[发明专利]一种使用深空三向测量距离和数据的实时滤波定位方法

说明书

本发明公开了一种使用深空三向测量距离和数据的实时滤波定位方法，简化了数据预处理过程；原理简单，可操作性强，易推广和使用，通过采用适于非线性系统的免导数UKF滤波算法，省去了计算雅克比矩阵带来的复杂数学推导过程，且外推模型可使用基于动力学的建模方法，也可使用非动力学的统计建模方法，具有较广泛的适用性；在滤波过程中可实时估计测量误差，提高了计算结果的可靠性和稳定性，为其推广提供了条件；本发明的实时滤波定位方法，适用于双向测量及单程测量外测数据定位计算，对单程测量外测数据，只需要在步骤一的外测数据规整过程中，将单程测距*2变为双程测距，发端站与收端站信息给定为相同站即可使用该方法。

技术领域

本发明属于航天导航方法技术领域，具体涉及一种使用深空三向 测量距离和数据的实时滤波定位方法。

背景技术

在深空探测器定位数据源中，除了常用的甚长基线干涉测量 (VLBI)数据外，基于扩频及USB等统一测控设备的外测测量也是 一类重要的观测数据。但由于深空探测任务电磁波传播时延较长，以 及地球自转等因素影响，测站有时无法接收到对应的发射信号，使得 传统的双向测距体制应用受限，这时就需要通过不同站的收发进行外 测距离及距离变化率测量。另外，深空目标的USB外测测角数据精 度较差，在定位计算中较少使用，此时就需要通过三个测站的测距观 测来几何确定探测器位置，此种情况一般采用主站发射上行信号，经 应答机相干转发后，两个副站及主站同时接收下行信号的方式进行距 离测量(如图1所示)。在深空任务中，将这种通过一个站发送上行， 另一个站(或多个站)接收下行信号进行距离测量的体制称作三向测 量，而将一个站自发自收测量的情况称作双向测量。

三向测量数据的测量元素包括三向测距(距离和)及三向测速(距 离和变化率)，是深空探测任务的一类重要的观测数据。

在深空探测任务中，三向测量数据是进行实时定位计算的重要数 据源之一。

传统的利用三向测量数据定位计算方法有以下几类：1)几何方 法，先将三向测量数据解算为各站的单程测距、测距变化率，然后利 用三站数据进行几何定位计算；2)滤波方法，也是先将三向测量数 据解算为各站的单程测距、测距变化率，然后使用单程测量数据进行 滤波计算(类似地球附近航天器的外测观测数据的使用)。

这些方法存在的不足主要是：1)首先需要进行单程测距、单程 测距变化率的解算，而不能直接将原始测量数据作为观测值；2)单 程测量量的解算需要较复杂的数据预处理计算，且可能带来一定的精 度损失；3)几何方法需要同时将三站数据插值到同一时间点，且其 计算结果受测量数据的质量影响显著，计算结果曲线光滑性有时较差。

无味卡尔曼滤波(UKF)是一种使用采样策略近似函数非线性分 布的递归贝叶斯估计算法，它以采样变换(UT变换)为基础。滤波 性能与卡尔曼滤波相当，但对于非线性系统，该方法的滤波性能明显 好于EKF。其最大特点是不需要直接对函数进行线性化处理，因而具 有实现过程简单、避免了繁琐的雅可比矩阵求导计算等优点，成为了 实时轨道及定位计算中使用较多的一种方法。

采用适用于非线性动力学过程的免导数无味卡尔曼滤波框架，且 直接以距离和、距离和变化率为观测量进行深空探测器实时定位计算， 其优点是：1)避免了复杂的单程测量量解算的预处理过程，使数据 预处理软件简单可靠；2)减少了数据预处理可能带来的精度损失；3) 借助了UKF滤波算法在非线性状态求解中的优越性，当模型噪声和 测量噪声矩阵取值合适时，采样变换能保证收敛。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用深空三向测量距离和数据的实 时滤波定位方法，不再需要预先解算单程测距、单程测距变化率，能 够简化数据预处理过程。

本发明采用的技术方案为，一种使用深空三向测量距离和数据的 实时滤波定位方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、外测数据的规整及完善，包括测量数据信息及各个测量 信息的有效性标志、收端站站址坐标、发端站站址坐标；