CN111272177A - 基于时间对准的间接滤波相对导航方法及*** - Google Patents

基于时间对准的间接滤波相对导航方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于时间对准的间接滤波相对导航方法及***，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。

Description

基于时间对准的间接滤波相对导航方法及***
技术领域
本发明涉及基于时间对准的间接滤波相对导航方法及***，属于空间导航技术领域。
背景技术
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***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。
发明内容
本发明解决的技术问题是：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***，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。
本发明的技术解决方案是：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：
Figure BDA0002395448000000021
其中，
Figure BDA0002395448000000022
为激光雷达在追踪星本体系下的安装位置，
Figure BDA0002395448000000023
为经过时间对准后的激光雷达输出的相对位置信息，
Figure BDA0002395448000000024
为目标星质心在目标星形心坐标系下的坐标，
Figure BDA0002395448000000025
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：
Figure BDA0002395448000000026
其中，
Figure BDA0002395448000000031
为视觉相机在追踪星本体系下的安装位置，
Figure BDA0002395448000000032
为经过时间对准后的视觉相机输出的相对位置信息，
Figure BDA0002395448000000033
为目标星质心在目标星形心坐标系下的坐标，
Figure BDA0002395448000000034
为目标星对接环中心在目标星形心坐标系下的坐标，
Figure BDA0002395448000000035
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***，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：
Figure BDA0002395448000000036
其中，
Figure BDA0002395448000000037
为激光雷达在追踪星本体系下的安装位置，
Figure BDA0002395448000000038
为经过时间对准后的激光雷达输出的相对位置信息，
Figure BDA0002395448000000039
为目标星质心在目标星形心坐标系下的坐标，
Figure BDA00023954480000000310
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：
Figure BDA0002395448000000041
其中，
Figure BDA0002395448000000042
为视觉相机在追踪星本体系下的安装位置，
Figure BDA0002395448000000043
为经过时间对准后的视觉相机输出的相对位置信息，
Figure BDA0002395448000000044
为目标星质心在目标星形心坐标系下的坐标，
Figure BDA0002395448000000045
为目标星对接环中心在目标星形心坐标系下的坐标，
Figure BDA0002395448000000046
为目标星形心坐标系到追踪星本体坐标系的旋转矩阵。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明算法处理的过程中考虑了测量单机输出频率与***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)本发明设计的算法，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为本发明方法流程示意图；
图2为本发明激光雷达测量输出示意图；
图3为本发明视觉相机测量输出示意图；
图4为本发明实施例导航输出相对位置误差曲线；
图5为本发明实施例导航输出相对位置误差曲线；
图6为本发明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
本发明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***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***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***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，本发明包括：
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。
上述步骤一，激光雷达输出的目标星与追踪星之间的相对位置信息定义为目标星形心在激光雷达测量坐标系下的三维坐标，如图2中矢量
Figure BDA0002395448000000051
所示。
视觉相机输出的目标星与追踪星之间的相对位置信息定义为目标星对接环中心在视觉相机测量坐标系下的三维坐标，如图3中矢量
Figure BDA0002395448000000052
所示。
上述步骤二，对测量单机输出的数据进行预处理，利用导航滤波算法上一个周期输出的目标星与追踪星之间的相对速度,即卡尔曼滤波上一周期的输出值
Figure BDA0002395448000000053
的后三维量
Figure BDA0002395448000000054
测量单机输出数据的时间tld或txj与***导航滤波算法时间tGNC的差记为Δtld＝tGNC-tld或者Δtxj＝tGNC-txj，时间对准完成后送给导航滤波算法的输入值为
Figure BDA0002395448000000055
或者
Figure BDA0002395448000000056
上述步骤三，如图2所示，可知当测量单机为激光雷达时，目标星与追踪星质心连线在追踪星本体系下的投影：
Figure BDA0002395448000000061
其中，
Figure BDA0002395448000000062
为激光雷达在追踪星本体系下的安装位置，
Figure BDA0002395448000000063
为经过时间对准后的激光雷达输出的相对位置信息，
Figure BDA0002395448000000064
为目标星质心在目标星形心坐标系下的坐标，
Figure BDA0002395448000000065
为目标星形心坐标系到追踪星本体坐标系的旋转矩阵。
如图3所示，可知当测量单机为视觉相机时，目标星与追踪星质心连线在追踪星本体系下的投影：
Figure BDA0002395448000000066
其中，
Figure BDA0002395448000000067
为视觉相机在追踪星本体系下的安装位置，
Figure BDA0002395448000000068
为经过时间对准后的视觉相机输出的相对位置信息，
Figure BDA0002395448000000069
为目标星质心在目标星形心坐标系下的坐标，
Figure BDA00023954480000000610
为目标星对接环中心在目标星形心坐标系下的坐标，
Figure BDA00023954480000000611
为目标星形心坐标系到追踪星本体坐标系的旋转矩阵。
目标星轨道系下两星的相对位置为：
Figure BDA00023954480000000612
其中
Figure BDA00023954480000000613
为追踪星本体系到惯性系的旋转矩阵，通过绝对姿态确定可以获得，
Figure BDA00023954480000000614
为惯性系到目标星轨道系的转换矩阵，超近距离段可以近似认为此旋转矩阵等于惯性系到追踪星轨道系的旋转矩阵，为已知量。
由以上分析可知，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：
Figure BDA00023954480000000615
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：
Figure BDA00023954480000000616
以目标星轨道系下目标星与追踪星的相对位置为观测量，建立扩展卡尔曼滤波器，观测方程为：
Figure BDA00023954480000000617
其中，H＝[I3×3 03×3]，X＝[x y z vx vy vz]为卡尔曼滤波算法中的状态量，本方法中为目标星轨道系下两星的相对位置和相对速度，
结合两星的相对轨道动力学方程采用滤波技术实时进行输出。
实施例
下面以某高轨卫星GNC***为对象，采用激光雷达与视觉相机作为测量单机，通过仿真实例验证本发明在超近距离非合作目标相对导航方面的应用。
(1)状态方程建立
将相对轨道的坐标系建立在目标星轨道系，以两星的相对位置、相对速度、目标质心坐标作为状态量，其状态方程为：
Figure BDA0002395448000000071
其中：X＝[x y z vx vy vz]T；
x，y，z为两星相对位置在目标星轨道系下的投影；
vx，vy，vz为两星相对速度在目标星轨道系下的投影；
进行离散化处理后，求取一步预测值：
Figure BDA0002395448000000072
其中：
Figure BDA0002395448000000073
Figure BDA0002395448000000074
初值：
Figure BDA0002395448000000075
(2)观测方程建立
以单机输出的相对位置建立观测方程，由单机测量信息定义，可得
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：
Figure BDA0002395448000000081
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：
Figure BDA0002395448000000082
以目标星轨道系下目标星与追踪星的相对位置为观测量，建立扩展卡尔曼滤波器，观测方程为：
Figure BDA0002395448000000083
其中H＝[I3×3 03×3]，X＝[x y z vx vy vz]为卡尔曼滤波算法中的状态量，此算例中为目标星轨道系下两星的相对位置和相对速度。
Figure BDA0002395448000000084
(3)仿真条件
激光雷达测量精度：
相对位置测量精度：≤0.1m；
相对角度测量误差：3°。
视觉相机测量精度：
相对位置测量精度：≤0.05m；
相对角度测量误差：2°。
仿真轨迹：初始追踪星在目标后方60m→目标后方60m逼近到后方30m→目标后方30m逼近到后方10m→目标后方10m逼近到后方2m。
10m处单机由激光雷达切换成视觉相机(仿真时间1000s)
(3)仿真结果
如图4、5和6。
从仿真结果曲线可以看出：整个过程中相对位置误差优于0.05m；相对速度误差优于0.01m/s，单机切换处导航算法无需重新收敛，可以满足超近距离非合作目标相对导航的需求。以上仿真说明了基于时间对准的间接滤波相对导航方法的有效性。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

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：
Figure FDA0002395447990000011
其中，
Figure FDA0002395447990000012
为激光雷达在追踪星本体系下的安装位置，
Figure FDA0002395447990000013
为经过时间对准后的激光雷达输出的相对位置信息，
Figure FDA0002395447990000014
为目标星质心在目标星形心坐标系下的坐标，
Figure FDA0002395447990000015
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：
Figure FDA0002395447990000021
其中，
Figure FDA0002395447990000022
为视觉相机在追踪星本体系下的安装位置，
Figure FDA0002395447990000023
为经过时间对准后的视觉相机输出的相对位置信息，
Figure FDA0002395447990000024
为目标星质心在目标星形心坐标系下的坐标，
Figure FDA0002395447990000025
为目标星对接环中心在目标星形心坐标系下的坐标，
Figure FDA0002395447990000026
为目标星形心坐标系到追踪星本体坐标系的旋转矩阵。
6.基于时间对准的间接滤波相对导航***，其特征在于，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。
7.根据权利要求6所述的基于时间对准的间接滤波相对导航***，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，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。
8.根据权利要求6所述的基于时间对准的间接滤波相对导航***，其特征在于，所述测量单机包括激光雷达和视觉相机。
9.根据权利要求8所述的基于时间对准的间接滤波相对导航***，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：
Figure FDA0002395447990000031
其中，
Figure FDA0002395447990000032
为激光雷达在追踪星本体系下的安装位置，
Figure FDA0002395447990000033
为经过时间对准后的激光雷达输出的相对位置信息，
Figure FDA0002395447990000034
为目标星质心在目标星形心坐标系下的坐标，
Figure FDA0002395447990000035
为目标星形心坐标系到追踪星本体坐标系的旋转矩阵。
10.根据权利要求8所述的基于时间对准的间接滤波相对导航***，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：
Figure FDA0002395447990000036
其中，
Figure FDA0002395447990000037
为视觉相机在追踪星本体系下的安装位置，
Figure FDA0002395447990000038
为经过时间对准后的视觉相机输出的相对位置信息，
Figure FDA0002395447990000039
为目标星质心在目标星形心坐标系下的坐标，
Figure FDA00023954479900000310
为目标星对接环中心在目标星形心坐标系下的坐标，
Figure FDA00023954479900000311
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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