[发明专利]估计弹目视线角速率的快收敛Kalman滤波器的设计方法

摘要

估计弹目视线角速率的快收敛Kalman滤波器的设计方法，属于导弹制导控制技术领域。本发明为了提高现有的目标—导弹视线角速度估计Kalman滤波方法的收敛速度。首先设置滤波器初始估计值；然后测算当前时刻目标与导弹之间的相对距离和相对速度；测算导弹加速度在视线坐标系o′y₄和o′z₄轴方向上的分量；最后由导弹俯仰通道视线运动状态方程和俯仰通道视线角测量方程构造俯仰通道快收敛Kalman滤波器，由导弹偏航通道视线运动状态方程和偏航通道视线角测量方程构造偏航通道快收敛Kalman滤波器，从而分别求出目标与导弹之间的视线俯仰角速率和视线偏航角速率。本发明提高Kalman滤波器的收敛速度，得到高精度的视线角速率估计。

主权项

估计弹目视线角速率的快收敛Kalman滤波器的设计方法，其特征在于：所述方法的实现过程为：步骤一、滤波器初始估计值的设定：定义末制导惯性参考坐标系o₀x₀y₀z₀、发射点惯性坐标系o_Fx_Fy_Fz_F、地心惯性坐标系o_Ix_Iy_Iz_I，以三者之间的关系：设末制导惯性参考坐标系o₀x₀y₀z₀在末制导过程中相对于惯性空间固化不动，末制导惯性参考坐标系的原点为末制导初始时刻导弹的质心o₀，其o₀x₀轴沿着末制导初始时刻视线方向，指向目标为正，其o₀y₀轴位于包含o₀x₀轴的铅垂面内，指向上为正，o₀z₀轴由右手定则确定；发射点惯性坐标系的原点为发射点o_F，o_Fy_F轴铅锤向上，o_Fx_F轴和o_Fz_F轴位于水平面内，其指向按需要选取，设o_Fx_Fy_F为射击平面；地心惯性坐标系的原点o_I位于地心上，o_Ix_I轴位于赤道平面内，指向某一恒星，o_Iz_I轴指向北极方向，o_Iy_I按右手定则确定；地心惯性坐标系与发射点惯性坐标系之间的转换取决于λ₀和α_F三个角度,q_ε0和q_β0分别为末制导初始时刻视线相对于发射点惯性坐标系所成的视线仰角和视线偏角；滤波器初始估计中的视线俯仰角和视线偏航角的初值和取为根据导引头第1拍测量值计算出来的视线俯仰角和视线偏航角，视线俯仰角速率和视线偏航角速率的初值和利用几何方法计算出来，即其中，和括号中的0表示0时刻；△x、△y、△z为末制导初始时刻目标—导弹相对位置在末制导惯性参考坐标系三个轴上的分量，为末制导初始时刻目标—导弹相对速度在末制导惯性参考坐标系三个轴上的分量，的具体计算过程如下：设导弹在末制导惯性参考坐标系的位置为(x、y、z)，其速度在该坐标系中的投影为上述信息由弹上导航系统提供；目标在末制导惯性参考坐标系的位置为(x_t、y_t、z_t)， 其速度在该坐标系中的投影为上述信息由地面上的目标测量系统提供，则△x＝x_t‑x，△y＝y_t‑y，△z＝z_t‑z，步骤二、测算当前时刻目标与导弹之间的相对距离和相对速度，具体过程如下：记当前时刻相对位置在末制导惯性参考坐标系中的分量为△x＝x_t‑x，△y＝y_t‑y，△z＝z_t‑z，当前时刻相对速度在末制导惯性参考坐标系中的分量为则目标—导弹相对距离为相对速度为在末制导过程中，始终有R>0，步骤三、测算导弹加速度在视线坐标系o′x₄y₄z₄的o′y₄和o′z₄轴方向上的分量a_ε和a_β，以及目标加速度在视线坐标系的o′y₄和o′z₄轴方向上的分量a_tε和a_tβ；导弹上加速度计输出的加速度是沿着弹体坐标系ox₁y₁z₁投影的，投影到视线坐标系即可求得导弹法向加速度a_ε和a_β；导弹弹体坐标系ox₁y₁z₁的原点o位于导弹质心上；ox₁轴与弹体纵轴重合，指向头部为正，oy₁轴在弹体纵向对称平面内，垂直ox₁轴，指向上方为正，oz₁轴方向按右手定则确定；视线坐标系o′x₄y₄z₄原点o′位于导引头回转中心,o′x₄轴与目标—导弹视线一致,由导引头回转中心指向目标为正，o′y₄轴位于包含o′x₄轴的铅锤面内，与o′x₄轴垂直，指向上方为正，o′z₄轴按右手定则确定；由末制导惯性坐标系转换到视线坐标系定义视线俯仰角q_ε和视线偏航角q_β；根据目标轨道测量数据可计算出目标加速度在地心惯性坐标系中的三个分量，然后投影到视线坐标系求得a_tε和a_tβ；步骤四、由导弹的俯仰通道视线运动状态方程和俯仰通道视线角测量方程构造俯仰通道快收敛Kalman滤波器，从而求出目标与导弹之间的视线俯仰角速率：俯仰通道视线运动离散化状态方程为：其中，k代表第k个采样时刻，△t为采样周期；俯仰通道视线角测量方程为：其中，H_ε＝[1 0]，ν_ε(k)为视线俯仰角的测量噪声，假设其均值为零；设则俯仰通道快收敛Kalman滤波器为：其中，和分别代表X_ε的滤波估计和预报估计，γ选择一个充分大的正值；λ是一个正的标量；步骤五、根据导弹的偏航通道视线运动状态方程和偏航通道视线角测量方程可设计出估计目标与导弹之间偏航通道视线角速率的快收敛Kalman滤波器：偏航通道视线运动离散化状态方程为X_β(k+1)＝Φ_β(k)X_β(k)+Β_β(k)u_β(k)+w_β(k)   (5)其中，w_β(k)是一个零均值随机过程，偏航视线角测量方程为其中，H_β＝[1 0]，ν_β(k)为视线俯仰角的测量噪声，假设其均值为零，由导弹的偏航通道视线运动状态方程和偏航通道视线角测量方程构造偏航通道快收敛Kalman滤波器，从而求出目标与导弹之间的视线偏航角速率；偏航通道Kalman滤波器为：其中，和分别代表X_β的滤波估计和预报估计，γ选择一个充分大的正值；λ是一个正的标量。