基于观测量频谱分析与最优估计的伴飞目标相对导航方法技术

本发明专利技术公开了一种基于观测量频谱分析与最优估计的伴飞目标相对导航方法和系统，该方法包括：根据目标视线角观测量，确定目标相对运动轨道；从视线角偏置线性回归模型系数数据库中提取得到与所述确定的目标相对运动轨道相匹配的目标视线角偏置线性回归系数；对于观测时间段内目标视线角观测值，利用最优估计方法确定目标实际观测视线角偏置；将目标视线角偏置线性回归系数和目标实际观测视线角偏置带入视线角偏置回归模型，求解得到目标平纬度幅角，以完成伴飞轨道改进。本发明专利技术在传统无迹卡尔曼滤波算法的基础上，根据观测量的频谱特性，利用最优估计方法实现对平纬度幅角的实时修正，解决了伴飞目标仅测角相对导航平纬度幅角确定的难题。

【技术实现步骤摘要】
基于观测量频谱分析与最优估计的伴飞目标相对导航方法
本专利技术属于导航
，尤其涉及一种基于观测量频谱分析与最优估计的伴飞目标相对导航方法和系统。
技术介绍
在空间攻防、态势感知和在轨服务等领域都会涉及非合作伴飞目标相对导航问题。由于目标的非合作特性，在相对导航解算时往往只有目标视线角观测量可用，因此仅基于测角信息的伴飞目标相对导航技术就成为上述领域的一项关键技术，具有广泛而重要的应用。由于天基仅测角相对导航固有的可观测度较差的问题，导致对伴飞目标进行相对轨道解算时存在平纬度幅角(λ＝ω+M，ω为近地点幅角，M为平近点角)难以确定的问题。传统的解决办法一般是利用轨道机动改变观测几何，从而提取出伴飞目标视线距离信息，或者采用高精度相对导航模型，结合伴飞轨道摄动特性，利用系统噪声自适应滤波算法识别微小的距离摄动变化。这些方法要么需要消耗额外的航天器燃料，并且需要多次轨道机动来避免滤波发散，要么对滤波算法的模型精度、稳定性等都有着极高要求，且计算量相对较大，不利于星上算法实现。考虑到伴飞目标周期性的相对运动特点，目标视线角观测量也将具有周期频谱的特性，而视线角频谱振幅、偏置、频率、初始相位等参数是与伴飞目标相对轨道·密切相关的。通过分析伴飞目标视线角频谱参数随平纬度幅角的变化关系，能够为解决伴飞目标平纬度幅角确定问题提供一种全新的技术手段，具有重要意义和应用前景。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于观测量频谱分析与最优估计的伴飞目标相对导航方法和系统，在传统无迹卡尔曼滤波算法的基础上，根据观测量的频谱特性，利用最优估计方法实现对平纬度幅角的实时修正，解决了伴飞目标仅测角相对导航平纬度幅角确定的难题。该方法根据不同伴飞相对运动轨道目标视线角的频谱差异实现对平纬度幅角的自适应修正，其中计算量较大的伴飞目标视线角偏置特性统计分析可离线完成，在线计算时仅需根据先验信息，利用最优估计算法完成对平纬度幅角参数的实时修正，既提升了目标平纬度幅角的确定精度，又便于星上自主相对导航应用。为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种基于观测量频谱分析与最优估计的伴飞目标相对导航方法，包括：(1)根据目标视线角观测量，采用无迹卡尔曼滤波算法，确定目标相对运动轨道；(2)从视线角偏置线性回归模型系数数据库中提取得到与所述确定的目标相对运动轨道相匹配的目标视线角偏置线性回归系数；(3)对于观测时间段内目标视线角观测值，利用最优估计方法确定目标实际观测视线角偏置；(4)将目标视线角偏置线性回归系数和目标实际观测视线角偏置带入视线角偏置回归模型，求解得到目标平纬度幅角，以完成伴飞轨道改进。在上述基于观测量频谱分析与最优估计的伴飞目标相对导航方法中，通过如下步骤建立视线角偏置线性回归模型系数数据库：针对不同的伴飞相对运动轨道，以预置步长进行目标视线角解算，得到一个伴飞轨道周期内的目标视线角变化曲线；根据目标视线角变化曲线，利用最优估计方法确定各伴飞相对运动轨道对应的视线角频谱参数；从各伴飞相对运动轨道参数和视线角频谱参数中分别提取得到平纬度幅角和对应的视线角偏置；根据提取得到的平纬度幅角和对应的视线角偏置，利用最小二乘估计法，确定各伴飞相对运动轨道对应的视线角偏置线性回归系数，并保存，得到视线角偏置线性回归模型系数数据库。在上述基于观测量频谱分析与最优估计的伴飞目标相对导航方法中，针对不同的伴飞相对运动轨道，以预置步长进行目标视线角解算，得到一个伴飞轨道周期内的目标视线角变化曲线，包括：设观测卫星的轨道根数为σo＝[a,e,i,Ω,ω,M]T，其中a、e、i、Ω、ω、M分别表示观测卫星轨道半长径、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角和平近点角；δe、δi、δΩ、δω、δM分别表示观测卫星偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角和平近点角的偏差；伴飞卫星的轨道根数为σt＝σo+δσ，其中，δσ＝[0,δe,δi,δΩ,δω,δM]T；表示伴飞卫星与观测卫星对应轨道根数的偏差；由σo和σt通过星历计算，分别得到观测卫星和伴飞卫星在地心J2000坐标系下的状态矢量Xo＝[ro,vo]T和Xt＝[rt,vt]T，其中ro,vo分别表示观测卫星的位置、速度矢量，rt,vt分别表示伴飞卫星的位置、速度矢量；对于给定的σo和δσ组合，分别以Δt为步长，计算一个周期内的目标视线角，得到一个伴飞轨道周期内的目标视线角变化曲线。在上述基于观测量频谱分析与最优估计的伴飞目标相对导航方法中，通过离线计算，建立视线角偏置线性回归模型系数数据库。相应的，本专利技术还公开了一种基于观测量频谱分析与最优估计的伴飞目标相对导航系统，包括：确定模块，用于根据目标视线角观测量，采用无迹卡尔曼滤波算法，确定目标相对运动轨道；提取模块，用于从视线角偏置线性回归模型系数数据库中提取得到与所述确定的目标相对运动轨道相匹配的目标视线角偏置线性回归系数；解算模块，用于对于观测时间段内目标视线角观测值，利用最优估计方法确定目标实际观测视线角偏置；修正模块，用于将目标视线角偏置线性回归系数和目标实际观测视线角偏置带入视线角偏置回归模型，求解得到目标平纬度幅角，以完成伴飞轨道改进。本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术基于观测量的频谱特性分析，联合最小二乘(OLS)估计与无迹卡尔曼滤波算法，有效解决了伴飞目标仅测角相对导航平纬度幅角难以确定的问题。(2)本专利技术采用单纯形-模拟退火混合算法完成对视线角频谱参数的最优估计，具有计算效率高、收敛速度快的特点。(3)本专利技术根据离线建立的目标视线角偏置回归模型，只需在线计算实际观测得到的视线角偏置即可实现对平纬度幅角的自适应修正，计算负担小，利于星上算法实现。附图说明图1是本专利技术实施例中一种基于观测量频谱分析与最优估计的伴飞目标相对导航方法的步骤流程图；图2是本专利技术实施例中一种卫星速度本地水平坐标系下目标视线角示意图；图3是本专利技术实施例中一种计算最优视线角频谱参数流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术公开的实施方式作进一步详细描述。参照图1，示出了本专利技术实施例中一种基于观测量频谱分析与最优估计的伴飞目标相对导航方法的步骤流程图。在本实施例中，所述基于观测量频谱分析与最优估计的伴飞目标相对导航方法，包括：步骤101，根据目标视线角观测量，采用无迹卡尔曼滤波算法，确定目标相对运动轨道。步骤102，从视线角偏置线性回归模型系数数据库中提取得到与所述确定的目标相对运动轨道相匹配的目标视线角偏置线性回归系数。步骤103，对于观测时间段内目标视线角观测值，利用最优估计方法确定目标实际观测视线角偏置。步骤104，将目标视线角偏置线性回归系数和目标实际观测视线角偏置带入视线角偏置回归模型，求解得到目标平纬度幅角，以完成伴飞轨道改进。在本专利技术的一优选实施例中，可以通过如下步骤建立视线角偏置线性回归模型系数数据库：针对不同的伴飞相对运动轨道，以预置步长进行目标视线角解算，得到一个伴飞轨道周期内的目标视线角变化曲线；根据目标视线角变化曲线，利用最优估计方法确定各伴飞相对运动轨道对应的视线角频谱参数；从各伴飞相对运动轨道参数和视线角频谱参数中分别提取得到平纬度幅角和对应的视线角偏置；根据提取得到的平纬本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于观测量频谱分析与最优估计的伴飞目标相对导航方法，其特征在于，包括：(1)根据目标视线角观测量，采用无迹卡尔曼滤波算法，确定目标相对运动轨道；(2)从视线角偏置线性回归模型系数数据库中提取得到与所述确定的目标相对运动轨道相匹配的目标视线角偏置线性回归系数；(3)对于观测时间段内目标视线角观测值，利用最优估计方法确定目标实际观测视线角偏置；(4)将目标视线角偏置线性回归系数和目标实际观测视线角偏置带入视线角偏置回归模型，求解得到目标平纬度幅角，以完成伴飞轨道改进。

【技术特征摘要】
1.一种基于观测量频谱分析与最优估计的伴飞目标相对导航方法，其特征在于，包括：(1)根据目标视线角观测量，采用无迹卡尔曼滤波算法，确定目标相对运动轨道；(2)从视线角偏置线性回归模型系数数据库中提取得到与所述确定的目标相对运动轨道相匹配的目标视线角偏置线性回归系数；(3)对于观测时间段内目标视线角观测值，利用最优估计方法确定目标实际观测视线角偏置；(4)将目标视线角偏置线性回归系数和目标实际观测视线角偏置带入视线角偏置回归模型，求解得到目标平纬度幅角，以完成伴飞轨道改进。2.根据权利要求1所述的基于观测量频谱分析与最优估计的伴飞目标相对导航方法，其特征在于，通过如下步骤建立视线角偏置线性回归模型系数数据库：针对不同的伴飞相对运动轨道，以预置步长进行目标视线角解算，得到一个伴飞轨道周期内的目标视线角变化曲线；根据目标视线角变化曲线，利用最优估计方法确定各伴飞相对运动轨道对应的视线角频谱参数；从各伴飞相对运动轨道参数和视线角频谱参数中分别提取得到平纬度幅角和对应的视线角偏置；根据提取得到的平纬度幅角和对应的视线角偏置，利用最小二乘估计法，确定各伴飞相对运动轨道对应的视线角偏置线性回归系数，并保存，得到视线角偏置线性回归模型系数数据库。3.根据权利要求2所述的基于观测量频谱分析与最优估计的伴飞目标相对导航方法，其特征在于，针对不同的伴飞相对运动轨道，以预置步长进行目标视线角解算，得到一个伴飞轨道周期内的目标视线角变化曲线，包括：设观测卫星的轨道根数为σo＝[a,e,i,Ω,ω,M]T，其中a、e、i...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，王大轶，黄美丽，邹元杰，史文华，赵峭，刘德成，周静，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京,11