[發明專利]系繩約束下的空間三體系統多傳感器精確定位方法

有效

• 申請號: 201910493859.3
• 申請日: 2019-06-07
• 公開（公告）號: CN110196445B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 黃攀峰;方國濤;張夷齋
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01S19/49
• 分類號: G01S19/49
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 高凌君

本發明提出一種系繩約束下的空間三體系統多傳感器精確定位方法，以封閉的旋轉三角形繩系衛星編隊系統為模型展開研究，首先獲取編隊系統各個衛星中的星載全球定位系統傳感器數據；根據繩系系統動力學模型建立狀態方程，將系繩約束加入觀測方程，基于擴展卡爾曼濾波器對全球定位系統的多個傳感器的輸出信號進行融合。該方法與常規多傳感器數據融合方法相比在以下方面存在優勢：(1)本方法將系統的物理約束加入數據融合模型，可有效提高多傳感器數據融合的效果；(2)本方法可將多個低成本低精度的GPS傳感器組合使用通過數據融合用于實現高精度的定位。

技術領域

本發明涉及一種基于全球定位系統多傳感器數據融合處理的方法，特別是一種在彈性系繩約束下的空間三體系統的基于擴展卡爾曼濾波的多傳感器精確定位方法。

背景技術

空間系繩在靈活性、生命周期和功能拓展性等方面優勢顯著，成為近年來國內外航天領域的研究熱點之一。空間三體系統是由三根空間系繩將空間航天器逐一連接而成的閉環新型空間系統，其在科學實驗、空間資源探索、對地觀測以及空間攻防等任務中已經開始發揮作用，具有廣泛的應用前景。

實時高精度航天器定位技術不僅是航天器實時監控和跟蹤的重要技術保障，同時也是實時調整和補償航天器姿態的主要依據。作為航天領域的一項基礎技術，其在航天器交會對接、在軌維護、目標捕獲、群體空間機器人構型保持與重構以及太空攻防等空間任務的成功實施中是不可缺少的前提。受觀測目標信息不完備、空間環境干擾大等因素的影響，實時高精度航天器的定位尚未找到較好的解決方案，一直是國內外學者研究的熱點難題之一。

隨著GPS等全球定位系統的開發和利用，為航天器導航定位提供了全新的方式。與傳統的陀螺儀、星敏感器等位姿測量傳感器相比，星載全球定位系統能夠提供較為準確、連續完整的導航、定位服務。因此基于星載全球定位系統接收機定位技術逐漸發展成為低軌道航天器定位的有效途徑。但全球定位系統定位技術依然存在定位精度有限、算法的解算效率較低等關鍵問題，因此產生了多種全球定位系統的定位方法：(1)單獨使用全球定位系統進行定位的獨立解算方法；(2)將全球定位系統測量信息與航天器姿態運動信息或其它傳感器測量信息進行組合的濾波定位算法，但這些方法在航天器應用上依然存在著許多局限性。

因此，本發明提出將多個低精度的全球定位系統傳感器組合使用，基于濾波算法實現全球定位系統多傳感器數據融合，對于實現地球低軌道航天器的高精度定位具有重要的應用價值。

發明內容

本發明的目的是實現系繩約束下的空間三體系統的精確定位。以封閉的旋轉三角形繩系衛星編隊系統為模型展開研究，首先獲取編隊系統各個衛星中的星載全球定位系統傳感器數據；根據繩系系統動力學模型建立狀態方程，將系繩約束加入觀測方程，基于擴展卡爾曼濾波器對全球定位系統的多個傳感器的輸出信號進行融合。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案為：

所述一種系繩約束下的空間三體系統多傳感器精確定位方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：構造空間三體系統的動力學模型：

建立的空間三體系統的動力學模型為

其中X＝[r₁ r₂ r₃]^T，r_i＝[x_i y_i z_i]^T(i＝1,2,3)為空間旋轉繩系衛星系統中三顆衛星質點在地心慣性坐標系中的位置矢量，μ為引力常數；所述空間旋轉繩系衛星系統由三根系繩和三顆衛星組成，并且衛星通過系繩連接起來形成閉合的平面三角形狀；

步驟2：基于細繩約束條件建立觀測模型：

根據空間三體系統在運動的過程中系繩長度保持不變，建立觀測模型為