CN108717198B - 一种空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法和系统,该方法包括:建立空间非合作目标在观测卫星质心轨道坐标系下的相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型;根据相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型,确定更新后的测量系统误差参数;将更新后的测量系统误差参数代入测角测距相对导航观测模型的观测方程,对当前相对导航结果进行修正,并按照更新后的测量系统误差参数进行后续导航滤波解算。本发明满足了空间非合作目标天基观测相对导航的应用需求,提升了传统扩展卡尔曼滤波算法对空间非合作目标的导航精度。
Description
技术领域
本发明属于空间非合作目标相对导航技术领域,尤其涉及一种空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法和系统。
背景技术
空间非合作目标包括敌方卫星、空间碎片、失效航天器等具有明显非合作特性的人造天体或自然天体。依靠天基测量手段可以实现对空间非合作目标的相对导航,因此,在空间攻防、态势感知和在轨服务等领域具有广泛而重要的应用。
空间非合作目标由于缺少高精度敏感器配合测量信息,在进行相对导航解算时往往只能依靠观测卫星上配备的相机、雷达等有限测量设备对目标进行被动观测,并且需要根据测量结果对目标进行三维模型重建及特征点提取,进而从中提取出目标特征点距离和视线角观测信息。由于在对目标进行三维重建及特征点提取过程中不可避免存在一定的建模误差,导致获得的目标视线角和距离观测量也存在相对较大的系统误差和随机白噪声,这些误差的存在会对非合作目标相对导航的结果造成较大影响,甚至导致滤波发散,因此有必要在导航算法设计时着重考虑。
考虑到测量系统误差会直接影响测量残差的大小,并且在短时间段内具有相对稳定的特性,因此可以根据一段时间内相对导航累积测量残差,利用参数优化的方法实现对测量系统误差的最优估计和自适应修正,对提升空间非合作目标相对导航精度具有重要意义。
发明内容
本发明的技术解决问题:克服现有技术的不足,提供一种空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法和系统,满足了空间非合作目标天基观测相对导航的应用需求,提升了传统扩展卡尔曼滤波算法对空间非合作目标的导航精度。
为了解决上述技术问题,本发明公开了一种空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法,包括:
建立空间非合作目标在观测卫星质心轨道坐标系下的相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型;
根据相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型,确定更新后的测量系统误差参数;
将更新后的测量系统误差参数代入测角测距相对导航观测模型的观测方程,对当前相对导航结果进行修正,并按照更新后的测量系统误差参数进行后续导航滤波解算。
在上述空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法中,根据相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型,确定更新后的测量系统误差参数,包括:
根据相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型,解算得到测量残差、测量矩阵和卡尔曼增益矩阵;
根据测量残差、测量矩阵和卡尔曼增益矩阵,确定更新后的测量系统误差参数。
在上述空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法中,根据相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型,解算得到观测残差、测量矩阵和卡尔曼增益矩阵,包括:
根据空间非合作目标运动状态先验信息,初始化目标相对状态矢量、协方差矩阵和观测噪声矩阵;
读取观测数据,根据目标当前最优估计状态及下次观测时刻,通过数值积分计算下次观测时刻目标相对状态矢量和协方差矩阵的估计值;
根据相对导航动力学模型计算测量残差、测量矩阵和卡尔曼增益矩阵。
在上述空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法中,根据测量残差、测量矩阵和卡尔曼增益矩阵,确定更新后的测量系统误差参数,包括:
根据测量残差对目标相对状态矢量和协方差矩阵进行更新;
当观测量累积数目满足系统误差更新条件时,根据测量残差,利用单纯形-模拟退火混合算法,对测量系统误差参数进行修正,得到更新后的测量系统误差参数,使得当前累积测量残差达到极小。
在上述空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法中,还包括:
当观测量累积至再次满足系统误差更新判据时,重新对测量系统误差及导航结果进行修正。
相应的,本发明还公开了一种空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波系统,包括:
模型建立模块,用于建立空间非合作目标在观测卫星质心轨道坐标系下的相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型;
参数确定模块,用于根据相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型,确定更新后的测量系统误差参数;
修正模块,用于将更新后的测量系统误差参数代入测角测距相对导航观测模型的观测方程,对当前相对导航结果进行修正,并按照更新后的测量系统误差参数进行后续导航滤波解算。
本发明具有以下优点:
(1)本发明能够有效解决空间非合作目标相对导航算法对测量系统误差修正能力不足的问题。
(2)本发明基于带状态噪声补偿的扩展卡尔曼滤波,采用高精度相对运动动力学模型及联合测距、测角相对导航观测模型,能够适用于中远距离相对导航解算。
(3)本发明根据当前累积观测资料测量残差统计特性实现对测量系统误差参数的定期修正,能够有效提升对空间非合作目标的相对导航精度。
(4)本发明采用单纯形-模拟退火混合算法求解最优测量系统误差参数,具有计算效率高、收敛速度快的特点。
附图说明
图1是本发明实施例中一种空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法的步骤流程图;
图2本发明实施例中一种观测卫星质心轨道坐标系示意图;
图3本发明实施例中一种目标视线观测量示意图;
图4本发明实施例中一种计算最优系统误差参数的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
参照图1,示出了本发明实施例中一种空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法的步骤流程图。在本实施例中,所述空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法,包括:
步骤101,建立空间非合作目标在观测卫星质心轨道坐标系下的相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型。
步骤102,根据相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型,确定更新后的测量系统误差参数。
在本实施例中,可以根据相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型,解算得到测量残差、测量矩阵和卡尔曼增益矩阵;根据测量残差、测量矩阵和卡尔曼增益矩阵,确定更新后的测量系统误差参数。
优选的,可以根据空间非合作目标运动状态先验信息,初始化目标相对状态矢量、协方差矩阵和观测噪声矩阵;读取观测数据,根据目标当前最优估计状态及下次观测时刻,通过数值积分计算下次观测时刻目标相对状态矢量和协方差矩阵的估计值;根据相对导航动力学模型计算测量残差、测量矩阵和卡尔曼增益矩阵。
优选的,可以根据测量残差对目标相对状态矢量和协方差矩阵进行更新;当观测量累积数目满足系统误差更新条件时,根据测量残差,利用单纯形-模拟退火混合算法,对测量系统误差参数进行修正,得到更新后的测量系统误差参数,使得当前累积测量残差达到极小。
步骤103,将更新后的测量系统误差参数代入测角测距相对导航观测模型的观测方程,对当前相对导航结果进行修正,并按照更新后的测量系统误差参数进行后续导航滤波解算。
在本发明的一优选实施例中,所述空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法,还可以包括:当观测量累积至再次满足系统误差更新判据时,重新对测量系统误差及导航结果进行修正。
在上述实施例的基础上,下面结合一个具体实例对所述空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法进行详细说明。
(1)建立空间非合作目标在观测卫星质心轨道坐标系下的相对导航动力学模型。
在本实施例中,根据非合作目标与观测卫星在地心J2000坐标系下的运动方程,通过坐标平移、旋转变换可得空间非合作目标在观测卫星质心轨道坐标系下的相对导航动力学模型。
其中,观测卫星质心轨道坐标系的定义如图2所示,空间非合作目标在观测卫星质心轨道坐标系下的相对导航动力学模型可以写为:
其中,μ为地球引力常数,r0为观测卫星地心距,分别表示x、y、z三个方向上的摄动加速度,ω和分别表示观测卫星的轨道角速度和角加速度,(x,y,z)为观测卫星的坐标。
利用观测卫星轨道根数,可以写为:
其中,e表示观测卫星轨道偏心率,f表示观测卫星轨道真近点角。
目标在观测卫星质心轨道坐标系下的视线角定义如图3所示,其中α为方位角,β为高度角。
根据目标相对状态矢量X,可将目标视线距离及视线角观测量Y=[ρ,α,β]T写为Y=H(X,t)的形式,其具体表达式为:
式中,表示测量系统误差,表示测量白噪声。
(2)初始化。
令i=1,ti-1=t0,根据系统先验信息设置非合作目标状态矢量初值协方差矩阵初值P0 +、测量噪声方差矩阵初值R0,以及状态噪声方差矩阵初值Q0,根据系统误差修正频率要求,设置更新窗口宽度N,令系统误差更新开关函数λ=1。
(3)时间更新。
读取ti时刻目标视线角及视线距离观测数据Yi,根据目标当前最优估计状态及观测时刻ti,通过数值积分计算ti时刻目标相对状态矢量和协方差矩阵估计值其中,状态矢量估计值可根据相对运动方程(记作通过数值积分算得:
协方差矩阵估计值Pi -按照考虑状态噪声补偿的协方差更新公式计算,即
式中,状态转移矩阵Φ(ti,ti-1)可由下式确定:
Jacobi矩阵A(t)满足:
(4)测量更新。
根据相对导航观测模型计算测量残差yi、测量矩阵和卡尔曼增益矩阵Ki:
(5)根据测量残差对目标相对状态矢量和协方差矩阵进行更新:
(6)系统误差修正。
当观测量累积数满足系统误差更新条件,即下述关系成立时,利用单纯形-模拟退火混合算法优化测量系统误差参数:
mod(i,N)=0∩λ=1 (14)
式中,mod(i,N)表示i对N取模。测量系统误差优化的目标是使得累积测量残差达到极小,即:
这里采用的单纯形-模拟退火混合算法结合了单纯形算法收敛速度快及模拟退火算法避免陷入局优的特点,具有计算效率高、收敛速度快的特点。关于该算法的具体计算流程如图4所示,关于单纯形算法与模拟退火算法的原理及算法实现可参见《智能优化算法及其应用》(王凌著)一书的2.1节和8.1节,这里不再赘述。
(7)经系统误差修正后令开关函数λ=0,并将优化后的测量系统误差参数代人观测方程(3)式,并按照步骤(4)至(5)对当前相对导航结果进行修正。
(8)读取新的观测数据,利用更新后的系统误差参数进行后续相对导航解算。当观测量累积至再次满足系统误差更新判据时,按照相对过程对测量系统误差及导航结果进行定期修正,直至没有新的观测数据,计算结束。
按照上述过程,根据当前累积观测资料的测量残差,利用单纯形-模拟退火混合算法对测量系统误差参数进行定期修正,能够有效提升对空间非合作目标的相对导航精度及滤波收敛速度。
在上述实施例的基础上,本发明还公开了一种空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波系统,包括:模型建立模块,用于建立空间非合作目标在观测卫星质心轨道坐标系下的相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型;参数确定模块,用于根据相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型,确定更新后的测量系统误差参数;修正模块,用于将更新后的测量系统误差参数代入测角测距相对导航观测模型的观测方程,对当前相对导航结果进行修正,并按照更新后的测量系统误差参数进行后续导航滤波解算。
c对于系统实施例而言,由于其与方法实施例相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法实施例部分的说明即可。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述,仅为本发明最佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法,其特征在于,包括:
建立空间非合作目标在观测卫星质心轨道坐标系下的相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型;
相对导航动力学模型为:
利用观测卫星轨道根数,将式(1)写为:
根据目标相对状态矢量X,将目标视线距离及视线角观测量Y=[ρ,α,β]T写为Y=H(X,t)的形式,具体表达式为:
其中,μ为地球引力常数,r0为观测卫星地心距,分别表示x、y、z三个方向上的摄动加速度,ω和分别表示观测卫星的轨道角速度和角加速度,(x,y,z)为观测卫星的坐标;e表示观测卫星轨道偏心率,f表示观测卫星轨道真近点角;α表示方位角,β表示高度角,表示测量系统误差,表示测量白噪声;
根据相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型,确定更新后的测量系统误差参数;
将更新后的测量系统误差参数代入测角测距相对导航观测模型的观测方程,对当前相对导航结果进行修正,并按照更新后的测量系统误差参数进行后续导航滤波解算。
2.根据权利要求1所述的空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法,其特征在于,根据相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型,确定更新后的测量系统误差参数,包括:
根据相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型,解算得到测量残差、测量矩阵和卡尔曼增益矩阵;
根据测量残差、测量矩阵和卡尔曼增益矩阵,确定更新后的测量系统误差参数。
3.根据权利要求2所述的空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法,其特征在于,根据相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型,解算得到观测残差、测量矩阵和卡尔曼增益矩阵,包括:
根据空间非合作目标运动状态先验信息,初始化目标相对状态矢量、协方差矩阵和观测噪声矩阵;
读取观测数据,根据目标当前最优估计状态及下次观测时刻,通过数值积分计算下次观测时刻目标相对状态矢量和协方差矩阵的估计值;
根据相对导航动力学模型计算测量残差、测量矩阵和卡尔曼增益矩阵。
4.根据权利要求2所述的空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法,其特征在于,根据测量残差、测量矩阵和卡尔曼增益矩阵,确定更新后的测量系统误差参数,包括:
根据测量残差对目标相对状态矢量和协方差矩阵进行更新;
当观测量累积数目满足系统误差更新条件时,根据测量残差,利用单纯形-模拟退火混合算法,对测量系统误差参数进行修正,得到更新后的测量系统误差参数,使得当前累积测量残差达到极小。
5.根据权利要求1所述的空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法,其特征在于,还包括:
当观测量累积至再次满足系统误差更新判据时,重新对测量系统误差及导航结果进行修正。
6.一种用于实现如权利要求1所述的空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波方法的空间非合作目标相对导航系统误差补偿修正滤波系统,其特征在于,包括:
模型建立模块,用于建立空间非合作目标在观测卫星质心轨道坐标系下的相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型;
参数确定模块,用于根据相对导航动力学模型与测角测距相对导航观测模型,确定更新后的测量系统误差参数;
修正模块,用于将更新后的测量系统误差参数代入测角测距相对导航观测模型的观测方程,对当前相对导航结果进行修正,并按照更新后的测量系统误差参数进行后续导航滤波解算。
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