一種多星協同測向定位觀測系統優化設計與評估方法技術方案

本發明專利技術提供了一種多星協同測向定位觀測系統優化設計與評估方法，首先利用觀測方程推導幾何定位誤差傳遞矩陣，根據誤差傳遞矩陣對觀測幾何進行優化，再通過Fisher信息陣計算時序狀態估計的誤差Cramer?Rao下限(CRLB)，并與估計算法的Monte?Carlo打靶結果進行比較，驗證CRLB的有效性，然后利用CRLB分析觀測次數增加時目標跟蹤誤差的衰減趨勢規律、采樣周期變化時目標跟蹤誤差的衰減量級規律、采樣間隔增加時異步觀測相對同步觀測的跟蹤誤差相對變化，最后綜合考慮觀測成本，確定最優的觀測系統設計。

【技術實現步驟摘要】
一種多星協同測向定位觀測系統優化設計與評估方法
本專利技術涉及一種測向定位觀測系統優化設計與評估方法，更具體的說，涉及一種利用幾何定位誤差傳遞矩陣和時序狀態估計的誤差Cramer-Rao下限，立足算法層面以上，從觀測層面對多星協同測向定位效能進行優化的方法。
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。對測向定位跟蹤技術的討論不能止于算法，算法只是實現，真正的評估和設計還需要了解跟蹤精度的影響因素及影響幾何，所以有必要對跟蹤精度進行定量分析，綜合考慮各誤差因素對跟蹤性能的影響，助于明確系統設計指標，為總體設計提供理論指導。目前關于多星協同測向定位觀測系統優化設計方法介紹較少，經文獻檢索，中國專利技術專利申請號201710234933.0，專利名稱為“一種基于聯合估計CRLB的分布式雷達最優構型構建方法”，其測量信息包括距離和方位，與本專利技術只針對測向估計不同，且只對觀測幾何進行了優化，沒有涉及到時序狀態估計中觀測次數、采樣周期、觀測同步性等觀測模式的優化，不能全面、有效地指導測向定位觀測系統優化設計。
技術實現思路
針對現有技術中的缺陷，本專利技術所要解決的技術問題在于提供一種多星協同測向定位觀測系統優化設計與評估方法，立足算法層面以上，利用幾何定位誤差傳遞矩陣和時序狀態估計的Cramer-Rao下限分析觀測模式對跟蹤誤差時序衰減規律的影響，從觀測層面進行多星協同測向定位效能的優化。本專利技術所采用的技術方案如下：一種多星協同測向定位觀測系統優化設計與評估方法，包括如下：根據多星協同測向定位任務需求，明確多星觀測系統優化項目，包括觀測幾何、觀測次數、采樣周期、觀測同步性；建立衛星對目標的觀測方程，利用全微分和統計原理推導測量誤差到定位誤差的傳遞矩陣，并利用誤差傳遞矩陣對觀測幾何進行優化，得到多星協同觀測的最優幾何配置；在最優幾何配置的基礎上，建立測量集對當前狀態量的雅可比矩陣，形成總觀測矩陣，并結合測量噪聲的協方差矩陣，形成全部量測對當前狀態的Fisher信息陣。再通過Fisher信息陣計算當前狀態估計的誤差Cramer-Rao下限(CRLB)，其表征了當前觀測條件下目標定位所能達到的理論最優精度。在相同的采樣周期和同步觀測條件下，利用CRLB分析觀測次數增加時目標跟蹤誤差的衰減趨勢規律，找到跟蹤誤差趨于穩定時需要的觀測次數閾值；在相同的觀測次數和同步觀測條件下，利用CRLB分析采樣周期變化時目標跟蹤誤差的衰減量級規律，預測觀測一定時間后跟蹤誤差的大小，結合探測器性能確定最優的采樣周期；在相同的采樣周期和異步觀測條件下，利用CRLB分析采樣間隔增加時異步觀測相對同步觀測的跟蹤誤差相對變化，權衡定位精度和同步實現難易程度，確定星間的同步觀測要求。根據以上量化規律，結合具體任務需求和觀測成本，設計出符合當前任務的觀測系統最優參數。進一步，上述觀測幾何包括星目幾何與星目距離，其中，星目幾何指星目單位矢量在空間的構型關系，如果是雙星觀測則僅有雙星關于目標夾角這一層含義，若是多星觀測則包含了星目在單位球面體中的多面體構型關系。進一步，上述測量誤差到定位誤差的傳遞矩陣，首先建立量測方程hm＝hm(r,sm)其中hm為量測合成列向量，r為目標位置向量，sm為多星軌道位置合成列向量。根據全微分和統計原理可得dhm＝H·dr+G·dsmdr＝(HTH)-1HT·dhm-(HTH)-1HTG·dsm其中和分別視線測量誤差方差和衛星定軌誤差方差，Dh、Ds分別為視線誤差和定軌誤差的誤差傳遞矩陣，具體為Dh、Ds完全由觀測幾何決定，可通過優化tr(Dh)和tr(Ds)得出最優幾何配置。進一步，上述全部量測對當前狀態的Fisher信息陣，是測量集所含待估量信息多少的一種量度，其定義為：JX(ZM)＝E{[▽Xlnp(ZM|X)][▽Xlnp(ZM|X)]T}其中，ZM＝{zk,k＝1,2,...,M}為積累至并包括當前時刻的測量集(方位角、俯仰角)，p(ZM|X)為當前運動狀態X(位置、速度、加速度、加加速度)關于ZM的條件概率密度。可推出全部量測對當前運動狀態的Fisher信息陣為其中進一步，上述當前狀態估計的CRLB為最小均方誤差(MSE)意義下，無偏估計所能達到的協方差下限，即為Fisher信息陣的逆矩陣，矩陣不等式A≥B表示A-B為非負定矩陣。即測量越多，測量集所含的Fisher信息就越多，CRLB也就越小，可實現的狀態估計誤差就越小，而CRLB的時序衰減規律與具體的觀測模式有關。進一步，上述目標跟蹤誤差的衰減趨勢規律和觀測次數閾值，同步觀測條件下，隨觀測次數增加時，雖然狀態估計誤差的下降速率是一個非線性變化過程，但不同觀測模式下其變化趨勢是基本一致的。具體有位置估計誤差的“增速下降——減速下降——緩慢趨于穩定”規律，和速度估計誤差的“減速下降——快速趨于穩定”規律。觀測次數閾值指狀態估計誤差趨于穩定時所積累的觀測次數，分別有位置估計誤差觀測次數閾值和速度估計誤差觀測次數閾值等。進一步，上述目標跟蹤誤差的衰減量級規律，同步觀測條件下，雖然不同觀測模式下目標跟蹤誤差的衰減趨勢和觀測次數閾值基本一致，但采樣周期不同時狀態估計誤差趨于穩定時的量級大小可能不同，所以采樣周期決定了目標跟蹤誤差的衰減量級規律。而采樣周期的大小與衛星能源消耗、數傳能力、探測器能力等觀測成本有關，故須根據衰減量級規律并權衡觀測成本以確定符合系統任務的最優采樣周期。進一步，上述異步觀測的采樣間隔，是指采樣周期相同時，星間協同觀測的最小時間間隔，如同步觀測的采樣間隔為0。所述步驟6中采樣間隔增加時異步觀測相對同步觀測的跟蹤誤差相對變化，采樣間隔越大，異步觀測與同步觀測的跟蹤誤差差距越大，但隨著觀測次數的增加，這種差距會逐漸減小，誤差曲線逐漸趨于同步觀測誤差曲線。由于星間協同觀測的同步性需要星地一體化軟硬件的高精度配合，故須權衡采樣間隔影響和同步實現難易程度，確定星間的同步觀測要求。本專利技術利用觀測方程推導幾何定位誤差傳遞矩陣，根據誤差傳遞矩陣對觀測幾何進行優化。再通過Fisher信息陣計算時序狀態估計的誤差Cramer-Rao下限(CRLB)，并與估計算法的Monte-Carlo打靶結果進行比較，驗證CRLB的有效性。然后利用CRLB分析觀測次數增加時目標跟蹤誤差的衰減趨勢規律、采樣周期變化時目標跟蹤誤差的衰減量級規律、采樣間隔增加時異步觀測相對同步觀測的跟蹤誤差相對變化，最后綜合考慮觀測成本，確定最優的觀測系統設計。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測向定位觀測系統優化設計原理圖；圖2為EKF估計誤差打靶結果與CRLB對比圖；圖3為觀測次數影響下的跟蹤誤差衰減趨勢規律；圖4為采樣周期影響下的跟蹤誤差衰減量級規律；圖5為采樣間隔影響下的異步觀測跟蹤誤差規律。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本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種多星協同測向定位觀測系統優化設計與評估方法，其特征在于，包括：根據多星協同測向定位任務需求，明確多星觀測系統優化項目，包括觀測幾何、觀測次數、采樣周期、觀測同步性；建立衛星對目標的觀測方程，利用全微分和統計原理推導測量誤差到定位誤差的傳遞矩陣，并利用誤差傳遞矩陣對觀測幾何進行優化，得到多星協同觀測的最優幾何配置；在最優幾何配置的基礎上，建立測量集對當前狀態量的雅可比矩陣，形成總觀測矩陣，并結合測量噪聲的協方差矩陣，形成全部量測對當前狀態的Fisher信息陣，再通過Fisher信息陣計算當前狀態估計的誤差Cramer?Rao下限CRLB，其表征了當前觀測條件下目標定位所能達到的理論最優精度；在相同的采樣周期和同步觀測條件下，利用CRLB分析觀測次數增加時目標跟蹤誤差的衰減趨勢規律，找到跟蹤誤差趨于穩定時需要的觀測次數閾值；在相同的觀測次數和同步觀測條件下，利用CRLB分析采樣周期變化時目標跟蹤誤差的衰減量級規律，預測觀測一定時間后跟蹤誤差的大小，結合探測器性能確定最優的采樣周期；在相同的采樣周期和異步觀測條件下，利用CRLB分析采樣間隔增加時異步觀測相對同步觀測的跟蹤誤差相對變化，權衡定位精度和同步實現難易程度，確定星間的同步觀測要求；根據以上量化規律，結合具體任務需求和觀測成本，設計出符合當前任務的觀測系統最優參數。...

【技術特征摘要】
1.一種多星協同測向定位觀測系統優化設計與評估方法，其特征在于，包括：根據多星協同測向定位任務需求，明確多星觀測系統優化項目，包括觀測幾何、觀測次數、采樣周期、觀測同步性；建立衛星對目標的觀測方程，利用全微分和統計原理推導測量誤差到定位誤差的傳遞矩陣，并利用誤差傳遞矩陣對觀測幾何進行優化，得到多星協同觀測的最優幾何配置；在最優幾何配置的基礎上，建立測量集對當前狀態量的雅可比矩陣，形成總觀測矩陣，并結合測量噪聲的協方差矩陣，形成全部量測對當前狀態的Fisher信息陣，再通過Fisher信息陣計算當前狀態估計的誤差Cramer-Rao下限CRLB，其表征了當前觀測條件下目標定位所能達到的理論最優精度；在相同的采樣周期和同步觀測條件下，利用CRLB分析觀測次數增加時目標跟蹤誤差的衰減趨勢規律，找到跟蹤誤差趨于穩定時需要的觀測次數閾值；在相同的觀測次數和同步觀測條件下，利用CRLB分析采樣周期變化時目標跟蹤誤差的衰減量級規律，預測觀測一定時間后跟蹤誤差的大小，結合探測器性能確定最優的采樣周期；在相同的采樣周期和異步觀測條件下，利用CRLB分析采樣間隔增加時異步觀測相對同步觀測的跟蹤誤差相對變化，權衡定位精度和同步實現難易程度，確定星間的同步觀測要求；根據以上量化規律，結合具體任務需求和觀測成本，設計出符合當前任務的觀測系統最優參數。2.根據權利要求1所述的多星協同測向定位觀測系統優化設計與評估方法，其特征在于，觀測幾何包括星目幾何與星目距離，其中，星目幾何指星目單位矢量在空間的構型關系，如果是雙星觀測則僅有雙星關于目標夾角這一層含義，若是多星觀測則包含了星目在單位球面體中的多面體構型關系。3.根據權利要求1所述的多星協同測向定位觀測系統優化設計與評估方法，其特征在于，推導測量誤差到定位誤差的傳遞矩陣的方法是，首先建立量測方程hm＝hm(r,sm)其中hm為量測合成列向量，r為目標位置向量，sm為多星軌道位置合成列向量，根據全微分和統計原理可得dhm＝H·dr+G·dsmdr＝(HTH)-1HT·dhm-(HTH)-1HTG·dsm其中和分別視線測量誤差方差和衛星定軌誤差方差，Dh、Ds分別為視線誤差和定軌誤差的誤差傳遞矩陣，具體為Dh、Ds完全由觀測幾何決定，通過優化tr(Dh)和tr(Ds)得出最優幾何配置。4.根據權利要求1所述的多星協同測向定位觀測系統優化設計與評估方法，其特征在于，全部量測對當前狀態的Fisher...

【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