一种基于观测约束流形的系统误差统一建模与校正方法

技术领域

本发明属于航天器自主导航技术领域，尤其涉及一种基于观测约束流形的系统误差统一建模与校正方法。

背景技术

航天器自主导航技术在不依赖地面系统支持的情况下，仅利用自身携带的导航敏感器和导航计算机在轨实时确定自身的位置、速度及其他导航参数。实现航天器自主导航，将极大减轻地面测控负担，降低人为误操作风险，且有利于提高航天器自主生存能力。根据采用的敏感器的不同，自主导航技术可以分为惯性自主导航、光学自主导航、脉冲星自主导航等。其中光学自主导航是航天器自主导航中应用最为广泛的技术之一，其携带的光学导航敏感器(光学相机、星敏等)结构简单、信息丰富，适应范围广。

系统误差是制约光学自主导航精度的主要因素之一，其主要包括内部误差(如镜头畸变、像面平移和焦距变化等)和外部误差。一般会在发射前会对这些系统误差进行严格的地面离线标定并在导航算法中进行补偿。由于发射过程中的强烈震动以及长期受光压、温度等复杂空间环境影响以及航天器飞行过程中的动态变化，可能会导致光学导航系统的系统误差发生变化，偏离和地面离线标定的数值，进而严重制约了光学自主导航精度，因此必须在器上对这些系统误差进行实时校正和补偿。传统的方式是将这些系统误差和导航状态作为待估计的状态利用滤波算法进行估计。这种方法存在着如下的局限性：系统误差维数高，滤波计算量大，器上严重受限的计算资源严重制约了滤波的性能和实施；对于不同的任务阶段或者导航模式，需要校正的系统误差数目也不固定，这给滤波器的设计也带来了一定的挑战。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于观测约束流形的系统误差统一建模与校正方法，基于观测约束流形将所有的系统误差全部映射成一个虚拟的旋转误差角，基于可观性分析实现了虚拟安装误差角的标定和补偿。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于观测约束流形的系统误差统一建模与校正方法，包括：

步骤1，确定没有系统误差时观测到的理想视线向量

其中，bs表示三维的零偏向量，

步骤2，将公式(1)写作：

其中，

步骤3，利用如下马尔可夫模型对α的变化率ω进行近似：

其中，

步骤4，定义虚拟旋转误差角α：

步骤5，令待估计的状态量为x(t)，则系统误差的统一模型表示如下：

其中，F表示中间变量，w(t)表示状态噪声；

步骤6，利用公式(4)进行状态预报，由t

其中，

步骤7，公式(2)为滤波对应的观测方程，将滤波增益矩阵K

其中，H

步骤8，进行滤波的状态更新：

其中，

步骤9，进行滤波的方差更新：

其中，

步骤10，随着时间的递推，重复步骤6～9，完成系统误差的估计。

在上述基于观测约束流形的系统误差统一建模与校正方法中，

在上述基于观测约束流形的系统误差统一建模与校正方法中，其特征在于，

在上述基于观测约束流形的系统误差统一建模与校正方法中，

在上述基于观测约束流形的系统误差统一建模与校正方法中，

在上述基于观测约束流形的系统误差统一建模与校正方法中，

在上述基于观测约束流形的系统误差统一建模与校正方法中，

在上述基于观测约束流形的系统误差统一建模与校正方法中，

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种基于观测约束流形的系统误差统一建模与校正方法，直接对虚拟的旋转误差角进行估计，维数固定，不用关注实际的系统误差维数，大大简化了滤波器的设计流程，且能够适用于不同的场景。

(2)本发明公开了一种基于观测约束流形的系统误差统一建模与校正方法，给出了虚拟的旋转误差角的动力学方程以及滤波估计方法，可实现系统误差的精确校正。

(3)本发明公开了一种基于观测约束流形的系统误差统一建模与校正方法，可在计算资源受限的航天器上自主实现，能够为实现航天器高精度自主导航提供技术支撑。

附图说明

图1是本发明实施例中一种观测流形等效旋转示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

在本实施例中，公开了一种基于观测约束流形的系统误差统一建模与校正方法，包括：

步骤1，确定没有系统误差时观测到的理想视线向量

在本实施例中，如图1所示，

其中，b

对于小安装误差，有：

其中，I

步骤2，由于

在本实施例中，

进一步的，姿态旋转矩阵

步骤3，记

在本实施例中，

步骤4，由步骤2可知，虚拟旋转误差角α不唯一，通过构建可观测性矩阵可知，在对虚拟旋转误差角α任意取值的情况下导致系统状态不可观，故定义虚拟旋转误差角α：

步骤5，令待估计的状态量为

在本实施例中，F表示中间变量，

步骤6，利用公式(4)进行状态预报，由t

在本实施例中，

步骤7，公式(2)为滤波对应的观测方程，因此滤波增益矩阵K

在本实施例中，H

步骤8，进行滤波的状态更新：

在本实施例中，

步骤9，进行滤波的方差更新：

在本实施例中，

步骤10，随着时间的递推，重复步骤6～9，完成系统误差的估计。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。