[发明专利]基于GNSS的紫外敏感器系统误差在轨标定方法

摘要

本发明提供了一种基于GNSS的紫外敏感器系统误差在轨标定方法，在GNSS可用时利用最小二乘法处理紫外敏感器测量量与GNSS高精度定位结果，可较为准确地得到导航系统的系统误差估计值，用于在GNSS不可用时对导航信息进行补偿，以提高导航精度，操作简单、适用范围广，紫外敏感器的系统误差模型改变后也能依据本发明的方法类推出紫外敏感器的系统误差，可扩展性强。本发明在系统误差估计过程中，没有对状态量进行扩展，在滤波估计中，状态维数不再进行增加，维数的减少有利于增强滤波器的稳定性和加快滤波收敛速度，故本发明给出的系统误差估计方法能够较快地给出高精度的系统误差估计结果。

主权项

1.一种基于GNSS的紫外敏感器系统误差在轨标定方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在GNSS可用时，使高轨卫星上的星载接收机对GNSS卫星进行观测，建立GNSS伪距观测方程；使高轨卫星上的紫外线敏感器对地球进行观测，建立紫外敏感器观测方程；2)利用步骤1得到的GNSS测量信息得到高轨卫星位置信息，通过非线性滤波算法处理高轨卫星位置信息，得到GNSS伪距测量信息下的高精度导航结果；3)通过最小二乘法处理步骤1得到的紫外敏感器观测量与步骤2得到的高精度导航结果，得到紫外敏感器的误差估计值；4)以步骤3得到的紫外敏感器的误差估计值为标定值，在GNSS不可用时对高轨卫星的导航信息进行补偿，从而提高导航精度；步骤1中，紫外敏感器的观测方程如式1所示：其中，Δx、Δy分别为紫外光学敏感轴在像平面内由于像点提取误差、主点偏差、焦距偏差、成像平面的倾斜与旋转，以及镜头畸变误差因素的影响造成的x轴和y轴的像素偏差；f为紫外敏感器的焦距；为紫外敏感器测量的地心惯性系下的高轨卫星质心位置矢量；为测量系到惯性系的转换矩阵，为紫外敏感器的测量量，ε_r为观测随机噪声；步骤1中，GNSS伪距观测方程如式2所示：其中，下标j表示GNSS卫星编号，ρ_j为伪距测量值，即高轨卫星与GNSS卫星之间的距离，也是GNSS的测量量，为GNSS卫星在信号发射时刻的地心惯性位置矢量，r^I为高轨卫星在信号接收时刻的地心惯性位置矢量，c为导航信号传播速度，δt_j为GNSS卫星钟差，δt_r为高轨卫星上的接收机钟差，δρ_j,ion为电离层时延误差；为高轨卫星上的接收机伪距测量噪声；步骤2中，采用扩展卡尔曼滤波对GNSS测量信息进行处理，具体步骤为：2.1)建立式3的非线性离散系统：其中，x_k+1为高轨卫星在k+1时刻的状态量，z_k+1为高轨卫星在k+1时刻的测量量，其包括紫外测量量和GNSS测量量，h(x_k+1)为观测方程，其包括式1与式2所表示的观测方程，f(x_k)为高轨卫星的轨道动力学方程，w_k、v_k+1均为高斯白噪声，且互不相关，其统计特性如式4：其中，Q_k为对称非负定矩阵，R_k为对称正定矩阵，初始状态x₀独立于w_k、v_k，其均值和协方差如式5：2.2)初始化状态量和方差阵P₀如式6‑1与式6‑2：2.3)将状态方程和测量方程分别围绕k+1时刻的滤波值展开成泰勒级数，并在附近线性化，可得式7与式8：其中，T为滤波更新周期，为z_k+1在附近进行一阶泰勒展开得到的线性化观测矩阵，为状态一步预测，即k时刻的状态x_k只经过如式7的状态更新得到的k+1时刻的状态2.4)时间更新，具体如式9‑1、式9‑2与式10：x_k+1,k＝Φ_k+1x_k/k  (式9‑1)；其中，I为单位矩阵，Φ_k+1为由式10得到的状态转移矩阵，为状态转移矩阵Φ_k+1的转置，为过程噪声协方差阵，f(x)为高轨卫星的轨道动力学方程；2.5)测量更新，具体如式11～式14：状态量更新如式11：x_k+1＝x_k+1,k+K_k+1(z_k+1‑h(x_k+1,k))(式11)；其中，K_k+1为滤波增益，h(x_k+1,k)为由一步预测状态经观测方程得到的预测观测量；滤波增益如式12：其中，H_k+1为观测矩阵，为观测矩阵H_k+1的转置，P_k+1,k为预测方差阵，R_v,k+1为测量噪声协方差阵；协方差阵更新如式13：P_k+1＝(I‑K_k+1H_k+1)P_k+1,k(式13)；其中，h(x)为由式1与式2所示的观测方程；2.6)利用式11和式13获得的状态量和方差阵返回扩展卡尔曼滤波器，用于下一时刻，经过一定的循环迭代次数，最终得到GNSS伪距测量信息下的高精度导航结果