[发明专利]系绳约束下的空间三体系统多传感器精确定位方法

说明书

本发明提出一种系绳约束下的空间三体系统多传感器精确定位方法，以封闭的旋转三角形绳系卫星编队系统为模型展开研究，首先获取编队系统各个卫星中的星载全球定位系统传感器数据；根据绳系系统动力学模型建立状态方程，将系绳约束加入观测方程，基于扩展卡尔曼滤波器对全球定位系统的多个传感器的输出信号进行融合。该方法与常规多传感器数据融合方法相比在以下方面存在优势：(1)本方法将系统的物理约束加入数据融合模型，可有效提高多传感器数据融合的效果；(2)本方法可将多个低成本低精度的GPS传感器组合使用通过数据融合用于实现高精度的定位。

技术领域

本发明涉及一种基于全球定位系统多传感器数据融合处理的方法，特别是一种在弹性系绳约束下的空间三体系统的基于扩展卡尔曼滤波的多传感器精确定位方法。

背景技术

空间系绳在灵活性、生命周期和功能拓展性等方面优势显著，成为近年来国内外航天领域的研究热点之一。空间三体系统是由三根空间系绳将空间航天器逐一连接而成的闭环新型空间系统，其在科学实验、空间资源探索、对地观测以及空间攻防等任务中已经开始发挥作用，具有广泛的应用前景。

实时高精度航天器定位技术不仅是航天器实时监控和跟踪的重要技术保障，同时也是实时调整和补偿航天器姿态的主要依据。作为航天领域的一项基础技术，其在航天器交会对接、在轨维护、目标捕获、群体空间机器人构型保持与重构以及太空攻防等空间任务的成功实施中是不可缺少的前提。受观测目标信息不完备、空间环境干扰大等因素的影响，实时高精度航天器的定位尚未找到较好的解决方案，一直是国内外学者研究的热点难题之一。

随着GPS等全球定位系统的开发和利用，为航天器导航定位提供了全新的方式。与传统的陀螺仪、星敏感器等位姿测量传感器相比，星载全球定位系统能够提供较为准确、连续完整的导航、定位服务。因此基于星载全球定位系统接收机定位技术逐渐发展成为低轨道航天器定位的有效途径。但全球定位系统定位技术依然存在定位精度有限、算法的解算效率较低等关键问题，因此产生了多种全球定位系统的定位方法：(1)单独使用全球定位系统进行定位的独立解算方法；(2)将全球定位系统测量信息与航天器姿态运动信息或其它传感器测量信息进行组合的滤波定位算法，但这些方法在航天器应用上依然存在着许多局限性。

因此，本发明提出将多个低精度的全球定位系统传感器组合使用，基于滤波算法实现全球定位系统多传感器数据融合，对于实现地球低轨道航天器的高精度定位具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的是实现系绳约束下的空间三体系统的精确定位。以封闭的旋转三角形绳系卫星编队系统为模型展开研究，首先获取编队系统各个卫星中的星载全球定位系统传感器数据；根据绳系系统动力学模型建立状态方程，将系绳约束加入观测方程，基于扩展卡尔曼滤波器对全球定位系统的多个传感器的输出信号进行融合。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

所述一种系绳约束下的空间三体系统多传感器精确定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：构造空间三体系统的动力学模型：

建立的空间三体系统的动力学模型为

其中X＝[r₁ r₂ r₃]^T，r_i＝[x_i y_i z_i]^T(i＝1,2,3)为空间旋转绳系卫星系统中三颗卫星质点在地心惯性坐标系中的位置矢量，μ为引力常数；所述空间旋转绳系卫星系统由三根系绳和三颗卫星组成，并且卫星通过系绳连接起来形成闭合的平面三角形状；

步骤2：基于细绳约束条件建立观测模型：

根据空间三体系统在运动的过程中系绳长度保持不变，建立观测模型为