[發明專利]一種基于攝動多高斯擬合的空間目標跟蹤方法

有效

• 申請號: 201710103236.1
• 申請日: 2017-02-24
• 公開（公告）號: CN106646452B
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發明（設計）人: 王小旭;王永剛;王子恬;宋寶;潘泉;梁彥
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01S13/70
• 分類號: G01S13/70
• 代理公司: 陜西增瑞律師事務所 61219
• 代理人: 劉春

本發明公開了一種基于攝動多高斯擬合的空間目標跟蹤方法，將空間目標所受的攝動力建模為與目標狀態相耦合的未知干擾；在一種雙層EM框架下實現由多高斯分布擬合攝動力的均值和協方差，其中第一層EM實現聯合狀態估計與攝動力一階矩辨識，第二層EM實現混合多高斯擬合辨識攝動力一二階矩；然后通過設計聯合校正濾波器實現了同時利用攝動力的均值和協方差聯合反饋校正空間目標狀態估計及協方差。以解決現有技術中由于存在與狀態耦合的強非線性攝動力而使跟蹤精度不佳的問題。

技術領域

本發明屬于空間目標跟蹤技術領域，涉及一種基于攝動多高斯擬合的空間目標跟蹤方法，

背景技術

空間目標(包括，衛星、航天器以及空間碎片)跟蹤技術的研究對于國防建設、經濟發展、科學研究等均具有重要意義。(1)隨著航空航天技術的蓬勃發展，人類利用空間能力的不斷增強，空間在國防、政治、科研等方面的戰略地位也日益提高。對空間的利用和控制水平已經成為衡量一個國家綜合實力強弱的重要標準；(2)隨著地球周邊的太空垃圾越來越多，已經嚴重威脅到了航天器的安全，對于空間目標的跟蹤和監視的需求越來越迫切；(3)隨著雷達探測威力的增加，空間目標的跟蹤受到越來越多的關注。空間目標跟蹤是國家空間戰略信息獲取的重要途徑。

空間目標跟蹤問題中目標會因為地球非球形、天體引力、氣動阻力、太陽輻射等因素而受到攝動力干擾，而攝動力的存在使得空間目標運動軌道方程呈現高度非線性且攝動力與軌道狀態高度耦合。傳統解決空間目標跟蹤的方法通常是將其看作一類非線性狀態估計問題，然后由非線性濾波器(如EKF,UKF,CKF等)去近似估計空間目標狀態，但這種估計策略需要計算復雜的雅可比矩陣或者攝動的強非線性積分，不僅計算復雜難以實現而且精度無法保證。而現有辨識策略則忽略了攝動強非線性積分的函數特性，突破了傳統估計策略需要計算非線性積分的局限性，將攝動力建模為一種未知干擾，通過辨識出攝動力的一階矩(即均值)特性進而去反饋校正狀態估計，提高了空間目標跟蹤精度。但空間目標攝動力顯然是與軌道狀態高度耦合的，即未知干擾與狀態是相關的，此時未知干擾和狀態具有相同的演化特性，即至少具有前兩階矩，而現有辨識策略因為假設攝動力與狀態相互獨立而忽略了攝動的協方差特性，因此估計精度提升必然有限。

注意到空間目標跟蹤中攝動力與軌道狀態高度耦合，若將攝動力建模為與狀態相耦合的未知干擾，由多高斯分布擬合辨識攝動力的一二階矩(即均值和協方差)，然后同時利用攝動力的均值和協方差去聯合校正空間目標軌道狀態及協方差，這樣有望能夠提高空間目標跟蹤精度。因此本發明提出一種基于攝動多高斯擬合的空間目標跟蹤方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于攝動多高斯擬合的空間目標跟蹤方法，以解決現有技術中由于存在與狀態耦合的強非線性攝動力而使跟蹤精度不佳的問題。

本發明所采用的技術方案是，一種基于攝動多高斯擬合的空間目標跟蹤方法，將空間目標所受的攝動力建模為與目標狀態相耦合的未知干擾；在一種雙層EM框架下實現由多高斯分布擬合攝動力的均值和協方差，其中第一層EM實現聯合狀態估計與攝動力一階矩辨識，第二層EM實現混合多高斯擬合辨識攝動力一二階矩；然后通過設計聯合校正濾波器實現了同時利用攝動力的均值和協方差聯合反饋校正空間目標狀態估計及協方差。

進一步的，具體按照以下步驟實施：

步驟1、構建空間目標跟蹤模型并將攝動力建模為與系統狀態耦合的未知干擾，此時攝動力顯然具有均值和協方差特性；

步驟2、在步驟1所建模的攝動力具有均值和協方差的基礎上，利用多高斯分布擬合攝動力的均值和協方差，其中涉及兩個EM算法，即聯合狀態估計與攝動力一階矩辨識和混合多高斯擬合辨識攝動力一二階矩；

步驟3、在多傳感器系統下，基于步驟2所述的兩個EM算法而設計了聯合校正濾波器，該濾波器實現利用攝動力的均值和協方差聯合反饋校正目標狀態估計及協方差。

進一步的，步驟1的具體方法為：