一种基于CW方程的解耦变增益自主相对导航方法技术

本发明专利技术涉及一种基于CW方程的解耦变增益自主相对导航方法，包括如下步骤：步骤一：建立追踪星轨道直角坐标系，作为相对导航的参考直角坐标系，建立该坐标系下CW方程，作为状态方程；步骤二：将星上雷达直接测量的星间数据转换到参考直角坐标系下，建立观测方程；步骤三：忽略轨道角速度的平方及其高阶项，分别对状态方程和观测方程进行解耦，设计解耦后各轴独立的卡尔曼滤波器，所述的卡尔曼滤波器为建立在参考直角坐标系下的标准线性系统；步骤四：在上述卡尔曼滤波器的基础上设计变增益滤波器，进行各轴相对运动状态估计，完成相对导航设计。

A decoupled variable gain autonomous relative navigation method based on CW equation

【技术实现步骤摘要】
一种基于CW方程的解耦变增益自主相对导航方法
本专利技术涉及卫星自主编队技术，尤其是两星编队运动CW方程的解耦变增益自主相对导航设计方法。
技术介绍
航天技术的发展，要求卫星能够自主实现编队、空间交会对接、在轨卫星捕获与维修以及深空探测等任务，自主相对导航是其关键技术。自主相对导航是指卫星通过星载计算机和星上相对导航测量设备，不借助地面等自主获得目标卫星的相对位置和相对速度。星上相对测量设备有激光雷达和微波雷达等，不需要目标卫星的应答信息，提供与目标卫星的视线距和两个视线角度信息。尤其对于非合作目标卫星，由于缺少对其通信链路，地面测定轨精度较低，自主相对导航是实现对其近距离编队、捕获等的唯一途径。现有的自主相对导航方案采用两星运动方程(CW方程)作为系统方程，扩展卡尔曼滤波(EKF)、无迹卡尔曼滤波(UKF)、粒子滤波作为滤波算法。此外，相对导航的滤波算法收敛时间是影响武器作战响应的关键因素之一。相对导航的收敛过程取决于两个要素：滤波初值的选取精度、滤波算法的增益设计。此前的算法表现出如下诸多缺点：1)基于CW方程的相对导航算法计算量较大，一定程度上增加了星载计算机的负担。2)CW方程推导过程中圆轨道假设及线性化处理，导致其只能应用于近圆轨道并且近距离下的相对导航，在椭圆轨道或远距离编队情况下滤波算法性能衰减甚至失效，适应性差。3)UKF、粒子滤波等滤波算法对于非线性系统滤波性能优于EKF，但其计算量较EKF增加约一个数量级，不适合星载计算机运算。4)在滤波初值精度确定的情况，滤波系统的收敛时间由滤波系统的增益设计参数(系统噪声阵/衰减记忆因子等)唯一确定，高增益设计对应较快的系统收敛特性，但是状态方程不匹配。在状态方程和跟瞄量测精度确定的情况下滤波系统的稳态精度由滤波系统的增益设计参数唯一确定，低增益设计对应较高的系统稳态估计精度，但是低增益会带来系统滤波收敛速度慢的缺点。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种CW方程的解耦变增益自主相对导航方法，它能够扩展自主相对导航应用范围，使其能够在更复杂的轨道、更灵活的编队距离下都能够滤波有效。本专利技术解决技术的方案是：一种基于CW方程的解耦变增益自主相对导航方法，包括如下步骤：步骤一：建立追踪星轨道直角坐标系，作为相对导航的参考直角坐标系，建立该坐标系下CW方程，作为状态方程；步骤二：将星上雷达直接测量的星间数据转换到参考直角坐标系下，建立观测方程；步骤三：忽略轨道角速度的平方及其高阶项，分别对状态方程和观测方程进行解耦，设计解耦后各轴独立的卡尔曼滤波器，所述的卡尔曼滤波器为建立在参考直角坐标系下的标准线性系统；步骤四：在上述卡尔曼滤波器的基础上设计变增益滤波器，进行各轴相对运动状态估计，完成相对导航设计。优选的，所述的步骤一中，CW方程的公式为：其中：状态变量wx～N(0,σwx)，wy～N(0,σwy)，wz～N(0,σwz)，是CW方程未建模误差，用高斯白噪声近似，ω为卫星平均轨道角速度。优选的，所述的步骤二中的观测方程由参考直角坐标系下的测量值及其噪声特性组成；所述的测量值为转换至参考直角坐标系下的星上雷达提供的目标卫星视线距和两个视线角度信息；所述的噪声特性为非线性转换的噪声特性。优选的，所述的测量值具体通过下述方式实现；将星上雷达提供的雷达测量极坐标系下的目标卫星视线距和两个视线角度信息转换到雷达测量直角坐标系下，再由雷达相对卫星本体的安装矩阵和姿态确定姿态转移矩阵，最终将雷达测量值转化到参考直角坐标系下。优选的，若测量噪声选用的是星上雷达的实际测量值，则通过高阶泰勒展开，所述的高阶优选3阶或4阶；若测量噪声选用的是仿真数据，则通过一阶泰勒展开，求解其雅可比矩阵，近似线性化处理实现噪声特性的非线性转换。优选的，所述的观测方程的公式为：其中：追踪星相对目标星位置矢量在追踪星轨道坐标系下，视线距离ρ、俯仰角θ、偏航角观测噪声V1，V2＝AobDV1，Aob为追踪星本体系到轨道系姿态转换矩阵，优选的，所述的步骤三中，解耦后状态方程和观测方程分别包括面内运动和面外运动，面内运动和面外运动独立，用标准卡尔曼滤波或衰减记忆卡尔曼滤波算法设计解耦后各轴独立的卡尔曼滤波器。优选的，解耦后状态方程的公式为：面内运动：其中：状态变量为状态转移阵，xz为状态转移阵面内分量，为CW方程未建模误差面内分量，wx～N(0,σwx)，wz～N(0,σwz)，是CW方程未建模误差，用高斯白噪声近似；面外运动：其中：状态变量为状态转移阵，y为状态转移阵面外分量，为CW方程未建模误差面外分量，wy～N(0,σwy)是CW方程未建模误差，用高斯白噪声近似；解耦后观测方程的公式为：面内运动：其中：V2(1)为V2中第1行分量，V2(3)为V2中第3行分量，面外运动：Zy＝y+V2(2)其中：V2(2)为V2中第2行分量。优选的，所述的步骤四中，变增益滤波器的增益设计如下：其中，k0表示初始收敛阶段区间；Q0表示标称的系统噪声阵，k表示当前收敛阶段，和滤波参数选取相关，按照实际工况选取。优选的，变增益滤波器的滤波初值由追踪星上跟瞄系统获取，得到目标星的位置初值，目标星的相对速度初值通过位置差分得到。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：本专利技术解决了CW方程圆轨道假设等线性化处理所带来的应用局限性问题；解耦设计扩展了自主相对导航的应用范围，利用非合作目标编队运动轨道面内相对运动和轨道面外相对运动解耦特性，采用解耦算法完成滤波器降维设计，减少星上计算量和设计复杂度，易于工程应用；规划变增益滤波器满足导航系统在提升收敛特性的同时，保证滤波系统的稳态估计精度，为星上自主相对导航系统优选设计。具体：1)适应性强。解决了CW方程圆轨道假设等线性化处理所带来的应用局限性问题，在椭圆轨道编队、远距离编队、及目标卫星存在未知机动等情况下均能取得稳定的滤波性能。2)计算量小。解耦设计将相对导航分解为一个四维以及一个二维的子滤波器，较CW方程六维滤波器计算量大为减少。3)设计简单。各轴的子滤波系统是线性系统，成熟的线性系统滤波理论可直接应用。4)可靠性高。根据相对导航滤波收敛和稳定特性，建立了变增益系统噪声模型，动力学完整，滤波输出的可靠性高。附图说明图1是本专利技术选用的参考直角坐标系；图2是本专利技术适用的卫星编队示意图。具体实施方式下面结合附图及实例对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术的一种CW方程的解耦变增益自主相对导航方法，包括如下步骤：步骤一：定义某轨道直角坐标系，作为相对导航的参考直角坐标系，建立该坐标系下的CW方程。步骤二：星载雷达提供目标卫星的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CW方程的解耦变增益自主相对导航方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤一：建立追踪星轨道直角坐标系，作为相对导航的参考直角坐标系，建立该坐标系下CW方程，作为状态方程；/n步骤二：将星上雷达直接测量的星间数据转换到参考直角坐标系下，建立观测方程；/n步骤三：忽略轨道角速度的平方及其高阶项，分别对状态方程和观测方程进行解耦，设计解耦后各轴独立的卡尔曼滤波器，所述的卡尔曼滤波器为建立在参考直角坐标系下的标准线性系统；/n步骤四：在上述卡尔曼滤波器的基础上设计变增益滤波器，进行各轴相对运动状态估计，完成相对导航设计。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于CW方程的解耦变增益自主相对导航方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：建立追踪星轨道直角坐标系，作为相对导航的参考直角坐标系，建立该坐标系下CW方程，作为状态方程；
步骤二：将星上雷达直接测量的星间数据转换到参考直角坐标系下，建立观测方程；
步骤三：忽略轨道角速度的平方及其高阶项，分别对状态方程和观测方程进行解耦，设计解耦后各轴独立的卡尔曼滤波器，所述的卡尔曼滤波器为建立在参考直角坐标系下的标准线性系统；
步骤四：在上述卡尔曼滤波器的基础上设计变增益滤波器，进行各轴相对运动状态估计，完成相对导航设计。


2.根据权利要求1所述的基于CW方程的解耦变增益自主相对导航方法，其特征在于：所述的步骤一中，CW方程的公式为：






其中：状态变量wx～N(0,σwx)，wy～N(0,σwy)，wz～N(0,σwz)，是CW方程未建模误差，用高斯白噪声近似，ω为卫星平均轨道角速度。


3.根据权利要求1所述的基于CW方程的解耦变增益自主相对导航方法，其特征在于：所述的步骤二中的观测方程由参考直角坐标系下的测量值及其噪声特性组成；所述的测量值为转换至参考直角坐标系下的星上雷达提供的目标卫星视线距和两个视线角度信息；所述的噪声特性为非线性转换的噪声特性。


4.根据权利要求3所述的基于CW方程的解耦变增益自主相对导航方法，其特征在于：所述的测量值具体通过下述方式实现；
将星上雷达提供的雷达测量极坐标系下的目标卫星视线距和两个视线角度信息转换到雷达测量直角坐标系下，再由雷达相对卫星本体的安装矩阵和姿态确定姿态转移矩阵，最终将雷达测量值转化到参考直角坐标系下。


5.根据权利要求3所述的基于CW方程的解耦变增益自主相对导航方法，其特征在于：
若测量噪声选用的是星上雷达的实际测量值，则通过高阶泰勒展开，所述的高阶优选3阶或4阶；
若测量噪声选用的是仿真数据，则通过一阶泰勒展开，求解其雅可比矩阵，近似线性化处理实现噪声特性的非线性转换。


6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘笑，张小伟，王静吉，万海音，向坤，张朝兴，梁巨平，陈银河，陈敏花，戴维宗，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31