基于天地基协同滤波非合作航天器轨道实时确定方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115077535A(43)申请公布日2022.09.20(21)申请号202210539328.5(22)申请日2022.05.18(71)申请人中国人民解放军63921部队地址100028北京市海淀区北清路26号院申请人中国人民解放军32011部队(72)发明人刘也路毅马岩王俊魁曹建峰刘传凯袁斌文石晟玮金雪黄传奇齐星楠王婧思(74)专利代理机构北京君有知识产权代理事务所(普通合伙)11630专利代理师焦丽雅(51)Int.Cl.G01C21/24(2006.01)权利要求书8页说明书11页附图1页(54)发明名称基于天地基协同滤波非合作航天器轨道实时确定方法(57)摘要一种基于天地基协同滤波的非合作航天器轨道实时确定方法，首先建立天地联合的实时定轨系统处理架构，并建立信息处理流程；其次，根据测量与滤波原理，构造地基观测与天基观测的状态方程和滤波方程，在此基础上分别建立天基实时定轨和地基实时定轨滤波器，分别进行目标轨迹解算；最后，基于动态分配信息因子算法设计滤波结果融合策略，输出最终定轨结果。该方法能够有效实现天地基测量数据的联合利用，一方面，在天地基联合观测情况下，可以改善目标观测几何，提高目标实时轨道确定精度；另一方面，在天基或地基单一平台故障或被干扰情况下，滤波器能够自动识别故障，并自适应调整参数实现对目标的连续最优滤波定轨。CN115077535ACN115077535A权利要求书1/8页1.基于天地基协同滤波的非合作航天器轨道实时确定方法，其特征为：包括如下步骤：步骤1：构建天地基协同滤波定轨流程构建地基观测方程，并利用地基雷达或光学设备对非合作航天器进行测量，收集观测数据；构建天基观测方程，并利用天基雷达或光学设备对可见非合作航天器进行测量，收集观测数据；对地基和天基测量数据进行融合，利用初定轨算法对统一格式数据进行初轨确定；基于地基滤波方程、天基滤波方程和天地协同滤波方程，进行轨道跟踪滤波，实现实时融合轨道确定；步骤2：构建地基滤波方程相对轨道结合非合作航天器运动模型、地基设备观测模型，基于UKF滤波（UnscentedKalmanFilter，无迹卡尔曼滤波）算法构建地基滤波方程，具备处理地基观测数据并进行地基滤波定轨的功能，同时可输出估计误差协方差，供后续天地基协同滤波方程应用；利用地基设备获取的光学、雷达测角、测距数据，采用上述UKF滤波器进行实时滤波轨道计算；步骤3：构建天基滤波方程结合非合作航天器运动模型、天基设备观测模型，基于EKF滤波（ExtendedKalmanFilter，扩展卡尔曼滤波）算法构建天基滤波方程，具备处理天基观测数据并进行天基滤波定轨的功能，同时可输出估计误差协方差，供后续天地基协同滤波方程应用；利用天基设备获取的天基光学、雷达测角、测距数据，采用上述EKF滤波器进行相对轨道实时滤波计算，相对轨道叠加天基观测平台轨道即可获得目标绝对轨道；步骤4：天地协同融合滤波定轨结合非合作航天器运动模型、天基设备观测模型、地基设备观测模型，基于协同滤波算法构建天地基协同滤波方程，当具备天基和地基有效观测数据时，融合地基滤波方程和天基滤波方程的误差协方差阵，通过信息分配因子确定子滤波器在滤波过程中所占的权重，得到可靠滤波结果；当无地基有效观测数据时，仅天基定轨子系统工作并输出定轨结果；当无天基有效观测数据时，仅地基定轨子系统工作并输出定轨结果。2.根据权利要求1所述的基于天地基协同滤波的非合作航天器轨道实时确定方法，其特征为：所述步骤1进一步包括如下内容：利用地基雷达或光学设备对非合作航天器进行测量，收集观测数据：数据格式主要为测角、测距数据，利用天基雷达或光学设备对可见非合作航天器进行测量，收集观测数据：数据格式主要为测角、测距数据。3.根据权利要求1所述的基于天地基协同滤波的非合作航天器轨道实时确定方法，其特征为：所述步骤1进一步包括如下内容：采用两位置矢量定轨方法进行初定轨计算；已知卫星在空间两点的位置矢量以及卫星飞过这两点的时间，则可以确定卫星轨道；假定在时间内航天器从矢量飞到，飞过的夹角，对应的偏近点角值为，则可由下式计算对应的速度矢量和，由此可根据观测数据计算出卫星的轨道状态：2CN115077535A权利要求书2/8页（1）其中，（2）（3）至此，便可根据观测数据计算出卫星的轨道状态。4.根据权利要求1所述的基于天地基协同滤波的非合作航天器轨道实时确定方法，其特征为：所述步骤2进一步包括如下内容：所述非合作航天器运动模型建立如下：系统状态变量为卫星在J2000.0地心平赤道坐标系中的位置矢量和速度矢量，即：（4）其中，上标表示转置，，分别为探测器在J2000.0地心平赤道坐标系下的位置矢量和速度矢量；将上式关于时间进行