一种小视场星敏感器量测延时滤波方法技术

本发明专利技术公开了一种小视场星敏感器量测延时滤波方法，属于飞行器姿态估计技术领域。本发明专利技术考虑到非线性姿态估计系统状态模型存在乘性噪声以及量测模型存在未知干扰的情况，建立了两种模型不确定存在下的飞行器姿态估计模型，同时基于扩展卡尔曼滤波的结构，利用鲁棒算法设计找到预测方差及估计方差的上界范围，再利用最小方差理论设计最优的滤波增益。本发明专利技术采用鲁棒扩展卡尔曼滤波对飞行器姿态确定，其本质是一种最小方差准则估计，不同于一般的频率域滤波器，本发明专利技术可以用于处理不确定性条件下进行姿态估计，具有实时性高、对先验信息依赖度低等优势，解决了星敏感器存在延时的问题，即使在信息不确定的情况下也能保证较高的姿态估计精度。

【技术实现步骤摘要】
一种小视场星敏感器量测延时滤波方法
本专利技术属于飞行器姿态估计
，具体涉及一种利用鲁棒扩展卡尔曼滤波的小视场星敏感器量测延时滤波方法。
技术介绍
由陀螺和星敏感器组合的姿态估计系统由于定姿精度高被广泛地应用于飞行器中。欧拉角、修正罗德里格斯参数、方向余弦、四元数等是飞行器的主要姿态描述参数。四元数由于计算简单，无三角函数的运算，同时又能避免欧拉角的奇异性问题，因此，四元数常被作为姿态估计系统中的姿态描述参数。针对该系统的四元数姿态估计模型，许多基于扩展卡尔曼滤波(ExtendedKalmanFilter，EKF)的姿态估计方法被提出，如加性扩展卡尔曼滤波(AdditiveExtendedKalmanFilter，AEKF)和乘性扩展卡尔曼滤波(MultiplicativeExtendedKalmanFilter，MEKF)。然而，扩展卡尔曼滤波仅仅适合于带加性噪声的精确已知的系统模型。如果系统模型中存在模型不确定的情况，该算法的性能将会受到严重的影响。因此，许多带模型不确定的非线性滤波算法被发展，如H∞滤波，集值非线性滤波，鲁棒滤波设计等，其中，基于最小方差的鲁棒滤波设计被证本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种小视场星敏感器量测延时滤波方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采集飞行器运动过程中陀螺与星敏感器的输出数据；(2)建立量测延时下基于姿态四元数的飞行器非线性状态空间模型，包括建立飞行器姿态估计系统的状态方程及量测延时下飞行器姿态估计系统的量测方程；(3)针对上述量测延时下的飞行器状态空间模型，已知k时刻的状态估计值和方差的上界，以扩展卡尔曼滤波为结构框架，利用鲁棒扩展卡尔曼滤波设计，进行时间更新，求得一步状态预测和预测方差的上界；(4)利用上述求得的一步状态预测和预测方差的上界，进行鲁棒扩展卡尔曼滤波量测更新，求得最优的滤波增益，进而求出k+1时刻的状态估计值和方差的上界，同时由于四...

【技术特征摘要】
1.一种小视场星敏感器量测延时滤波方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采集飞行器运动过程中陀螺与星敏感器的输出数据；(2)建立量测延时下基于姿态四元数的飞行器非线性状态空间模型，包括建立飞行器姿态估计系统的状态方程及量测延时下飞行器姿态估计系统的量测方程；(3)针对上述量测延时下的飞行器状态空间模型，已知k时刻的状态估计值和方差的上界，以扩展卡尔曼滤波为结构框架，利用鲁棒扩展卡尔曼滤波设计，进行时间更新，求得一步状态预测和预测方差的上界；(4)利用上述求得的一步状态预测和预测方差的上界，进行鲁棒扩展卡尔曼滤波量测更新，求得最优的滤波增益，进而求出k+1时刻的状态估计值和方差的上界，同时由于四元数归一化约束，将k+1时刻的状态估计中四元数部分进行强制的归一化约束；(5)姿态估计系统的运行时间为M，若k＝M，则输出姿态四元数及陀螺漂移的结果，完成姿态估计；若k<M，表示滤波过程未完成，则重复步骤(3)至步骤(4)，直至姿态估计系统运行结束。2.根据权利要求1所述的一种小视场星敏感器量测延时滤波方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：(2.1)建立飞行器姿态估计系统的状态方程：将姿态四元数qk和陀螺漂移βk组成维数为n的状态变量根据飞行器的运动学方程，建立基于姿态四元数的飞行器状态方程为：式中：wk满足均值为零，方差为的高斯白噪声；是乘性噪声项，s选取3，ηi,k表示均值为零，方差为1的噪声，Aik表示有适当阶数的确定矩阵，为：式中：σv为陀螺测量噪声；(2.2)建立量测延时下飞行器姿态估计系统的量测方程：式中：zk为k时刻星敏感器量测值；rk为星敏感器的参考矢量；i为星敏感器观测到恒星的个数；vk为零均值的高斯白噪声，其方差为A(qk)为四元数qk的姿态描述矩阵，若A(qk)能表示为：由于星敏感器进行姿态估计时，不可避免的存在量测延迟现象，上述建立的星敏感器量测模型没有考虑延迟的存在，使得输出结果并不准确，我们考虑一步延时的情况给出带有延迟的星敏感器测量模型：yk＝(Ι-Γk)zk+Γkzkyk表示k时刻真实的量测量，Γk表示不同的延迟速率，满足Γk＝diag{[μk,1μk,2....μk,m]}，其中μk,i∈R(i＝1,2...m)服从伯努利分布(0～1分布)，满足：关于量测延时的非线性离散系统：由于实际的量测输出yk与zk、zk-1两个时刻的量测量均相关，需要利用状态扩维理论，使其得到相同时刻量测量的表达式：式中，是扩维后的状态变量，是扩维后的状态函数，表示扩维后的乘性噪声项，表示扩维后的高斯白噪声，表示扩维后的量测函数，表示扩维后的量测噪声，γk＝[Ι-ΓkΓk]表示扩维后的量测延时项，其中，由Γk的分布特性可知，是一个零均值的随机矩阵序列；h(...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱华明，王迪，黄智开，吴永慧，文雯，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23