基于最大互相关熵准则无迹卡尔曼滤波的通信保障航天器相对状态估计方法技术

本发明专利技术提供一种基于最大互相关熵准则无迹卡尔曼滤波的通信保障航天器相对状态估计方法，利用运动学方程推导，构建通信保障航天器和通信故障航天器的相对运动方程模型。利用具有测量距离远、测量精度高，可全天候工作等优点的无线电设备为测量部件，测出两个航天器的相对测量信息；采用一种基于最大互相关熵准则无迹卡尔曼滤波，进行相对位置和相对速度信息的估计。本发明专利技术在具有冲激噪声的实际系统中，能有效提高相对位置和相对速度的估计精度，进而提高通信保障航天器天线指向精度，保障通信链路和质量，防止通信中断。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信领域，涉及一种通信保障航天器的相对状态估计方法。
技术介绍
随着航天技术的快速发展，空间在轨服务技术已经成为在复杂的空间环境中亟待解决的重要问题。在轨服务技术能实现在轨维护、在轨装配和在轨修理等空间操控任务，引起了越来越多的关注，拥有广泛的市场应用前景。其中在轨服务航天器在空间网络中具有非常重要的功能，而通信保障航天器作为一种在轨服务航天器，其主要任务就是利用自身设备为通信故障航天器建立星地通信链路。在一般的情况下，通信保障航天器通过机动飞行到达通信功能受限的航天器通信覆盖区域，与其构成飞行编队，并为其提供与地面的通信中继服务。在这个过程中，无论是在轨服务还是航天器编队飞行任务的实现，都依赖于航天器之间相对位置、相对速度的确定精度。因此，相对位置、相对速度的确定是卫星编队飞行和通信有效保障的关键技术之一。常用的编队卫星相对状态确定方法包括GPS测量法、激光测量法、红外测量法、可见光测量法和无线电测量法等。但GPS的S/A政策对我国有一定限制，因此其存在不安全性；激光测量抗干扰能力强，测量精度高，但其需要消耗的功率大，数据率低，波束狭窄，需要其他测量系统进行引导；红外测量仅仅能进行角度测量，不能单独实现卫星的相对状态测量；可见光测量仅仅适用于近距离不超过几十米的测量，且随着距离不断增加，测量精度不断变差；而星间无线电测量，具有作用距离远、测量覆盖高、测量精度高、实时性强，可全天候工作等优点，且具有信息通信功能，满足相对测量的要求。选择采用无线电测量法进行通信保障航天器和故障航天器的相对位置和相对速度测量时，由于外部环境对系统存在扰动以及测量系统自身存在一定的噪声影响，同时，状态方程和测量方程均为非线性的，因此需要涉及非线性状态估计方法，而在非线性估计领域，扩展卡尔曼滤波(EKF)是广泛应用的方法。扩展卡尔曼滤波是对非线性方程进行一阶线性化，提供一阶逼近结果，依赖于局部非线性程度，因此可能会为后验均值和协方差带来较大的误差，甚至导致滤波发散。而无迹卡尔曼滤波(UKF)是一种更精确的估计方法，它继承了卡尔曼滤波框架，是一种切实可行便于应用的滤波方法。在无迹卡尔曼滤波中，非线性函数的概率分布是通过一个特定的最小样本点集(sigma点)来逼近的。这个最小样本点集是通过无迹变化(UT)得到的，这些样本点包含了均值和协方差信息，在实际的非线性方程传播时，得到的均值和协方差能达到三阶精度。与扩展卡尔曼滤波相比，无迹卡尔曼滤波不需要计算雅可比矩阵，只需要通过无迹变化获得均值和协方差，特别是对于比较复杂的系统，计算简便很多。但无迹卡尔曼滤波只是对于高斯分布的噪声具有较好的性能，对于非高斯噪声，性能下降很快，鲁棒性差。近年来，信息论学习在许多领域受到了越来越多的关注，基于信息论的算法已经显示了很多的优越性，特别是互相关熵(correntropy)作为一种新的相似度度量，被用作目标函数来解决了许多问题，其对应的最大互相关熵准则具有坚实的理论基础，为非高斯噪声的处理提供了新的、鲁棒的解决方案。为降低无线电测量设备误差的影响，特别是非高斯噪声的影响，因此，亟待提出一种新的无迹卡尔曼滤波方法对测量结果进行修正，提高相对位置和速度估计精度，从而为通信保障航天器的有效工作提供基础。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于最大互相关熵准则无迹卡尔曼滤波的通信保障航天器相对状态估计方法。为达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：(1)利用安装在通信故障航天器上的无线电设备测出通信故障航天器和通信保障航天器的相对测量信息；(2)通过运动学方程获取在地心惯性坐标系下通信故障航天器的绝对运动状态变量，并求得在希尔坐标系中通信保障航天器和通信故障航天器的相对运动方程；(3)以互相关熵作为相似度度量并将最大互相关熵准则与无迹卡尔曼滤波结合，形成基于最大互相关熵准则的无迹卡尔曼滤波方法；(4)将相对测量信息作为测量值，采用基于最大互相关熵准则的无迹卡尔曼滤波，计算出通信故障航天器和通信保障航天器之间的相对状态的估计值。所述相对测量信息包括相对距离ρ、方位角θ和仰角φ：其中，x、y和z分别为以通信故障航天器为中心的希尔坐标系的Xc、Yc和Zc轴的坐标，坐标原点固定于通信故障航天器所在轨道位置，Xc轴沿地心指向通信故障航天器质心的矢量方向，Zc轴与通信故障航天器轨道角动量正方向一致，Yc轴垂直于轨道平面并与Xc和Zc轴构成右手正交坐标系。所述步骤(2)具体包括以下步骤：(2-1)在地心惯性坐标系下通信故障航天器的绝对运动状态变量的运动方程为：其中，rc和ω为地心惯性坐标系下通信故障航天器的绝对角加速度、绝对位置和绝对角速度，μ为地心引力常数；通过构造绝对状态向量为用函数等价表示上式，然后进行离散化，得到离散形式的运动方程；(2-2)在以通信故障航天器为中心的希尔坐标系下通信保障航天器的相对运动方程为其中，和分别为Xc、Yc和Zc轴上相应的加速度；通过构造相对状态向量为用函数等价表示上式，然后进行离散化，得到离散形式的运动方程。所述基于最大互相关熵准则的无迹卡尔曼滤波包括以下步骤：(3-1)根据无迹变化计算出先验的相对状态估计值和协方差矩阵P(k|k-1)，并采用Cholesky分解获得T(k)其中，R(k)为测量噪声协方差；(3-2)根据步骤(3-1)构造以下式子：D(k)＝g(k,x(k))+e(k)其中，x(k)为真实状态值，y(k)为测量值，h(·)为测量函数，r(k)为测量噪声；(3-3)由步骤(3-2)得到基于互相关熵的代价函数其中，di(k)表示向量D(k)的第i个元素，gi(k,x(k))表示g(k,x(k))的第i个元素，L＝n+m其中n为状态的维数，m为测量值的维数；(3-4)在最大互相关熵准则下，状态量的优化值由下式得到其中，ei(k)＝di(k)-gi(k,x(k))；(3-5)更新的协方差表示为其中取则得到(3-6)将代替R(k)，根据无迹变化就可以计算出后验的相对状态估计值和协方差矩阵P(k|k)。所述步骤(4)还包括以下步骤：在利用基于最大互相关熵准则的无迹卡尔曼滤波进行相对状态估计前，通过使用无迹卡尔曼滤波加快估计初期的收敛速度。所述初期是指时间标签≤100。本专利技术与现有技术相比，优点在于：(1)本专利技术方法采用了无线电测量法，具有作用距离远、测量覆盖高、测量精度高、实时性强，可全天候工作等优点，为方法的正确实施奠定了基础。(2)本专利技术方法中，将最大互相关熵准则和无迹卡尔曼滤波方法结合，增强了鲁棒性，提高了在实际系统存在冲激噪声的状况下的性能。附图说明图1为本专利技术的实时场景示意图；图2为本专利技术的测量系统示意图；图3为本专利技术方法的流程框图；图4为本专利技术算法与其它算法的相对位置估计误差比较；MCUKF表示基于最大互相关熵准则的无迹卡尔曼滤波，σ表示基于最大互相关熵准则的无迹卡尔曼滤波中的核宽度；图5为本专利技术算法与其它算法的相对速度估计误差比较。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。首先说明需要用到的两个坐标系。地心惯性坐标系：坐标原点位于地球质心，X轴在赤道平面内指向春分点，Z轴垂直赤道面指向地球北极，Y轴由右手法则确定。其中，常用的地心惯性坐标系是J2000坐标系，它的坐标原点本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于最大互相关熵准则无迹卡尔曼滤波的通信保障航天器相对状态估计方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)利用安装在通信故障航天器上的无线电设备测出通信故障航天器和通信保障航天器的相对测量信息；(2)通过运动学方程获取在地心惯性坐标系下通信故障航天器的绝对运动状态变量，并求得在希尔坐标系中通信保障航天器和通信故障航天器的相对运动方程；(3)以互相关熵作为相似度度量并将最大互相关熵准则与无迹卡尔曼滤波结合，形成基于最大互相关熵准则的无迹卡尔曼滤波方法；(4)将相对测量信息作为测量值，采用基于最大互相关熵准则的无迹卡尔曼滤波，计算出通信故障航天器和通信保障航天器之间的相对状态的估计值。

【技术特征摘要】
1.基于最大互相关熵准则无迹卡尔曼滤波的通信保障航天器相对状态估计方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)利用安装在通信故障航天器上的无线电设备测出通信故障航天器和通信保障航天器的相对测量信息；(2)通过运动学方程获取在地心惯性坐标系下通信故障航天器的绝对运动状态变量，并求得在希尔坐标系中通信保障航天器和通信故障航天器的相对运动方程；(3)以互相关熵作为相似度度量并将最大互相关熵准则与无迹卡尔曼滤波结合，形成基于最大互相关熵准则的无迹卡尔曼滤波方法；(4)将相对测量信息作为测量值，采用基于最大互相关熵准则的无迹卡尔曼滤波，计算出通信故障航天器和通信保障航天器之间的相对状态的估计值。2.根据权利要求1所述基于最大互相关熵准则无迹卡尔曼滤波的通信保障航天器相对状态估计方法，其特征在于：所述相对测量信息包括相对距离ρ、方位角θ和仰角φ：ρ=(x2+y2+z2)θ=tan-1yxφ=tan-1zx2+y2]]>其中，x、y和z分别为以通信故障航天器为中心的希尔坐标系的Xc、Yc和Zc轴的坐标，坐标原点固定于航天器所在轨道位置，Xc轴沿地心指向航天器质心的矢量方向，Zc轴与航天器轨道角动量正方向一致，Yc轴垂直于轨道平面并与Xc和Zc轴构成右手正交坐标系。3.根据权利要求2所述基于最大互相关熵准则无迹卡尔曼滤波的通信保障航天器相对状态估计方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括以下步骤：(2-1)在地心惯性坐标系下通信故障航天器的绝对运动状态变量的运动方程为：r··c=rcω2-μrc2ω·=-2r·cωrc]]>其中，rc和ω为地心惯性坐标系下通信故障航天器的绝对角加速度、绝对位置和绝对角速度，μ为地心引力常数；通过构造绝对状态向量为用函数等价表示上式，然后进行离散化，得到离散形式的运动方程；(2-2)在以通信故障航天器为中心的希尔坐标系下通信保障航天器的相对运动方程为其中，和分别为Xc、Yc和Zc轴上相应的加速度；通过构造相对状态向量为用函数等价表...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲桦，赵季红，刘熙，岳鹏程，王蒙，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61