一種基于半長軸濾波值連續(xù)性的航天器軌道機(jī)動檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航空航天技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于半長軸濾波值連續(xù)性的航天器 軌道機(jī)動檢測方法。 技術(shù)背景
[0002] 隨著空間態(tài)勢感知、攻防對抗和深空探測等領(lǐng)域任務(wù)的拓展，新型航天器的高機(jī) 動、大范圍運(yùn)動特點(diǎn)使得對其進(jìn)行實(shí)時高精度跟蹤面臨著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，尤其在空間攻 防對抗等非合作目標(biāo)跟蹤中，未知的軌道機(jī)動極大的限制了航天器實(shí)時跟蹤的精度，迫切 需要有效的軌道機(jī)動檢測和辨識技術(shù)。
[0003] 非線性濾波是航天器實(shí)時軌道確定的主要方法，航天器軌道機(jī)動可W看作是其運(yùn) 動狀態(tài)的突變，表現(xiàn)為一種系統(tǒng)性的偏差。因此軌道機(jī)動檢測就是在濾波過程中或?yàn)V波 后，引入必要的方法來檢測或辨識軌道是否產(chǎn)生了偏離。其檢測過程可W參考一般性的運(yùn) 動目標(biāo)機(jī)動檢測方法，又有其特殊性。航天器常見機(jī)動模式有脈沖機(jī)動、連續(xù)推力機(jī)動和 bangbang機(jī)動，其中bangbang機(jī)動可W看作脈沖機(jī)動與連續(xù)推力機(jī)動的隨機(jī)組合，而且目 前應(yīng)用相對較少，因此研究的熱點(diǎn)主要集中于前兩種機(jī)動的檢測。檢測算法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是 檢測統(tǒng)計(jì)量的構(gòu)造，通常有兩類方法，一是從測量信息或其某種特征的變化規(guī)律判斷，二是 基于濾波信息或輸入估計(jì)的假設(shè)檢驗(yàn)問題。后者利用了目標(biāo)運(yùn)動先驗(yàn)信息，且可W實(shí)現(xiàn)測 量數(shù)據(jù)的融合，應(yīng)用較廣，但算法的檢測和跟蹤精度均依賴于模型的選擇。鑒于航天器的空 間軌道運(yùn)動特征，有動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)兩類模型可W利用。前者的約束力較強(qiáng)，常用于高精度 的跟蹤濾波器設(shè)計(jì)，且基于該濾波器信息設(shè)計(jì)的檢測算法對微小機(jī)動檢測能力較強(qiáng)，但由 于對檢測參數(shù)的依賴性也較大，檢測滯后和虛警之間存在矛盾；后者對測量信息變化敏感， 由于軌道機(jī)動會引起測量數(shù)據(jù)某些特征的變化（測量數(shù)據(jù)是軌道在測量空間的投影），因 此更利于航天器機(jī)動的檢測，但其濾波結(jié)果的隨機(jī)誤差較大，不利于微小機(jī)動的檢測與辨 識。
[0004] 常用機(jī)動檢測和估計(jì)方法如等效噪聲、輸入檢測與估計(jì)、模型轉(zhuǎn)換等，但對于實(shí)時 性和穩(wěn)定性要求較高的實(shí)時軌道確定問題，上述方法對系統(tǒng)改造較大，檢測過程所需數(shù)據(jù) 積累和計(jì)算量相對較多，且適用性因?qū)嶋H系統(tǒng)狀態(tài)噪聲的不同而產(chǎn)生較大差異。此外，現(xiàn)有 系統(tǒng)多W航天器位置與速度為濾波狀態(tài)，因此機(jī)動檢測手段也經(jīng)常直接針對位置與速度進(jìn) 行，受測量異常值，特別是成片野值的影響較大，可靠性難W保證。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種基于軌道半長軸連續(xù)性變化監(jiān)測的軌道機(jī) 動檢測方法，實(shí)現(xiàn)對軌道機(jī)動的快速準(zhǔn)確檢測與辨識。
[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0007] -種基于半長軸濾波值連續(xù)性的航天器軌道機(jī)動檢測方法包括：
[0008] 步驟S1、基于運(yùn)動學(xué)模型的軌道半長軸估計(jì)
[0009] 在每個采樣時刻，航天器跟蹤系統(tǒng)利用對軌道運(yùn)動學(xué)模型進(jìn)行濾波，實(shí)時解算航 天器位置與速度，進(jìn)而獲得該時刻的半長軸估計(jì)值；
[0010] 步驟S2、基于軌道半長軸連續(xù)性的脈沖機(jī)動檢測
[0011] 利用窗口累積的軌道半長軸估值進(jìn)行航天器脈沖機(jī)動檢測，具體W下步驟：
[0012] 步驟S2.1、利用差分檢測的方法實(shí)現(xiàn)窗口半長軸估值數(shù)據(jù)的累積，并計(jì)算半長軸 的統(tǒng)計(jì)特征；
[0013] 步驟S2. 2、采用逐點(diǎn)滑動的方式更新窗口數(shù)據(jù)，并通過檢測新采樣時刻的半長軸 數(shù)據(jù)是否符合半長軸的統(tǒng)計(jì)特征征，進(jìn)行脈沖機(jī)動檢測；
[0014] 步驟S2. 3、若未發(fā)生機(jī)動，則利用新窗口數(shù)據(jù)計(jì)算半長軸的統(tǒng)計(jì)特征。
[0015] 步驟S3、基于軌道半長軸變化率的連續(xù)推力機(jī)動檢測
[0016] 在脈沖機(jī)動檢測基礎(chǔ)上，利用窗口累積的軌道半長軸變化率估值進(jìn)行航天器連續(xù) 推力機(jī)動檢測，具體包括W下步驟：
[0017] 步驟S3. 1、若未發(fā)生脈沖機(jī)動，則利用差分檢測的方法實(shí)現(xiàn)窗口半長軸估值數(shù)據(jù) 的累積，并計(jì)算半長軸變化率的統(tǒng)計(jì)特征；
[0018] 步驟S3. 2、采用逐點(diǎn)滑動的方式更新窗口數(shù)據(jù)，將窗口按時間分成前后兩段，分別 計(jì)算半長軸變化率，并通過檢測兩個變化率的差異是否符合半長軸變化率的統(tǒng)計(jì)特征，進(jìn) 行連續(xù)推力機(jī)動檢測；
[0019] 步驟S3. 3、若未發(fā)生機(jī)動，則利用新窗口數(shù)據(jù)計(jì)算半長軸變化率的統(tǒng)計(jì)特征。
[0020] 本發(fā)明提出利用軌道半長軸濾波值連續(xù)性的機(jī)動檢測方法，具有實(shí)現(xiàn)簡單，檢測 精度高、速度快和穩(wěn)健性強(qiáng)特點(diǎn)，具體優(yōu)點(diǎn)如下：
[0021] 1、僅需在跟蹤濾波器中引入簡單的半長軸統(tǒng)計(jì)特征計(jì)算和連續(xù)性變化檢測環(huán)節(jié)， 即可分別實(shí)現(xiàn)脈沖機(jī)動和連續(xù)推力機(jī)動的檢測，對現(xiàn)有跟蹤系統(tǒng)的改造較小，方法實(shí)現(xiàn)方 便且適應(yīng)性較強(qiáng)；
[0022] 2、采用逐點(diǎn)滑動窗口方式，不存在累積數(shù)據(jù)自身引入的解算滯后，且僅使用了簡 單的多點(diǎn)差分算法，W及半長軸與半長軸變化率的統(tǒng)計(jì)特征計(jì)算，檢測過程所需計(jì)算量很 小，保證了機(jī)動檢測的速度；
[0023] 3、檢測過程基于窗口內(nèi)的軌道半長軸估值進(jìn)行，充分利用了多個時刻的測量數(shù) 據(jù)，可W降低測量異常的影響，提高檢測精度的同時，保障機(jī)動檢測的可靠性；
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明的算法流程示意圖；
[0025] 圖2是實(shí)施算例中航天器軌道的脈沖機(jī)動檢測示意圖；
[0026] 圖3是實(shí)施算例中航天器軌道的連續(xù)推力機(jī)動檢測示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 如圖1所示，本發(fā)明公開一種基于半長軸濾波值連續(xù)性的航天器軌道機(jī)動檢測方 法，包括W下步驟：
[0028] 步驟S1、基于運(yùn)動學(xué)模型的航天器軌道半長軸估計(jì)
[0029] 在每個采樣時刻tk，航天器跟蹤系統(tǒng)利用對軌道運(yùn)動學(xué)模型進(jìn)行濾波，實(shí)時解算 航天器位置與速度，進(jìn)而獲得該時刻的半長軸估計(jì)值3k。
[0030] 從計(jì)算效率和精度出發(fā)，所述運(yùn)動學(xué)模型為當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型（化rrent Statistic Model, CS)。記tk時刻航天器慣性系位置為X k= (X k，yk，Zk)T，Xk，yk，Zk分別為在慣性系X， y，z軸的分量。當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型認(rèn)為機(jī)動加速度在各個方向是解禪的，并且在時間軸上是一 階時間相關(guān)的隨機(jī)過程。記式=托為為f，[於，欠，托f，是=[為，與，與f，則狀態(tài)轉(zhuǎn) 移方程
[0031]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于半長軸濾波值連續(xù)性的航天器軌道機(jī)動檢測方法，其特征在于，包括： 步驟S1、基于運(yùn)動學(xué)模型的軌道半長軸估計(jì) 在每個采樣時刻，航天器跟蹤系統(tǒng)利用對軌道運(yùn)動學(xué)模型進(jìn)行濾波，實(shí)時解算航天器 位置與速度，進(jìn)而獲得該時刻的半長軸估計(jì)值； 步驟S2、基于軌道半長軸連續(xù)性的脈沖機(jī)動檢測 利用窗口累積的軌道半長軸估值進(jìn)行航天器脈沖機(jī)動檢測，具體W下步驟： 步驟S2. 1、利用差分檢測的方法實(shí)現(xiàn)窗口半長軸估值數(shù)據(jù)的累積，并計(jì)算半長軸的統(tǒng) 計(jì)特征； 步驟S2. 2、采用逐點(diǎn)滑動的方式更新窗口數(shù)據(jù)，并通過檢測新采樣時刻的半長軸數(shù)據(jù) 是否符合半長軸的統(tǒng)計(jì)特征，進(jìn)行脈沖機(jī)動檢測； 步驟S2. 3、若未發(fā)生機(jī)動，則利用新窗口數(shù)據(jù)計(jì)算半長軸的統(tǒng)計(jì)特征。 步驟S3、基于軌道半長軸變化率的連續(xù)推力機(jī)動檢測 在脈沖機(jī)動檢測基礎(chǔ)上，利用窗口累積的軌道半長軸變化率估值進(jìn)行航天器連續(xù)推力 機(jī)動檢測，具體包括W下步驟： 步驟S3. 1、若未發(fā)生脈沖機(jī)動，貝時Ij用差分檢測的方法實(shí)現(xiàn)窗口半長軸估值數(shù)據(jù)的累 積，并計(jì)算半長軸變化率的統(tǒng)計(jì)特征； 步驟S3. 2、采用逐點(diǎn)滑動的方式更新窗口數(shù)據(jù)，將窗口按時間分成前后兩段，分別計(jì)算 半長軸變化率，并通過檢測兩個變化率的差異是否符合半長軸變化率的統(tǒng)計(jì)特征，進(jìn)行連 續(xù)推力機(jī)動檢測； 步驟S3. 3、若未發(fā)生機(jī)動，則利用新窗口數(shù)據(jù)計(jì)算半長軸變化率的統(tǒng)計(jì)特征。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于半長軸濾波值連續(xù)性的航天器軌道機(jī)動檢測方法，其 特征在于，步驟S1中，設(shè)tk時刻航天器慣性系位置為X k= (X k，yk，Zk) T，其中，Xk，yk，Zk分別 為在慣性系X，y，z軸的分量，設(shè)tk時刻航天器慣性系速度乂* = (i：*，知，，其中，為分別 為航天器tk時刻X方向的速度，欠分別為航天器tk時刻y方向的速度，4分別為航天器k 時刻Z方向的速度；半長軸估計(jì)值ak計(jì)算公式如下：
其中，y為地球引力常數(shù)，y = 398600. 4418e9。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于半長軸濾波值連續(xù)性的航天器軌道機(jī)動檢測方法，包括：基于運(yùn)動學(xué)模型的軌道半長軸估計(jì)；基于軌道半長軸連續(xù)性的脈沖機(jī)動檢測；基于軌道半長軸變化率的連續(xù)推力機(jī)動檢測。采用本發(fā)明的技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)對軌道機(jī)動的快速準(zhǔn)確檢測與辨識，提高航天器軌道估計(jì)精度和可靠性。
【IPC分類】G01C21-24
【公開號】CN104596520
【申請?zhí)枴緾N201510027623
【發(fā)明人】劉也, 唐歌實(shí), 華瑩, 曹建峰, 劉磊, 鄭愛武, 劉景勇, 李翠蘭
【申請人】中國人民解放軍63920部隊(duì)
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月20日