[發明專利]一種空間非合作目標相對導航協方差自適應修正濾波方法

有效

• 申請號: 201810417622.2
• 申請日: 2018-05-04
• 公開（公告）號: CN108692729B
• 公開（公告）日: 2019-05-24
• 發明（設計）人: 王大軼;張磊;黃美麗;包澤宇;趙小宇;王永富;鄒元杰;史文華;周靜;趙峭;劉德成;史紀鑫
• 申請（專利權）人: 北京空間飛行器總體設計部
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/24
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 范曉毅

本發明公開了一種空間非合作目標相對導航協方差自適應修正濾波方法和系統，該方法包括：建立空間非合作目標在觀測衛星質心軌道坐標系下的非線性相對運動模型與僅測角相對導航觀測模型；基于無跡卡爾曼濾波算法，根據所述非線性相對運動模型與僅測角相對導航觀測模型，解算得到觀測量預測值、觀測協方差矩陣和卡爾曼增益矩陣；給定觀測窗口寬度，根據窗口內觀測量的觀測協方差矩陣和卡爾曼增益矩陣，對測量噪聲方差矩陣和狀態噪聲方差矩陣進行修正。本發明滿足了空間非合作目標僅測角相對導航的應用需求，具有計算量小、收斂性強的特點。

技術領域

本發明屬于空間非合作目標相對導航技術領域，尤其涉及一種空間非合作目標相對導航協方差自適應修正濾波方法和系統。

背景技術

天基僅測角相對導航是確定敵方衛星、空間碎片、失效航天器等空間非合作目標相對運動軌道的重要技術手段，在空間攻防、態勢感知和在軌服務等領域具有廣泛而重要的應用。

由于天基僅測角相對導航固有的可觀測度較差的問題，要求導航模型、濾波方法等必須具有較高的精度及良好的穩定性。此外，由于非合作目標的狀態噪聲和觀測噪聲的統計特性等很難精確地估計或測定，因此采用常規的卡爾曼濾波方法常常會出現濾波發散的問題。為此，有必要引入自適應濾波技術，在進行濾波的同時，利用觀測數據帶來的信息，不斷地在線估計和修正模型參數和噪聲統計特性，以提高濾波精度，得到系統狀態的最優估計值。

在以往的濾波方法中通常只是對觀測噪聲方差矩陣進行自適應調整，或結合狀態量信息對狀態噪聲矩陣進行聯合修正。雖然這些方法能達到一定的改進效果，但在計算量和數值穩定性上仍有待于提升。

考慮到卡爾曼增益矩陣可實時平衡狀態偏差和測量偏差，因此根據觀測殘差的統計特性理論上能夠實現對觀測噪聲和狀態噪聲的聯合自適應修正，相比基于狀態量的噪聲修正方法，計算量顯著減小。此外，在狀態噪聲矩陣更新時通過引入合適的正規化策略，還能夠使得算法的數值穩定性獲得有效提升，對提升空間非合作目標僅測角相對導航精度具有重要意義。

發明內容

本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種空間非合作目標相對導航協方差自適應修正濾波方法和系統，滿足了空間非合作目標僅測角相對導航的應用需求，具有計算量小、收斂性強的特點。

為了解決上述技術問題，本發明公開了一種空間非合作目標相對導航協方差自適應修正濾波方法，包括：

建立空間非合作目標在觀測衛星質心軌道坐標系下的非線性相對運動模型與僅測角相對導航觀測模型；

基于無跡卡爾曼濾波算法，根據所述非線性相對運動模型與僅測角相對導航觀測模型，解算得到觀測量預測值、觀測協方差矩陣和卡爾曼增益矩陣；

給定觀測窗口寬度，根據窗口內觀測量的觀測協方差矩陣和卡爾曼增益矩陣，對測量噪聲方差矩陣和狀態噪聲方差矩陣進行修正。

在上述空間非合作目標相對導航協方差自適應修正濾波方法中，基于無跡卡爾曼濾波算法，根據所述非線性相對運動模型與僅測角相對導航觀測模型，解算得到觀測量預測值、觀測協方差矩陣和卡爾曼增益矩陣，包括：

根據非合作目標狀態矢量及協方差矩陣先驗初值，按照無跡卡爾曼濾波算法標稱參數生成一組sigma點，并計算各點對應的權重大小；

根據當前時刻各sigma點狀態及下次觀測時刻，對sigma點進行時間更新，得到觀測時刻目標相對狀態矢量和協方差矩陣的估計值；

根據目標相對狀態矢量和協方差矩陣的估計值重新生成sigma點，解算得到觀測量預測值、觀測協方差矩陣和卡爾曼增益矩陣。

在上述空間非合作目標相對導航協方差自適應修正濾波方法中，還包括：

檢查更新后的狀態噪聲方差矩陣的對稱半正定性；