[發明專利]一種基于中心誤差熵準則擴展卡爾曼濾波的姿態確定方法

在審

• 申請號: 202110768688.8
• 申請日: 2021-07-07
• 公開（公告）號: CN113449384A
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 曹璐;楊寶健;冉德超;肖冰;蔣臣
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍軍事科學院國防科技創新研究院
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20
• 代理公司: 北京奧文知識產權代理事務所(普通合伙) 11534
• 代理人: 張文

本發明公開了一種基于中心誤差熵準則擴展卡爾曼濾波的姿態確定方法，該方法用于確定航天器姿態，包括：根據航天器的觀測數據和航天器姿態動力學模型，建立航天器姿態確定的非線性系統；根據非線性系統和泰勒展開公式，獲取航天器對應的狀態預測方程和近似觀測方程，并對狀態預測方程和近似觀測方程進行增廣處理；基于增廣處理后的狀態預測方程和近似觀測方程，構建中心誤差熵準則濾波的代價函數，對代價函數進行最大化處理，確定航天器狀態變量的最優估計值。本發明的基于中心誤差熵準則擴展卡爾曼濾波的姿態確定方法能夠提高處理非高斯噪聲時的航天器姿態估計精度和魯棒性。

技術領域

本發明涉及航天器姿態估計技術領域，具體涉及一種基于中心誤差熵準則擴展卡爾曼濾波的姿態確定方法。

背景技術

高精度高可靠的姿態確定是航天器開展空間在軌服務等任務的基礎。目前航天器的姿態確定方法按姿態解算方法不同可以分為確定性方法和狀態估計法兩類，其中，狀態估計法采用濾波的方法根據觀測信息對航天器狀態量進行估計，可以有效的克服參考矢量的不確定性影響。

在高斯噪聲假設下，航天器姿態確定主要應用擴展卡爾曼濾波和Sigma點卡爾曼濾波，基于最小均方誤差準則的經典卡爾曼濾波和基于最小均方誤差準則的各類非線性濾波器在高斯噪聲的條件下有著最優或近似最優的濾波效果。然而，在實際工程實踐中往往會出現非高斯噪聲，在面對工程中經常出現的野值、脈沖等誘導的非高斯噪聲時，卡爾曼濾波不具有魯棒性，而基于最小均方誤差準則的各類非線性濾波器也必須滿足高斯假設，在面對非高斯環境時會出現精度差甚至濾波發散的現象。

為處理非高斯噪聲，目前主要使用非高斯濾波器，非高斯濾波器包括：粒子濾波器(PF)、高斯和濾波器(GSP)、Huber濾波器、Student’s t濾波器、最大相關熵濾波器(MCKF)和最小誤差熵濾波器(MEEKF)。其中，粒子濾波器采用序貫重要性采樣方法來近似計算后驗密度，可以處理任意非高斯噪聲；高斯和濾波器將非高斯噪聲建模為高斯和分布以處理非高斯噪聲；Huber濾波器采用M估計的方法處理非高斯噪聲，有著較好的魯棒性；Student’s t濾波器將非高斯噪聲假設為student’s t分布以處理非高斯噪聲；最大相關熵濾波器和最小誤差熵濾波器分別以最大相關熵準則和最小誤差熵準則為最優準則，相比傳統的最小均方誤差準則有著更好的非高斯噪聲的處理效果。

然而，上述的非高斯濾波器中，粒子濾波器具有較高的計算復雜度，且其粒子退化和粒子貧化問題也是很難處理的問題；高斯和濾波器假設噪聲的概率密度是已知的，且有著較大的計算量；Huber濾波器的精度有限；Student’s t濾波器只能對特定的非高斯噪聲進行處理，環境適應性較差；最大相關熵濾波器雖然可以將概率密度函數的峰值固定到零，但是單獨使用時算法的精度有限；最小誤差熵濾波器具有平移不變性，不能保證估計誤差收斂到零。

發明內容

為解決上述現有技術中存在的部分或全部技術問題，本發明提供一種基于中心誤差熵準則擴展卡爾曼濾波的姿態確定方法。

本發明的技術方案如下：

提供了一種基于中心誤差熵準則擴展卡爾曼濾波的姿態確定方法，所述方法用于確定航天器姿態，所述方法包括：

根據航天器的觀測數據和航天器姿態動力學模型，建立航天器姿態確定的非線性系統；

根據所述非線性系統和泰勒展開公式，獲取航天器對應的狀態預測方程和近似觀測方程，并對狀態預測方程和近似觀測方程進行增廣處理；

基于增廣處理后的狀態預測方程和近似觀測方程，構建中心誤差熵準則濾波的代價函數，對所述代價函數進行最大化處理，確定航天器狀態變量的最優估計值。

在一些可選的實施方式中，建立航天器姿態確定的非線性系統為：