[发明专利]基于天地基协同滤波非合作航天器轨道实时确定方法

说明书

一种基于天地基协同滤波的非合作航天器轨道实时确定方法，首先建立天地联合的实时定轨系统处理架构，并建立信息处理流程；其次，根据测量与滤波原理，构造地基观测与天基观测的状态方程和滤波方程，在此基础上分别建立天基实时定轨和地基实时定轨滤波器，分别进行目标轨迹解算；最后，基于动态分配信息因子算法设计滤波结果融合策略，输出最终定轨结果。该方法能够有效实现天地基测量数据的联合利用，一方面，在天地基联合观测情况下，可以改善目标观测几何，提高目标实时轨道确定精度；另一方面，在天基或地基单一平台故障或被干扰情况下，滤波器能够自动识别故障，并自适应调整参数实现对目标的连续最优滤波定轨。

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，尤其是涉及一种基于天地基协同滤波的非合作航天器相对轨道实时确定方法。

背景技术

随着技术发展和空间应用的日益深入，空间碎片对在轨航天器的威胁不断加剧，特定环境下潜在对抗逐渐加强，急需可靠高精度测量技术的创新应用，提高对空间碎片等非合作航天器的跟踪能力。具体体现在，一方面提高目标跟踪的效率与精度，一方面也要提高测量系统自身的维护能力。目前对非合作航天器的跟踪，主要靠地基光学和雷达两大类系统。前者主要是获得高精度角度测量数据，通过多个设备或长时间观测获得目标位置或轨道信息，但该类测量系统对天气条件依赖较大。后者采用无线电测量手段实现全天时全天候测量，该类设备能够提供测距、测角和测速信息，实现单设备解算，但常规的雷达角度测量精度有限，限制了跟踪精度。此外，现有的空间目标测量设备通常系统庞大，在未来高强度应用或激烈对抗条件下抗干扰和持续工作的能力较弱，时效性不高、信息利用率低。

天基非合作航天器轨道测量与确定技术成为弥补地基测量不足的有效手段。具备星上测量载荷的航天器利用天基测量手段可实现可见时段内对非合作航天器的实时连续测量，若具备星上定轨计算功能，也具备星上实时定轨功能。在一定程度上弥补地基可视条件限制，缓解地基设备测量资源紧缺状况，更好支撑高对抗条件下的作战区域态势感知。但目前天基平台主要依托对非合作航天器成像，提取像元换算角度信息完成测量信息获取，定轨精度相对较差，且因观测几何条件限制，其初轨确定能力也有待提高。此外，由于星上计算能力有限，其实时滤波解算过程中难以处理大数据量、高精度动力学模型和复杂非线性滤波计算问题，因此，急需提出一种能融合地基与天基定轨优势，弥补二者劣势的融合算法，支撑对非合作航天器的高精度实时轨道解算。

此外，现有技术，如中国专利申请：申请号：CN2013103145506，公开号：CN103438888A，公开一种对空间非合作目标自主交会的相对导航方法，以航天器相对轨道运动方程为导航状态方程，以星载CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）相机测量的相对视线角信息和GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）接收机输出的绝对定位信息以及几何约束构造的相对距离ρ信息作为量测量，采用UKF（Unscented kalman filter，无味卡尔曼滤波器）滤波算法精确估计出服务星与非合作目标之间的相对位置和相对速度。申请号：CN2015102889151，公开号：CN104977594A，公开一种基于非合作导航卫星信号的无码多普勒定轨方法，其特征在于，包括以下步骤：对接收到的导航卫星信号经数字下变频后，采样得到数字中频信号，消除数字中频信号的保密调制码，根据消码后的信号计算得到载波频率的估计值；将步骤(1)得到的载波频率的估计值作为载波跟踪环跟踪的初始频率，产生载波跟踪环的本振信号，将步骤(1)中消码后的信号作为载波跟踪环的输入信号，恢复出载波信号，并测量提取出各个导航卫星信号的多普勒频移；计算各个导航卫星信号的先验值，结合步骤(2)得到的多普勒频移的实测值，建立含有接收机频差的多普勒频移实测值和先验值的识别匹配算法，完成导航星的识别与匹配；利用统计定轨算法实现轨道测量，利用轨道动力学方程建立状态方程，利用载波相位测量值建立相位差测量方程，再利用卡尔曼滤波器估计用户卫星的轨道参数。