基于时间对准的间接滤波相对导航方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于时间对准的间接滤波相对导航方法及系统，利用测量单机对目标星进行相对测量，对相对测量的结果进行滤波处理，便可以得到需要的相对导航信息。测量单机的输出频率与导航滤波算法周期的不一致，导致数据之间存延时，通过对两者的时间进行对准，降低延迟对导航滤波算法精度的影响；受限于测量范围的限制，通常追踪星在超近距离段会配备多台测量单机，每台测量单机输出的相对测量信息的定于不一致，为了在切换不同测量单机进行相对导航滤波的过程中，导航算法不需要重新收敛，对不同测量单机的输出量进行预先处理，使用间接滤波的方法进行相对导航的滤波输出。

Indirect filtering relative navigation method and system based on time alignment

【技术实现步骤摘要】
基于时间对准的间接滤波相对导航方法及系统
本专利技术涉及基于时间对准的间接滤波相对导航方法及系统，属于空间导航

技术介绍
造价昂贵的航天器受恶劣空间环境影响，导致部分设备老化损坏，失去一些功能，造成巨额经济损失，且失效的航天器长期占用宝贵的轨道资源，对其他航天器造成潜在的安全威胁。面对这样的情形，如何对这些失效航天器进行设备维修、轨道修正以及燃料加注等以使其能够继续正常运行工作，已经成为各国航天领域重点研究的问题之一，在轨服务技术随之产生，具有广泛的应用价值。对目标航天器进行在轨服务的前提是完成对它的相对测量和相对导航。远距离和近距离阶段可以利用微波雷达对目标星进行点目标的探测，以此来完成相对导航。但是超近距离段，需要进行高精度的体目标相对导航，利用微波雷达已经不能满足使用需求，因此可以采用激光雷达和视觉相机获得目标星与追踪星之间的相对信息，以此来完成高精度的相对导航，方法简单可靠性高。目前点目标的相对导航以及体目标的合作目标相对导航方法日趋成熟。目前超近距离非合作目标的相对导航算法处理过程中，测量单机输出频率低于系统导航算法的处理频率，限制了导航算法的精度；不同测量单机测量输出的相对信息定义不一致，导致使用不同单机测量数据时需要设计多个滤波器，增加了算法的复杂程度。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了基于时间对准的间接滤波相对导航方法及系统，降低了使用多种测量单机进行非合作目标超近距离相对导航算法的复杂度的同时，提高了算法的精度。>本专利技术的技术解决方案是：基于时间对准的间接滤波相对导航方法，包括如下步骤：利用追踪星上的测量单机获取目标星与追踪星之间相对位置信息和相对姿态信息；对获取的相对位置信息和相对姿态信息进行预处理，使相对位置信息和相对姿态信息在时间维度上递推至追踪星导航滤波算法的时刻，得到时间对准后的相对位置信息和相对姿态信息；对时间对准后的相对位置信息和相对姿态信息进行再处理，统一不同源测量单机输出的相对位置信息和相对姿态信息，并将统一后的相对位置信息和相对姿态信息作为基于扩展卡尔曼滤波的间接滤波相对导航算法的输入，得到的输出用于进行后续控制。进一步地，所述对获取的相对位置信息和相对姿态信息进行预处理的方法为：利用导航滤波算法输出的追踪星和目标星的相对速度乘以测量单机输出数据的时间与追踪星导航滤波算法时刻的时间差，加上测量单机输出的相对位置信息，实现将测量单机输出的相对位置信息递推至追踪星导航滤波算法的时刻，完成时间维度上的对准。进一步地，所述测量单机包括激光雷达和视觉相机。进一步地，当测量单机为激光雷达时，目标星轨道下两星的相对位置为：其中，为激光雷达在追踪星本体系下的安装位置，为经过时间对准后的激光雷达输出的相对位置信息，为目标星质心在目标星形心坐标系下的坐标，为目标星形心坐标系到追踪星本体坐标系的旋转矩阵。进一步地，当测量单机为视觉相机时，目标星轨道系下两星的相对位置为：其中，为视觉相机在追踪星本体系下的安装位置，为经过时间对准后的视觉相机输出的相对位置信息，为目标星质心在目标星形心坐标系下的坐标，为目标星对接环中心在目标星形心坐标系下的坐标，为目标星形心坐标系到追踪星本体坐标系的旋转矩阵。基于时间对准的间接滤波相对导航系统，包括第一模块，利用追踪星上的测量单机获取目标星与追踪星之间相对位置信息和相对姿态信息；第二模块，对获取的相对位置信息和相对姿态信息进行预处理，使相对位置信息和相对姿态信息在时间维度上递推至追踪星导航滤波算法的时刻，得到时间对准后的相对位置信息和相对姿态信息；第三模块，对时间对准后的相对位置信息和相对姿态信息进行再处理，统一不同源测量单机输出的相对位置信息和相对姿态信息，并将统一后的相对位置信息和相对姿态信息作为基于扩展卡尔曼滤波的间接滤波相对导航算法的输入，得到的输出用于进行后续控制。进一步地，所述对获取的相对位置信息和相对姿态信息进行预处理，具体的方法为：利用导航滤波算法输出的追踪星和目标星的相对速度乘以测量单机输出数据的时间与追踪星导航滤波算法时刻的时间差，加上测量单机输出的相对位置信息，实现将测量单机输出的相对位置信息递推至追踪星导航滤波算法的时刻，完成时间维度上的对准。进一步地，所述测量单机包括激光雷达和视觉相机。进一步地，当测量单机为激光雷达时，目标星轨道下两星的相对位置为：其中，为激光雷达在追踪星本体系下的安装位置，为经过时间对准后的激光雷达输出的相对位置信息，为目标星质心在目标星形心坐标系下的坐标，为目标星形心坐标系到追踪星本体坐标系的旋转矩阵。进一步地，当测量单机为视觉相机时，目标星轨道系下两星的相对位置为：其中，为视觉相机在追踪星本体系下的安装位置，为经过时间对准后的视觉相机输出的相对位置信息，为目标星质心在目标星形心坐标系下的坐标，为目标星对接环中心在目标星形心坐标系下的坐标，为目标星形心坐标系到追踪星本体坐标系的旋转矩阵。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术算法处理的过程中考虑了测量单机输出频率与系统导航算法处理频率不一致的问题，在时间维度上进行统一，提高了算法的精度；(2)本专利技术设计的算法，将不同测量单机输出的相对信息进行预处理，设计基于扩展卡尔曼的间接滤波器，降低了算法的复杂度。附图说明图1为本专利技术方法流程示意图；图2为本专利技术激光雷达测量输出示意图；图3为本专利技术视觉相机测量输出示意图；图4为本专利技术实施例导航输出相对位置误差曲线；图5为本专利技术实施例导航输出相对位置误差曲线；图6为本专利技术实施例单机切换处导航输出相对位置误差曲线。具体实施方式本专利技术为基于时间对准的间接滤波相对导航方法，利用时间对准的方法解决数据延时对系统导航精度的影响，同时利用间接滤波的方法解决不同测量单机切换使用的过程中，导航滤波算法需要重新收敛导致系统性能下降的问题。利用测量单机输出的相对信息，通过预处理将测量单机输出的数据递推到系统导航滤波算法的时间，完成时间维度上的对准。对时间对准完成后的数据进一步进行预处理，统一不同测量单机输出的相对测量信息，相对导航滤波算法以此做为观测量，以目标星轨道系下两星的相对位置速度为状态量，最终可以获得相对轨道控制所需要的目标星轨道下的两星相对位置和相对速度。如图1，基于时间对准的间接滤波相对导航方法，本专利技术包括：步骤一，利用追踪星上的测量单机获取目标星与追踪星之间相对位置信息和相对姿态信息；步骤二，对获取的相对位置信息和相对姿态信息进行预处理，使相对位置信息和相对姿态信息在时间维度上递推至追踪星导航滤波算法的时刻，得到时间对准后的相对位置信息和相对姿态信息；步骤三，对时间对准后的相对位置信息和相对姿态信息进行再处理，统一不同源测量单机输出的相对位置信息和相对姿态信息，并将统一后的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于时间对准的间接滤波相对导航方法，其特征在于，包括如下步骤：/n利用追踪星上的测量单机获取目标星与追踪星之间相对位置信息和相对姿态信息；/n对获取的相对位置信息和相对姿态信息进行预处理，使相对位置信息和相对姿态信息在时间维度上递推至追踪星导航滤波算法的时刻，得到时间对准后的相对位置信息和相对姿态信息；/n对时间对准后的相对位置信息和相对姿态信息进行再处理，统一不同源测量单机输出的相对位置信息和相对姿态信息，并将统一后的相对位置信息和相对姿态信息作为基于扩展卡尔曼滤波的间接滤波相对导航算法的输入，得到的输出用于进行后续控制。/n

【技术特征摘要】
1.基于时间对准的间接滤波相对导航方法，其特征在于，包括如下步骤：
利用追踪星上的测量单机获取目标星与追踪星之间相对位置信息和相对姿态信息；
对获取的相对位置信息和相对姿态信息进行预处理，使相对位置信息和相对姿态信息在时间维度上递推至追踪星导航滤波算法的时刻，得到时间对准后的相对位置信息和相对姿态信息；
对时间对准后的相对位置信息和相对姿态信息进行再处理，统一不同源测量单机输出的相对位置信息和相对姿态信息，并将统一后的相对位置信息和相对姿态信息作为基于扩展卡尔曼滤波的间接滤波相对导航算法的输入，得到的输出用于进行后续控制。


2.根据权利要求1所述的基于时间对准的间接滤波相对导航方法，其特征在于，所述对获取的相对位置信息和相对姿态信息进行预处理的方法为：利用导航滤波算法输出的追踪星和目标星的相对速度乘以测量单机输出数据的时间与追踪星导航滤波算法时刻的时间差，加上测量单机输出的相对位置信息，实现将测量单机输出的相对位置信息递推至追踪星导航滤波算法的时刻，完成时间维度上的对准。


3.根据权利要求1所述的基于时间对准的间接滤波相对导航方法，其特征在于，所述测量单机包括激光雷达和视觉相机。


4.根据权利要求3所述的基于时间对准的间接滤波相对导航方法，其特征在于，当测量单机为激光雷达时，目标星轨道下两星的相对位置为：



其中，为激光雷达在追踪星本体系下的安装位置，为经过时间对准后的激光雷达输出的相对位置信息，为目标星质心在目标星形心坐标系下的坐标，为目标星形心坐标系到追踪星本体坐标系的旋转矩阵。


5.根据权利要求3所述的基于时间对准的间接滤波相对导航方法，其特征在于，当测量单机为视觉相机时，目标星轨道系下两星的相对位置为：



其中，为视觉相机在追踪星本体系下的安装位置，为经过时间对准后的视觉相机输出的相对位置信息，为目标星质心在目标星形心坐标系下的坐标，为目标星对接环中心在目标星形心坐标系下的坐标，为目标星形心坐标系到追踪星本体坐标系的旋转矩阵。


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【专利技术属性】
技术研发人员：刘礼城，徐晨，艾奇，张晓彤，王焕杰，方圆，
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