CN109100750A - 一种基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法 - Google Patents

Abstract

一种基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法，步骤为：基于不同的星座导航敏感器建立多个并行滤波器，每个并行滤波器分别对各自分配的敏感器的测量信息进行处理，获取参与导航的星座卫星的位置和速度矢量的估计值，星座卫星自主导航系统总体状态估计值是各个并行滤波器状态估计值的加权和；各个并行滤波器的权值根据相应的测量残差进行迭代计算，使得测量残差较小的并行滤波器对应的权值较大，测量残差较大的并行滤波器对应的权值较小。在部分敏感器测量误差增大时，上述方法能够自适应地选取适当的并行滤波器在总体状态估计中起主导作用，从而削弱误差增大的敏感器对星座卫星自主导航系统总体状态估计值的影响，实现敏感器的优化调度。

Description

一种基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法

技术领域

本发明涉及一种基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法，属于卫星自主导航技术领域。

背景技术

北斗卫星导航系统是国家综合PNT(定位导航授时)体系建设的核心，星座自主运行技术是新一代卫星导航系统的主要特征和研究重点之一，它的成功将为地面进行星座轨道维持管理提供巨大的方便，节省星座运行成本，提升星座自主生存能力。星座卫星自主导航系统是维持高性能导航服务、实现高品质自主轨道控制的基础。

在不具备自主导航功能的情况下，星座卫星的定位精度将逐步降低，如美国GPS卫星在与地面站联系中断的情况下，14天末卫星导航服务误差达到200m，180天末达到1500m。实现高精度自主导航是星座卫星的发展趋势。基于星间相对测量信息的绝对定轨是一种具有应用前景的星座卫星自主导航手段，基本方法是在星座卫星上配置星座导航敏感器，获取星座卫星之间的相对测量信息(如星间距离观测量)，再结合精确的星座卫星轨道动力学模型，采用适当的滤波器对观测量进行处理，估计出参与导航的星座卫星的位置和速度，从而实现星座卫星自主导航。

一种常用的方法是将无线电测距设备作为星座导航敏感器，获取星间距离观测量，但是，在实际应用过程中，以无线电信号为载体的星座导航敏感器存在信号易受干扰的问题，会导致部分星座导航敏感器测量误差增大，进而造成星座卫星自主导航系统性能下降。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对星座卫星自主导航系统中星座导航敏感器易受信号干扰影响，导致测量误差增大的问题，提出一种基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法。该方法能够根据各个并行滤波器的测量残差识别星座导航敏感器测量误差增大的情况并及时作出调整，自适应地减小该敏感器对应并行滤波器的权值，从而实现对不同星座导航敏感器的合理配置和测量信息的优化处理，增强星座卫星自主导航系统应对信号干扰的能力。

本发明的技术解决方案是：一种基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法，步骤如下：

(1)选择参与星座导航的三颗卫星的位置和速度矢量进行组合，建立状态转移函数和测量函数，为每个并行滤波器分配一个初始权值；

(2)利用步骤(1)得到的状态转移函数和测量函数，通过三个并行滤波器分别进行递推解算，处理三个星座导航敏感器得到的星间距离观测量，获得各个并行滤波器的状态变量估计值，并计算各个并行滤波器的测量残差；

(3)根据步骤(2)得到的测量残差计算各个并行滤波器的权值；

(4)根据步骤(2)得到的各个并行滤波器的状态变量估计值和步骤(3)得到的各个并行滤波器的权值计算各个并行滤波器的状态变量估计值的加权和，加权和即为当前时刻星座卫星自主导航系统的总体状态估计值；

(5)将步骤(2)到步骤(4)进行重复迭代，获得不同时刻的总体状态估计值，即获得星座卫星的位置和速度信息，完成星座导航敏感器的优化调度。

所述步骤1)中，作为三个并行滤波器的状态变量，每个并行滤波器的状态变量包含两颗卫星的位置和速度矢量，且三个并行滤波器的状态变量各不相同，根据所述状态变量建立状态转移函数和测量函数，为每个并行滤波器分配一个初始权值。

所述三个并行滤波器的状态变量分别为：

其中，

表示第τ个并行滤波器的状态变量，τ＝1，2，3，表示第i颗卫星的位置和速度矢量，i＝1，2，3，r_i，k表示第i颗卫星的三维位置矢量，v_i，k表示第i颗卫星的三维速度矢量，下标k用于区分不同的时刻；

所述状态转移函数为：

其中，μ表示地球引力常数，T表示预测周期，均为已知常数；符号||·||表示向量的欧氏范数，函数p(r_i，k)表示除地球中心引力外其他轨道摄动因素的影响；

星座卫星自主导航系统的观测量为通过星座导航敏感器获得的星间距离观测量，所述测量函数为：

为每个并行滤波器分配的初始权值为：

所述步骤(2)中通过三个并行滤波器分别进行递推解算，获得各个并行滤波器的状态变量估计值具体为：

其中，和分别表示第τ个并行滤波器的状态变量的估计值和预测值，表示对应第τ个并行滤波器的观测量，星间距离观测量通过星座卫星上的星座导航敏感器得到；表示滤波增益阵，可通过并行滤波器计算得到。

所述各个并行滤波器的测量残差的计算公式为：

所述步骤(3)中的权值计算过程如下：

对于第τ个并行滤波器，权值的计算公式为：

其中，似然函数的计算公式为：

为测量残差方差阵，通过并行滤波器计算得到。

所述步骤(4)中所述加权和的计算公式如下：

其中，和为加权和，即为当前时刻星座卫星自主导航系统的总体状态估计值，表示通过第τ个并行滤波器得到的第i颗卫星的位置和速度矢量的估计值；和为局部权值，计算公式如下：

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明提出的基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法能够自适应地识别出某个星座导航敏感器误差增大的情况，并采取适当策略进行处理：在全部星座导航敏感器正常工作的情况下，综合利用各个敏感器的测量信息；在某个星座导航敏感器误差增大的情况下，令正常工作的那部分星座导航敏感器在星座卫星自主导航系统中起主导作用。仿真研究表明，应用本发明所提方法，在某个星座导航敏感器误差增大的情况下，能够显著提升星座卫星自主导航系统的定位精度。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为星座卫星自主导航系统示意图；

图3为用于处理不同星座导航敏感器信息的并行滤波器结构图；

图4为基于传统方法的卫星位置估计误差曲线；

图5为基于本发明所提方法的卫星位置估计误差曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

以无线电信号为载体的星座导航敏感器存在信号易受干扰的问题，会导致部分星座导航敏感器测量误差增大，进而造成星座卫星自主导航系统性能下降。针对这一问题，本发明提出一种基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法，基本方法为：基于不同的星座导航敏感器建立多个并行滤波器，每个并行滤波器分别对各自分配的敏感器的测量信息进行处理，获取参与导航的星座卫星的位置和速度矢量的估计值，星座卫星自主导航系统总体状态估计值是各个并行滤波器状态估计值的加权和；各个并行滤波器的权值根据相应的测量残差进行迭代计算，使得测量残差较小的并行滤波器对应的权值较大，测量残差较大的并行滤波器对应的权值较小。在部分敏感器测量误差增大时，上述方法能够自适应地选取适当的并行滤波器在总体状态估计中起主导作用，从而实现敏感器的优化调度，削弱误差增大的敏感器对星座卫星自主导航系统总体状态估计值的影响。

如图1所示，本发明提出一种基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法，步骤如下：

(1)选择参与星座导航的三颗卫星的位置和速度矢量进行组合，参与星座导航的三颗卫星如图2所示。作为三个并行滤波器的状态变量，每个并行滤波器的状态变量包含两颗卫星的位置和速度矢量，且三个并行滤波器的状态变量各不相同，根据所述状态变量建立状态转移函数和测量函数，为每个并行滤波器分配一个初始权值。三个并行滤波器的结构如图3所示。三个并行滤波器的状态变量分别为：

其中，

表示第τ个并行滤波器的状态变量，表示第i颗卫星的位置和速度矢量，r_i，k表示第i颗卫星的三维位置矢量，v_i，k表示第i颗卫星的三维速度矢量，下标k用于区分不同的时刻。

所述状态转移函数为：

其中，μ表示地球引力常数，T表示预测周期，均为已知常数。符号||·||表示向量的欧氏范数，函数p(r_i，k)表示除地球中心引力外其他轨道摄动因素的影响。函数p(r_i，k)的推导过程和参数定义可参考北京航空航天大学出版社1998年出版的由章仁为编著的《卫星轨道姿态动力学与控制》一书。

星座卫星自主导航系统的观测量为通过星座导航敏感器获得的星间距离观测量，所述测量函数为：

为每个并行滤波器分配的初始权值为：

(2)利用步骤(1)得到的状态转移函数和测量函数，通过三个并行滤波器分别进行递推解算，处理三个星座导航敏感器得到的星间距离观测量，获得各个并行滤波器的状态变量估计值，并计算各个并行滤波器的测量残差。

通过三个并行滤波器分别进行递推解算，获得各个并行滤波器的状态变量估计值具体为：

其中，和分别表示第τ个并行滤波器的状态变量的估计值和预测值，表示对应第τ个并行滤波器的观测量，星间距离观测量可通过星座卫星上的星座导航敏感器得到；表示滤波增益阵，可通过并行滤波器计算得到。的递推解算过程可参考西北工业大学出版社1998出版的由秦永元、张洪钺、汪叔华编写的《卡尔曼滤波与组合导航原理》一书。

所述各个并行滤波器的测量残差的计算公式为：

(3)根据步骤(2)得到的测量残差计算各个并行滤波器的权值。对于第τ个并行滤波器，权值的计算公式为：

其中，似然函数的计算公式为：

为测量残差方差阵，可通过并行滤波器计算得到。的递推解算过程可参考西北工业大学出版社1998出版的由秦永元、张洪钺、汪叔华编写的《卡尔曼滤波与组合导航原理》一书。

(4)根据步骤(2)得到的各个并行滤波器的状态变量估计值和步骤(3)得到的各个并行滤波器的权值计算各个并行滤波器的状态变量估计值的加权和，加权和即为当前时刻星座卫星自主导航系统的总体状态估计值。所述加权和的计算公式如下：

其中，和为加权和，即为当前时刻星座卫星自主导航系统的总体状态估计值，表示通过第τ个并行滤波器得到的第i颗卫星的位置和速度矢量的估计值；和为局部权值，计算公式如下：

(5)将步骤(2)到步骤(4)进行重复迭代，获得不同时刻的总体状态估计值，即获得了星座卫星的位置和速度信息，在某个星座导航敏感器的测量误差增大时，相应的并行滤波器对应的权值减小，从而削弱了误差增大的敏感器对星座卫星自主导航系统总体状态估计值的影响，实现了星座导航敏感器的优化调度。

以在地球轨道上飞行的3颗星座卫星自主导航为例，通过仿真实例验证本发明所述方法的有效性。设3颗星座卫星的轨道半长轴为27900km，轨道倾角为55°，升交点赤经分别为0°、120°和240°。正常情况下，星座导航敏感器的测量精度为20m，数据更新率为0.1Hz。假设某个星座导航敏感器信号受到干扰，导致测量误差增大，该敏感器的测量精度设为60m。仿真时间为2天，设预测周期T＝1s。

首先，采用传统扩展卡尔曼滤波器处理星座导航敏感器的测量信息，对3颗星座卫星的位置和速度矢量进行估计，所得到的卫星1的三轴位置估计误差曲线如图4所示。图中实线表示估计误差曲线，虚线是根据滤波器估计误差方差阵的对角元计算得到的误差包络线，纵坐标表示位置估计误差，单位为m，横坐标表示时间，单位为天。从图中可以明显看出，受某个星座导航敏感器测量误差增大的影响，在给定的仿真时间内，传统扩展卡尔曼滤波器的估计精度相对较低。统计计算表明，在这种情况下，星座卫星自主导航系统的位置估计精度约为32.5m。

下面采用本发明所述方法，利用基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法，通过3个并行滤波器对3颗星座卫星的位置和速度矢量进行估计，所得到的三轴位置估计误差曲线如图5所示。图中实线表示估计误差曲线，虚线是根据滤波器估计误差方差阵的对角元计算得到的误差包络线，纵坐标表示位置估计误差，单位为m，横坐标表示时间，单位为天。从图中不难看出，应用基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法能够克服有效某个星座导航敏感器测量误差增大的影响，滤波性能得到明显改善，自主导航精度显著提高。统计计算表明，在这种情况下，星座卫星自主导航系统的位置估计精度约为24.4m。

显然，相对传统方法而言，采用本发明所述方法得到的星座卫星自主导航精度有了较大程度的提升。因此，本发明提出的基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法是有效的。

本发明的主要技术内容可用于星座卫星自主导航系统方案设计，实现我国新一代北斗卫星导航系统自主导航，也可推广用于其它类型星座卫星，具有广阔的应用前景。

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)

1.一种基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法，其特征在于步骤如下：

(1)选择参与星座导航的三颗卫星的位置和速度矢量进行组合，建立状态转移函数和测量函数，为每个并行滤波器分配一个初始权值；

(2)利用步骤(1)得到的状态转移函数和测量函数，通过三个并行滤波器分别进行递推解算，处理三个星座导航敏感器得到的星间距离观测量，获得各个并行滤波器的状态变量估计值，并计算各个并行滤波器的测量残差；

(3)根据步骤(2)得到的测量残差计算各个并行滤波器的权值；

(4)根据步骤(2)得到的各个并行滤波器的状态变量估计值和步骤(3)得到的各个并行滤波器的权值计算各个并行滤波器的状态变量估计值的加权和，加权和即为当前时刻星座卫星自主导航系统的总体状态估计值；

(5)将步骤(2)到步骤(4)进行重复迭代，获得不同时刻的总体状态估计值，即获得星座卫星的位置和速度信息，完成星座导航敏感器的优化调度。

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法，其特征在于：所述步骤1)中，作为三个并行滤波器的状态变量，每个并行滤波器的状态变量包含两颗卫星的位置和速度矢量，且三个并行滤波器的状态变量各不相同，根据所述状态变量建立状态转移函数和测量函数，为每个并行滤波器分配一个初始权值。

3.根据权利要求2所述的一种基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法，其特征在于：所述三个并行滤波器的状态变量分别为：

其中，

表示第τ个并行滤波器的状态变量，τ＝1,2,3，表示第i颗卫星的位置和速度矢量，i＝1,2,3，r_i,k表示第i颗卫星的三维位置矢量，v_i,k表示第i颗卫星的三维速度矢量，下标k用于区分不同的时刻；

所述状态转移函数为：

其中，μ表示地球引力常数，T表示预测周期，均为已知常数；符号||·||表示向量的欧氏范数，函数p(r_i,k)表示除地球中心引力外其他轨道摄动因素的影响；

星座卫星自主导航系统的观测量为通过星座导航敏感器获得的星间距离观测量，所述测量函数为：

为每个并行滤波器分配的初始权值为：

4.根据权利要求3所述的一种基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过三个并行滤波器分别进行递推解算，获得各个并行滤波器的状态变量估计值具体为：

其中，和分别表示第τ个并行滤波器的状态变量的估计值和预测值，表示对应第τ个并行滤波器的观测量，星间距离观测量通过星座卫星上的星座导航敏感器得到；表示滤波增益阵，可通过并行滤波器计算得到。

所述各个并行滤波器的测量残差的计算公式为：

5.根据权利要求4所述的一种基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法，其特征在于：所述步骤(3)中的权值计算过程如下：

对于第τ个并行滤波器，权值的计算公式为：

其中，似然函数的计算公式为：

为测量残差方差阵，通过并行滤波器计算得到。

6.根据权利要求5所述的一种基于自适应权值估计的星座导航敏感器调度方法，其特征在于：所述步骤(4)中所述加权和的计算公式如下：

其中，和为加权和，即为当前时刻星座卫星自主导航系统的总体状态估计值，表示通过第τ个并行滤波器得到的第i颗卫星的位置和速度矢量的估计值；和为局部权值，计算公式如下：