專利名稱：一種地球紫外敏感器測量的自主導(dǎo)航方法
一種地球紫外敏感器測量的自主導(dǎo)航方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于航天器自主導(dǎo)航領(lǐng)域，涉及一種地球紫外敏感器測量的自主導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)：
地球紫外敏感器能探測出整個地球邊緣的圖像，利用大量邊緣點信息擬合成像的幾何中心，從而獲得地心矢量和地球視半徑的測量數(shù)據(jù)，同時紫外敏感器還能夠敏感恒星輻射，提供衛(wèi)星相對慣性空間的姿態(tài)信息。利用地球紫外敏感器豐富的測量信息完全能夠?qū)崿F(xiàn)地球衛(wèi)星的自主導(dǎo)航，從而提高衛(wèi)星的自主性和自主生存能力，同時有利于降低衛(wèi)星對于地面系統(tǒng)的依賴程度。
地球紫外敏感器的測量信息不可避免的含有噪聲，不能直接根據(jù)幾何關(guān)系計算衛(wèi)星的位置速度，而是要通過濾波算法估計衛(wèi)星的位置速度。目前常用的有代表性的濾波算法有卡爾曼濾波和最小二乘估計等。擴展卡爾曼濾波是一種遞推濾波算法，如果濾波初始誤差很大則需要較長時間才能收斂，同時易受野值干擾。因此不適合用初始軌道確定。最小二乘濾波算法對初始誤差的敏感度較弱，同時可以進行剔除野值處理，但是需要借助狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣實現(xiàn)狀態(tài)和協(xié)方差的時間更新，這一過程存在著很大的線性化誤差，影響了導(dǎo)航精度的進一步提高。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種紫外敏感器測量的自主導(dǎo)航方法，既保證了濾波的數(shù)值穩(wěn)定性又提高了導(dǎo)航精度。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種紫外敏感器測量的自主導(dǎo)航方法，步驟如下
(1)初始化利用衛(wèi)星入軌信息給出衛(wèi)星在起始時刻狀態(tài)初值戈和協(xié)方差初值月；
(2)去野值
將紫外敏感器獲取的地心矢量信息和地球視半徑信息累計一段指定的時間，然后利用野值剔除算法將上述信息中的野值去除；
(3)批處理
將步驟⑵得到的去野值后的地心矢量信息和地球視半徑信息通過最小二乘法， 計算觀測結(jié)束時刻衛(wèi)星的狀態(tài)估計毛和協(xié)方差估計Pk，具體如下
Xk =Xk+PkHjW (Zk-Zk)(11)_2] Pk =(Pk +HjWHk)'1(12)
其中，下標(biāo)k表示循環(huán)次數(shù)；毛是狀態(tài)預(yù)測；W是加權(quán)陣，取diag|l/CTQ2,-，l/iT02}，
σ ^是觀測噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差；Λ是協(xié)方差預(yù)測； Κ為總觀測矩陣，Η2Φ{ 0, 2) H^(t0,tm)H1 = dx比是觀測方程，m表示地心矢量信息和地球dh. , 、X=Xk視半徑信息獲取順序，Φ (to, ti) (i = 1,2,…，m)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，通過數(shù)值積分微分方程6(~，0 = tcto dx(!0] =得到，a = ^y0 (V O = t0 是起始時刻，I 是單位陣^k= [zkl是觀測向量，即地心矢量信息和地球視半徑信息忑是觀測向量的預(yù)測值；
(4)無跡變換(unscented transformation, UT)
利用無跡變換實現(xiàn)狀態(tài)和協(xié)方差的時間更新，得到下一段觀測結(jié)束時刻衛(wèi)星的狀態(tài)預(yù)測毛+1和協(xié)方差預(yù)測只+1，具體過程如下
a.計算加權(quán)系數(shù)<和<
(13)η +λ
w0c=^- + l-a2+/ (14)η + λ
w^ =wc, = 1 = 1,···,2η(15)2[η + λ)
其中，λ = α 2 (η+κ)-η，是一個標(biāo)量；η為狀態(tài)變量維數(shù)；常數(shù)α控制sigma點的分布狀態(tài)，其取值范圍為α ( 1，調(diào)節(jié)α可以減小非線性方程的高階項影響，κ 的取值應(yīng)確保矩陣(η+λ) Pk為半正定矩陣，β是一個與狀態(tài)先驗分布信息有關(guān)的參數(shù)；
b.產(chǎn)生 sigma 點
Sk = {cho I(Pk)It(16)
Xk=[xk Xk+/Sk Xk-YSk](17)
其中，chol ()表示喬里斯基(cholesky)分解，對正定矩陣X有chol (X) = R，滿足RtR = X，且R是上三角矩陣# = ^(η + λ)；
c.時間更新
Xk+llk=Xk+(M/(x)dt2n
Xk+X =Yj^ XiMMk i=0In(18) (19)(20)
Pk+i[Χ,ΜΨ —-)/=0
其中，f(x)是系統(tǒng)方程，是根據(jù)衛(wèi)星的動力學(xué)原理建立；A.k+uk是向量Xk+l|k中從0 開始計數(shù)的第i個分量，i =0，1，…，2η;
(5)遞推
繼續(xù)累計一段時間地心矢量信息和地球視半徑信息，并重復(fù)上述步驟(2)至步驟，如此不斷遞推運算下去即可連續(xù)獲得對衛(wèi)星狀態(tài)的估計。
所述步驟中的 κ = 3-η, β = 2。
本發(fā)明的原理地球紫外敏感器能探測出整個地球邊緣的圖像，利用大量邊緣點信息擬合成像的幾何中心，從而獲得地心矢量和地球視半徑的測量數(shù)據(jù)。初始定軌時，地球紫外敏感器連續(xù)觀測一段時間，積累起多個時刻對應(yīng)的地心矢量和視半徑測量。然后，對這批測量進行剔除野值處理，即剔除估計偏差的測量，再將其余測量一次性送入導(dǎo)航濾波器執(zhí)行一次軌道確定，估計衛(wèi)星在J2000. 0地心赤道坐標(biāo)系中位置和速度，然后經(jīng)過時間更新給出下一觀測弧段的狀態(tài)即其協(xié)方差預(yù)測。經(jīng)過多個弧段的測量和定軌后，星上的位置和速度估計可收斂到較高精度。為避免線性化誤差影響，引入無跡變換來實現(xiàn)時間更新。無跡變換的思想是假設(shè)狀態(tài)向量服從高斯分布，利用一簇精心選取的sigma點經(jīng)非線性變換后求取狀態(tài)的一階和二階矩，利用無跡變換可精確計算經(jīng)非線性系統(tǒng)方程傳遞后的均值和協(xié)方差，最終提高了導(dǎo)航精度。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于本發(fā)明與傳統(tǒng)卡爾曼濾波遞推處理測量信息不同，是將一段時間內(nèi)的測量累計，先剔除其中野值，然后用其余測量共同估算某時刻衛(wèi)星軌道，同時利用無跡變換進行狀態(tài)和協(xié)方差的高精度時間更新，本發(fā)明的這種方法排除了測量野值對定軌的干擾，提高了濾波的數(shù)值穩(wěn)定性和收斂的速度，避免了時間更新過程的線性化誤差干擾，最終實現(xiàn)導(dǎo)航精度的提高。


圖1為本發(fā)明方法的實現(xiàn)流程圖2為本發(fā)明紫外敏感器測量的自主導(dǎo)航方法示意圖3為傳統(tǒng)自主導(dǎo)航方法的位置誤差和速度誤差；
圖4為本發(fā)明給出的自主導(dǎo)航方法的位置誤差和速度誤差。
具體實施方式
地球紫外敏感器能探測出整個地球邊緣的圖像，利用大量邊緣點信息擬合成像的幾何中心，從而獲得地心矢量和地球視半徑的測量數(shù)據(jù)。初始定軌時，地球紫外敏感器連續(xù)觀測一段時間，積累起多個時刻對應(yīng)的地心矢量和視半徑測量，先剔除其中野值，然后用其余測量做最小二乘估計，估計衛(wèi)星在J2000. 0地心赤道坐標(biāo)系中位置和速度，。已知系統(tǒng)方程和觀測方程如下
X = f(x)+W(21)
ζ = h (χ) +ν(22)
其中，χ是衛(wèi)星狀態(tài)；ζ是觀測量；w是系統(tǒng)噪聲；ν是測量噪聲。
本發(fā)明提出地球紫外敏感器測量的自主導(dǎo)航方法的具體計算步驟如下
(1)初始化
利用衛(wèi)星入軌信息等給出在起始時刻狀態(tài)初值馬和協(xié)方差初值片；
(2)去野值
將地球紫外敏感器獲取的地心矢量和地球視半徑信息累計一段指定的時間，然后利用野值剔除算法將上述信息中的野值去除；
(3)批處理
將步驟(2)得到的去野值后的地心矢量信息和地球視半徑信息通過最/J 計算觀測結(jié)束時刻衛(wèi)星的狀態(tài)估計毛和協(xié)方差估計Pk，具體過程如下
a)將觀測方程對狀態(tài)χ的偏導(dǎo)作為單次測量的觀測矩陣Hi,如下乘法，
Hi =dh,dx
(23)=Xk
式中，hi是對應(yīng)第i次測量的觀測方程；毛是狀態(tài)預(yù)測；m表示地心矢量信息和地球視半徑信息獲取順序。
b)數(shù)值積分下面微分方程求得狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φ (t0, tj
(24)Vo l) Bx(Ii) dx(t0) Vo ‘' V；式中，·; ° (t。，、)=〗，tO是起始時刻，I是單位陣。c)計算總觀測矩陣應(yīng) HxHt^h)
H =Η2Φ{
(25)
d)估計狀態(tài)和協(xié)方差
Pk ={Pk+H1kWHkY
xk=xk+PkHlW{zk-zk)(26) (27)
其中，下標(biāo)1^表示循環(huán)次數(shù)；1是加權(quán)陣，取出噸|1/￡7 2,"*,1/<1，0(|是觀測噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差；Pk是協(xié)方差估計；Λ是協(xié)方差預(yù)測；瓦為觀測矩陣；毛是狀態(tài)估計；毛是狀態(tài)預(yù)測；Zk = [ΖklJkm.]T是觀測向量忑是觀測向量的預(yù)測值。
(4)無跡變換(unscented transformation, UT)，利用無跡變換實現(xiàn)狀態(tài)和協(xié)方差的時間更新，得到下一觀測窗口結(jié)束時刻狀態(tài)預(yù)測和協(xié)方差預(yù)測只+1，具體過程如下
a)計算加權(quán)系數(shù)Wm和<

< =λη + λ(28)Λη + λw； = w；=+ \-α2+β 12{η + λ)(29).,2ηρο)
其中，λ = α 2(η+κ )-η，是一個標(biāo)量；η為狀態(tài)變量維數(shù)。常數(shù)α控制sigma點的分布狀態(tài)，其取值范圍為α ( 1，調(diào)節(jié)α可以減小非線性方程的高階項影響。κ 的取值應(yīng)確保矩陣(η+λ )Pk為半正定矩陣，取Κ =3-η。β是一個與狀態(tài)先驗分布信息有關(guān)的參數(shù)，取β = 2。7
b)產(chǎn)生 sigma 點
Sk = {cho l(Pk)}T(31)
權(quán)利要求
1. ー種地球紫外敏感器測量的自主導(dǎo)航方法，其特征在于步驟如下(1)初始化利用衛(wèi)星入軌信息給出衛(wèi)星在起始時刻狀態(tài)初值ネ和協(xié)方差初值斤；(2)去野值將地球紫外敏感器獲取的地心矢量信息和地球視半徑信息累計一段指定的時間，然后 利用野值剔除算法將上述信息中的野值去除；(3)批處理將步驟( 得到的去野值后的地心矢量信息和地球視半徑信息通過最小二乗法，計算 觀測結(jié)束時刻衛(wèi)星的狀態(tài)估計毛和協(xié)方差估計Pk，具體如下 xk =xk+PkHjkW (zk-zk)(1)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地球紫外敏感器測量的自主導(dǎo)航方法，其特征在于所述步驟(4)a 中的 κ = 3-η，β = 2。
全文摘要
一種地球紫外敏感器測量的自主導(dǎo)航方法，初始化，利用衛(wèi)星入軌信息給出衛(wèi)星在起始時刻狀態(tài)初值和協(xié)方差初值去野值，將紫外敏感器獲取的地心矢量信息和地球視半徑信息累計一段指定的時間，然后利用野值剔除算法將上述信息中的野值去除；批處理，將去野值后的地心矢量信息和地球視半徑信息通過最小二乘法，計算觀測結(jié)束時刻衛(wèi)星的狀態(tài)估計和協(xié)方差估計Pk；無跡變換，利用無跡變換實現(xiàn)狀態(tài)和協(xié)方差的時間更新，得到下一段觀測結(jié)束時刻衛(wèi)星的狀態(tài)預(yù)測和協(xié)方差預(yù)測遞推，繼續(xù)累計一段時間地心矢量信息和地球視半徑信息，并重復(fù)上述步驟，如此不斷遞推運算下去即可連續(xù)獲得對衛(wèi)星狀態(tài)的估計。本發(fā)明提高了導(dǎo)航系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性。
文檔編號G01C21/24GK102506876SQ20111040926
公開日2012年6月20日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者張斌, 張曉文, 王大軼, 黃翔宇 申請人:北京控制工程研究所