一種多星協同動目標自適應測向定位與跟蹤方法技術

本發明專利技術提供了一種多星協同動目標自適應測向定位與跟蹤方法，包括如下：多顆衛星在軌同步或異步獲取運動目標隨時間變化的視線矢量信息，并選擇其中一顆衛星作為主星，其他衛星作為輔星；輔星向主星通過星間鏈路發送視線測量數據和定位輔助數據；利用常速運動模型進行初始狀態最小二乘估計，并根據目標方位測量噪聲設定初始協方差矩陣；采用12態線性運動模型，預測當前觀測時刻目標的運動狀態和協方差矩陣；結合定位輔助數據以及預測的當前時刻運動狀態，計算方位測量值的雅可比矩陣，并根據測量噪聲協方差陣計算濾波增益，最后根據真實量測對目標當前時刻的運動狀態進行估計。

【技術實現步驟摘要】
一種多星協同動目標自適應測向定位與跟蹤方法
本專利技術涉及一種天基空間動目標跟蹤方法，更具體的說，涉及一種利用多星協同方式，基于純方位測量的空間動目標定位與跟蹤方法。
技術介紹
空間碎片等空間非合作目標的監測愈發受到各國的重視。隨著對測量精度、觀測視野、抗干擾性等要求的提高，發展基于光電傳感器純方位測量(測向定位)的天基無源定位技術是大勢所趨。由于測向體制下缺少測距信息，多星協同觀測才能實現目標的三維空間定位?？紤]到多星協同下觀測起始時間、觀測頻率很難保持一致，且由于測量方程的非線性或者系統呈現弱可觀性時，如何保證信息融合的穩定性和優效性顯得尤為重要。必須從狀態初始化、狀態傳遞、融合算法三個方面著手，實現時空信息的非線性優效融合。目前關于多星協同動目標測向定位與跟蹤方法介紹較少，經文獻檢索，中國專利技術專利申請號201610172124.7，專利名稱為“多傳感器無源協同測向定位方法”，其估計方法是先通過一階預測轉移矩陣把多傳感器的所有觀測數據統一外推到定位時刻，非實時量測優效估計，在損失定位精度的同時也降低了運算效率。
技術實現思路
針對現有技術中的缺陷，本專利技術的目的是提供一種多星協同動目標自適應測向定位與跟蹤方法，用于實現測向體制下觀測數據時間不同步、頻率不一致以及弱可觀性等觀測條件下的非合作動目標高精度定位。本專利技術所采用的技術方案如下：一種多星協同動目標自適應測向定位與跟蹤方法，包括如下：1)多顆衛星在軌同步或異步獲取運動目標隨時間變化的視線矢量信息，并選擇其中一顆衛星作為主星，其他衛星作為輔星；2)輔星向主星通過星間鏈路發送視線測量數據，以及觀測時刻、軌道位置、衛星姿態等定位輔助數據；3)觀測數據維度達到狀態初始化維度要求時，利用常速運動模型進行初始狀態最小二乘估計，并根據目標方位測量噪聲設定初始協方差矩陣；4)當主星接收到新的視線觀測信息時，根據上一觀測時刻的目標運動狀態和協方差矩陣，采用12態線性運動模型，預測當前觀測時刻目標的運動狀態和協方差矩陣；5)基于運動狀態量到測量方位量的非線性量測方程，結合定位輔助數據以及預測的當前時刻運動狀態，計算方位測量值的雅可比矩陣，并根據測量噪聲協方差陣計算濾波增益，最后根據真實量測對目標當前時刻的運動狀態進行估計。進一步，所述1中目標的視線矢量信息一般在衛星軌道系下描述，設軌道系下目標視線單位矢量為b＝[b1b2b3]T，則視線方位角θx與視線俯仰角θy表示為進一步，所述3中觀測數據維度達到初始化狀態維度要求，針對常速運動模型，用于初始化的視線觀測信息中至少包含兩顆衛星的各兩次觀測。進一步，所述3中初始狀態最小二乘估計，首先將軌道系視線轉至慣性系，u＝Morb2eci·b其中，Morb2eci為軌道系到慣性系轉換矩陣，u為慣性系視線。根據觀測幾何關系有rk＝sk+ρkuk,k＝1,2,...,m式中，m為狀態初始化時已有的觀測次數，sk、uk、ρk、rk分別為第k次觀測所對應的衛星軌道位置矢量、星目視線矢量、星目距離以及目標位置矢量，無特殊說明時矢量坐標皆在慣性系描述，另一方面，由常速模型可知，rk＝r1+(tk-t1)·v1式中，t為對應觀測時刻，v為目標速度矢量。聯立以上兩式有，r1+(tk-t1)·v1＝sk+ρkuk在上式兩邊同時使用uk進行左叉乘，消去ρkuk項，最終可得uk×r1+(tk-t1)·uk×v1＝uk×skm次觀測組成的線性方程組為，Amx＝dm其中，u×表示叉乘矩陣。利用最小二乘求解第m次觀測時刻的目標運動狀態為，初始狀態只估計位置和速度，初始加速度和加加速度置0，則初始狀態估計為，進一步，所述4中根據12態線性方程預測運動狀態和協方差矩陣，具體為，X10＝Φ·X0P10＝Φ·P0·ΦT其中，I為3×3單位陣，Δt為當前觀測時刻與前次觀測時刻時間差，Φ為狀態轉移矩陣，P0為初始協方差陣，X10和P10為運動狀態和協方差預測量。進一步，所述5中方位量測雅可比矩陣的計算，具體為，ρ10＝||X10(1:3)-rs||u10＝(X10(1:3)-rs)/ρ10H＝Jhb·Jbr其中，rs為當前觀測時刻衛星軌道位置矢量。進一步，所述5中濾波增益計算和當前時刻狀態估計，具體為，K＝P10·HT·(H·P10·HT+R)-1P1＝(I12×12-K·H)·P10其中，θx和θy為真實量測，σθ為測量噪聲標準差，K為濾波增益，X1和P1為當前觀測時刻運動狀態和協方差預估計。本專利技術從狀態初始化、狀態傳遞、融合算法三個方面對信息融合的穩定性與準確性進行優化，狀態初始化過程采用普適性較強的常速模型，并利用冗余的測量信息進行最小二乘初始化，可到達較高的初始化精度，有利于濾波的穩定性。為了使運動模型在兼顧準確的情形下運行更加高效，也考慮到光學觀測時一般弧度較短不會產生過擬合現象，狀態傳遞采用12態線性模型，其不但具有較強的普適性，對其他特征的目標同樣具有高精度短弧跟蹤優勢。信息融合時采用擴展卡爾曼濾波方法對觀測數據進行實時濾波，既能保證非線性濾波的狀態估計的CRLB優效性，又能維持較小的計算量和濾波穩定性。附圖說明通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本專利技術的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：圖1為本專利技術多星協同動目標自適應測向定位與跟蹤方法步驟分解圖；圖2為本專利技術測向體制高精度定位效果圖。具體實施方式下面結合具體實施例對本專利技術進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本專利技術，但不以任何形式限制本專利技術。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本專利技術構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本專利技術的保護范圍。本專利技術提供的多星協同動目標自適應測向定位與跟蹤方法，如圖1所示，狀態初始化過程采用普適性較強的常速模型，并利用冗余的測量信息進行最小二乘初始化，達到較高的初始化精度；估計算法兼顧準確性和高效性，基于12參數線性狀態傳遞模型和視線信息實時迭代濾波算法，進行運動狀態和協方差的時間更新，對觀測方程求取雅可比矩陣并進行量測更新以實現觀測數據的實時濾波，實現測向體制下觀測數據時間不同步、頻率不一致以及弱可觀性等觀測條件下的非合作動目標高精度定位跟蹤。假設某空間碎片的初始位置和速度矢量為r0＝[-1.4500,3.3958,5.9962]T×103km和利用雙星對碎片目標進行跟蹤，其中雙星的地心夾角為90°，視線測量精度為σθ＝30μrad，觀測時長180s，采樣周期6s。通過MonteCarlo打靶模擬衛星的真實方位量測信息，設第m次觀測時量測信息達到初始化條件，則利用以下公式進行狀態初始化，其中，u×表示叉乘矩陣。利用最小二乘求解第m次觀測時刻的目標運動狀態為，初始狀態只估計位置和速度，初始加速度和加加速度置0，則初始狀態估計為，當新的量測信息出現時，根據12態線性方程對運動狀態和協方差矩陣進行時間更新，X10＝Φ·X0P10＝Φ·P0·ΦT其中，I為3×3單位陣，Δt為當前觀測時刻與前次觀測時刻時間差，Φ為狀態轉移矩陣，P0為初始協方差陣，X10和P10為運動狀態和協方差預測量。同時進行量測雅可比矩陣的計算，ρ10＝||X10(1:3)-rs||u10＝(X10(1:3)-rs)/ρ10H＝Jhb·Jbr本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種多星協同動目標自適應測向定位與跟蹤方法，其特征在于，包括如下：多顆衛星在軌同步或異步獲取運動目標隨時間變化的視線矢量信息，并選擇其中一顆衛星作為主星，其他衛星作為輔星；輔星向主星通過星間鏈路發送視線測量數據，以及包括觀測時刻、軌道位置、衛星姿態的定位輔助數據；觀測數據維度達到狀態初始化維度要求時，利用常速運動模型進行初始狀態最小二乘估計，并根據目標方位測量噪聲設定初始協方差矩陣；當主星接收到新的視線觀測信息時，根據上一觀測時刻的目標運動狀態和協方差矩陣，采用12態線性運動模型，預測當前觀測時刻目標的運動狀態和協方差矩陣；基于運動狀態量到測量方位量的非線性量測方程，結合定位輔助數據以及預測的當前時刻運動狀態，計算方位測量值的雅可比矩陣，并根據測量噪聲協方差陣計算濾波增益，最后根據真實量測對目標當前時刻的運動狀態進行估計。

【技術特征摘要】
1.一種多星協同動目標自適應測向定位與跟蹤方法，其特征在于，包括如下：多顆衛星在軌同步或異步獲取運動目標隨時間變化的視線矢量信息，并選擇其中一顆衛星作為主星，其他衛星作為輔星；輔星向主星通過星間鏈路發送視線測量數據，以及包括觀測時刻、軌道位置、衛星姿態的定位輔助數據；觀測數據維度達到狀態初始化維度要求時，利用常速運動模型進行初始狀態最小二乘估計，并根據目標方位測量噪聲設定初始協方差矩陣；當主星接收到新的視線觀測信息時，根據上一觀測時刻的目標運動狀態和協方差矩陣，采用12態線性運動模型，預測當前觀測時刻目標的運動狀態和協方差矩陣；基于運動狀態量到測量方位量的非線性量測方程，結合定位輔助數據以及預測的當前時刻運動狀態，計算方位測量值的雅可比矩陣，并根據測量噪聲協方差陣計算濾波增益，最后根據真實量測對目標當前時刻的運動狀態進行估計。2.根據權利要求1所述的多星協同動目標自適應測向定位與跟蹤方法，其特征在于，目標的視線矢量信息在衛星軌道系下描述，設軌道系下目標視線單位矢量為b＝[b1b2b3]T，則視線方位角θx與視線俯仰角θy表示為3.根據權利要求1所述的多星協同動目標自適應測向定位與跟蹤方法，其特征在于，觀測數據維度達到狀態初始化維度要求，針對常速運動模型，用于初始化的視線觀測信息中至少包含兩顆衛星的各兩次觀測。4.根據權利要求1所述的多星協同動目標自適應測向定位與跟蹤方法，其特征在于，初始狀態最小二乘估計的方法，首先將軌道系視線轉至慣性系，u＝Morb2eci·b其中，Morb2eci為軌道系到慣性系轉換矩陣，u為慣性系視線。根據觀測幾何關系有rk＝sk+ρkuk,k＝1,2,...,m式中，m為狀態初始化時已有的觀測次數，sk、uk、ρ...

【專利技術屬性】
技術研發人員：梁金金，宋效正，陸國平，俞潔，呂旺，
申請(專利權)人：上海衛星工程研究所，
類型：發明
國別省市：上海,31