[发明专利]一种基于CW方程的解耦变增益自主相对导航方法

说明书

本发明涉及一种基于CW方程的解耦变增益自主相对导航方法，包括如下步骤：步骤一：建立追踪星轨道直角坐标系，作为相对导航的参考直角坐标系，建立该坐标系下CW方程，作为状态方程；步骤二：将星上雷达直接测量的星间数据转换到参考直角坐标系下，建立观测方程；步骤三：忽略轨道角速度的平方及其高阶项，分别对状态方程和观测方程进行解耦，设计解耦后各轴独立的卡尔曼滤波器，所述的卡尔曼滤波器为建立在参考直角坐标系下的标准线性系统；步骤四：在上述卡尔曼滤波器的基础上设计变增益滤波器，进行各轴相对运动状态估计，完成相对导航设计。

技术领域

本发明涉及卫星自主编队技术，尤其是两星编队运动CW方程的解耦变增益自主相对导航设计方法。

背景技术

航天技术的发展，要求卫星能够自主实现编队、空间交会对接、在轨卫星捕获与维修以及深空探测等任务，自主相对导航是其关键技术。自主相对导航是指卫星通过星载计算机和星上相对导航测量设备，不借助地面等自主获得目标卫星的相对位置和相对速度。星上相对测量设备有激光雷达和微波雷达等，不需要目标卫星的应答信息，提供与目标卫星的视线距和两个视线角度信息。尤其对于非合作目标卫星，由于缺少对其通信链路，地面测定轨精度较低，自主相对导航是实现对其近距离编队、捕获等的唯一途径。

现有的自主相对导航方案采用两星运动方程(CW方程)作为系统方程，扩展卡尔曼滤波(EKF)、无迹卡尔曼滤波(UKF)、粒子滤波作为滤波算法。此外，相对导航的滤波算法收敛时间是影响武器作战响应的关键因素之一。相对导航的收敛过程取决于两个要素：滤波初值的选取精度、滤波算法的增益设计。

此前的算法表现出如下诸多缺点：

1)基于CW方程的相对导航算法计算量较大，一定程度上增加了星载计算机的负担。

2)CW方程推导过程中圆轨道假设及线性化处理，导致其只能应用于近圆轨道并且近距离下的相对导航，在椭圆轨道或远距离编队情况下滤波算法性能衰减甚至失效，适应性差。

3)UKF、粒子滤波等滤波算法对于非线性系统滤波性能优于EKF，但其计算量较EKF增加约一个数量级，不适合星载计算机运算。

4)在滤波初值精度确定的情况，滤波系统的收敛时间由滤波系统的增益设计参数(系统噪声阵/衰减记忆因子等)唯一确定，高增益设计对应较快的系统收敛特性，但是状态方程不匹配。在状态方程和跟瞄量测精度确定的情况下滤波系统的稳态精度由滤波系统的增益设计参数唯一确定，低增益设计对应较高的系统稳态估计精度，但是低增益会带来系统滤波收敛速度慢的缺点。

发明内容

本发明目的在于提供一种CW方程的解耦变增益自主相对导航方法，它能够扩展自主相对导航应用范围，使其能够在更复杂的轨道、更灵活的编队距离下都能够滤波有效。

本发明解决技术的方案是：一种基于CW方程的解耦变增益自主相对导航方法，包括如下步骤：

步骤一：建立追踪星轨道直角坐标系，作为相对导航的参考直角坐标系，建立该坐标系下CW方程，作为状态方程；

步骤二：将星上雷达直接测量的星间数据转换到参考直角坐标系下，建立观测方程；

步骤三：忽略轨道角速度的平方及其高阶项，分别对状态方程和观测方程进行解耦，设计解耦后各轴独立的卡尔曼滤波器，所述的卡尔曼滤波器为建立在参考直角坐标系下的标准线性系统；

步骤四：在上述卡尔曼滤波器的基础上设计变增益滤波器，进行各轴相对运动状态估计，完成相对导航设计。

优选的，所述的步骤一中，CW方程的公式为：