装置、6は恒星同定処理装置、7は
姿勢変位計算装置、8は姿勢初期値の更新装置、
9は姿勢計算装置、10は姿勢決定用計算機であ
る。
Fig. 1 is a diagram showing the configuration concept of the attitude determination system according to the present invention, Fig. 2 is a conceptual diagram showing the installation of a stellar sensor, Fig. 3 is a diagram showing a mathematical model for star observation, and Fig. 4 is a diagram showing the sequential attitude determination system. It is a diagram explaining the relationship between the previous stage attitude and the current attitude in the process of change calculation, 1 is a stellar sensor, 2 is an inertial sensor, 3 is a stellar vector calculation device, 4 is a database, 5 is a sub-catalog editing device, 6 is a star identification processing device, 7 is an attitude displacement calculation device, 8 is an attitude initial value updating device,
9 is an attitude calculation device, and 10 is an attitude determination computer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 視野内での恒星の座標を測定する恒星センサ
と、上記恒星センサからの出力信号を入力として
衛星機軸座標に対する恒星方向の単位ベクトルを
計算する恒星ベクトル計算装置と、恒星カタログ
および姿勢決定結果が得られる前の段階で用いる
姿勢の予測値をデータベースから読込んで恒星セ
ンサの視野範囲にあると予測される恒星のカタロ
グを編集するサブカタログ編集装置と、上記恒星
ベクトル計算装置およびサブカタログ編集装置の
出力信号を入力として観測恒星に対応するカタロ
グ恒星を同定する同定処理装置と、衛星機軸回り
の角速度を測定する慣性センサと、上記慣性セン
サからの出力信号を入力として恒星センサによる
恒星観測時刻から現時点までの人工衛星の姿勢の
変化分を計算する姿勢変位計算装置と、上記同定
処理装置および姿勢変位計算装置の出力信号を入
力として姿勢の初期値を計算する姿勢初期値の更
新装置と、上記姿勢初期値の更新装置および慣性
センサデータを入力として人工衛星の姿勢を計算
する姿勢計算装置とを備え、上記姿勢計算装置の
出力信号を上記サブカタログ編集装置へフイード
バツクするように構成した姿勢決定用計算機を上
記人工衛星に搭載し、人工衛星の姿勢決定値およ
び姿勢の変化速度を出力するようにしたことを特
徴とする人工衛星の姿勢決定方式。
1. A stellar sensor that measures the coordinates of stars within the field of view, a stellar vector calculation device that uses the output signal from the stellar sensor as input to calculate a unit vector in the stellar direction with respect to the satellite axis coordinates, and a stellar catalog and attitude determination result. a subcatalog editing device that reads the predicted attitude values used in the step before obtaining them from a database and edits a catalog of stars predicted to be within the field of view of the stellar sensor; and the above-mentioned stellar vector calculation device and subcatalog editing device. An identification processing device that uses the output signal as input to identify the catalog star corresponding to the observed star, an inertial sensor that measures the angular velocity around the satellite axis, and an inertial sensor that uses the output signal from the inertial sensor as input to identify the star from the star observation time using the star sensor an attitude displacement calculation device that calculates a change in the attitude of the artificial satellite up to the point in time; an attitude initial value update device that calculates an initial attitude value by inputting output signals of the identification processing device and the attitude displacement calculation device; An attitude determination computer comprising an initial value updating device and an attitude calculation device that calculates the attitude of an artificial satellite using inertial sensor data as input, and configured to feed back an output signal of the attitude calculation device to the subcatalog editing device. An attitude determination method for an artificial satellite, characterized in that the above-mentioned artificial satellite is equipped with the above-mentioned satellite, and outputs an attitude determination value and an attitude change rate of the artificial satellite.
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