留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

多星对合作目标的分布式协同导航滤波算法

李兆铭 杨文革 丁丹 廖育荣

李兆铭, 杨文革, 丁丹, 等 . 多星对合作目标的分布式协同导航滤波算法[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(3): 462-469. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0150
引用本文: 李兆铭, 杨文革, 丁丹, 等 . 多星对合作目标的分布式协同导航滤波算法[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(3): 462-469. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0150
LI Zhaoming, YANG Wenge, DING Dan, et al. Distributed coordinated navigation filtering algorithm for cooperative target by multi-satellite[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(3): 462-469. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0150(in Chinese)
Citation: LI Zhaoming, YANG Wenge, DING Dan, et al. Distributed coordinated navigation filtering algorithm for cooperative target by multi-satellite[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(3): 462-469. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0150(in Chinese)

多星对合作目标的分布式协同导航滤波算法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0150
基金项目: 

国家“863”计划 2015AA7026085

详细信息
    作者简介:

    李兆铭  男, 博士研究生。主要研究方向:航天测控最优状态估计

    杨文革  男,博士,教授,博士生导师。主要研究方向:先进数字信号处理技术

    丁丹  男,博士,讲师。主要研究方向:先进数字信号处理技术

    廖育荣  男,硕士,教授。主要研究方向:军事航天技术

    通讯作者:

    杨文革. E-mail: wengeyang_3@163.com

  • 中图分类号: V249.3

Distributed coordinated navigation filtering algorithm for cooperative target by multi-satellite

Funds: 

National High-tech Research and Development Program of China 2015AA7026085

More Information
  • 摘要:

    针对多颗在轨卫星对空间合作目标的协同导航问题,提出了一种适用于协同导航的分布式球面单形-径向容积求积分卡尔曼滤波(DSSRCQKF)算法。为了计算非线性滤波中的高斯加权积分,分别使用球面单形准则和二阶高斯-拉盖尔求积分准则计算球面积分和径向积分,提出了一种新的球面单形-径向容积求积分准则。将该准则嵌入分布式卡尔曼滤波框架中,结合协同导航的非线性数学模型,给出适用于协同导航的DSSRCQKF算法,该算法要求每颗导航星仅与其邻居星进行通信,通过数据的分布式融合实现对目标星轨道状态的一致估计,从而避免了传统集中式处理中较高的通信和计算压力。仿真实验结果表明,与分布式卡尔曼滤波相比,本文算法将对合作目标的实时定位精度提高了11 m,定速精度提高了0.02 m/s,从而验证了本文算法的有效性。

     

  • 图 1  分布式协同导航示意图

    Figure 1.  Schematic of distributed coordinated navigation

    图 2  卫星地面实验模拟器

    Figure 2.  Satellite simulator for ground experiment

    图 3  4颗导航星间的通信拓扑结构

    Figure 3.  Communication topology structure among four navigation satellites

    图 4  导航星1对目标星的实时定轨RMSE

    Figure 4.  Real-time orbit determination RMSE of navigation Satellite 1 to target satellite

    图 5  导航星2对目标星的实时定轨RMSE

    Figure 5.  Real-time orbit determination RMSE of navigation Satellite 2 to target satellite

    图 6  导航星3对目标星的实时定轨RMSE

    Figure 6.  Real-time orbit determination RMSE of navigation Satellite 3 to target satellite

    图 7  导航星4对目标星的实时定轨RMSE

    Figure 7.  Real-time orbit determination RMSE of navigation Satellite 4 to target satellite

    表  1  卫星轨道六根数

    Table  1.   Six orbital elements of satellites

    卫星 半长轴/km 偏心率 轨道倾角/(°) 升交点赤经/(°) 近地点幅角/(°) 真近点角/(°)
    目标星 16378.1 0 27 35 30 10
    导航星1 15378.1 0 45 60 0 0
    导航星2 15378.1 0 10 60 15 20
    导航星3 15378.1 0 38 60 20 0
    导航星4 15378.1 0 70 60 30 0
    下载: 导出CSV

    表  2  协同导航平均定位RMSE

    Table  2.   Mean position RMSE of coordinated navigation

    导航星 平均定位RMSE/m
    DEKF DSSRCQKF
    导航星1 30.775 18.633
    导航星2 30.679 18.166
    导航星3 31.456 18.969
    导航星4 30.393 18.189
    下载: 导出CSV

    表  3  协同导航平均定速RMSE

    Table  3.   Mean velocity RMSE of coordinated navigation

    导航星 平均定速RMSE/(m·s-1)
    DEKF DSSRCQKF
    导航星1 1.726 1.708
    导航星2 1.727 1.709
    导航星3 1.727 1.709
    导航星4 1.725 1.706
    下载: 导出CSV
  • [1] 王晓初, 尤政, 赵开春, 等.分布式卫星系统的协同导航估计方法[J].宇航学报, 2013, 34(8):1107-1113. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yhxb201308011

    WANG X C, YOU Z, ZHAO K C, et al.A cooperative navigation estimation method in distributed satellite system[J]. Journal of Astronautics, 2013, 34(8):1107-1113(in Chinese). http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yhxb201308011
    [2] 张艾, 李勇.基于星间测距的编队卫星一致性导航算法[J].空间控制技术与应用, 2015, 41(3):24-27. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=kjkzjsyyy201503005

    ZHANG A, LI Y.A consensus navigation algorithm for spacecraft formation based on distance ranging[J]. Aerospace Control and Application, 2015, 41(3):24-27(in Chinese). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=kjkzjsyyy201503005
    [3] ZHOU Z W, FANG H T, HONG Y G.Distributed estimation for moving target based on state-consensus strategy[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 2013, 58(8):2097-2100. http://cn.bing.com/academic/profile?id=47a82aaa3e2ff7051ae213e644bbfb8e&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [4] OLFATI-SABER R. Distributed Kalman filtering for sensor networks[C]//Proceedings of the 46th IEEE Conference on Decision and Control. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2007: 5492-5496.
    [5] BATTISTELLI G, CHISCI L. Stability of consensus extended Kalman filtering for distributed state estimation[C]//Preprints of the 19th World Congress the International Federation of Automatic Control. Amsterdam: Elsevier, 2014: 5520-5525.
    [6] JULIER S J, UHLMANN J K, DURRANTWHYTE H F.A new method for nonlinear transformation of means and covariances in filters and estimators[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 2000, 45(3):477-482. doi: 10.1109/9.847726
    [7] ARASARATNAM I, HAYKIN S.Cubature Kalman filters[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 2009, 54(6):1254-1269. doi: 10.1109/TAC.2009.2019800
    [8] ZAREI J, SHOKRI E.Convergence analysis of non-linear filtering based on cubature Kalman filter[J]. IET Science, Mea-surement & Technology, 2015, 9(3):294-305. http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?reload=true&arnumber=7089401&filter%3DAND%28p_IS_Number%3A7089353%29
    [9] 钱华明, 黄蔚, 葛磊, 等.基于四元数平方根容积卡尔曼滤波的姿态估计[J].北京航空航天大学学报, 2013, 39(5):646-649. http://bhxb.buaa.edu.cn/CN/abstract/abstract12619.shtml

    QIAN H M, HUANG W, GE L, et al.Attitude estimation based on quaternion square-root cubature Kalman filter[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2013, 39(5):646-649(in Chinese). http://bhxb.buaa.edu.cn/CN/abstract/abstract12619.shtml
    [10] 方君, 戴邵武, 许文明, 等.基于ST-SRCKF的超高速强机动目标跟踪算法[J].北京航空航天大学学报, 2016, 42(8):1698-1708. http://bhxb.buaa.edu.cn/CN/abstract/abstract13609.shtml

    FANG J, DAI S W, XU W M, et al.Highly maneuvering hypervelocity-target tracking algorithm based on ST-SRCKF[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2016, 42(8):1698-1708(in Chinese). http://bhxb.buaa.edu.cn/CN/abstract/abstract13609.shtml
    [11] WANG S Y, FENG J C, CHI K T.Spherical simplex-radial cubature Kalman filter[J]. IEEE Signal Processing Letters, 2014, 21(1):43-46. http://cn.bing.com/academic/profile?id=da7f96dcec3678f7b28f1812840f3242&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [12] SHOVAN B, SWATI.Cubature quadrature Kalman filter[J]. IET Signal Processing, 2013, 7(7):533-541. http://cn.bing.com/academic/profile?id=6ae07cd38ccacfd568af7fd05cc8f741&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [13] BATTISTELLI G, CHISCI L, MUGNAI G, et al.Consensus-based linear and nonlinear filtering[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 2015, 60(5):1410-1415. http://cn.bing.com/academic/profile?id=2c8f0c7c073d2b8d9449459a83d41568&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [14] 李璟璟, 张迎春, 郑靖, 等.基于信息融合的大椭圆轨道卫星组合导航方法[J].宇航学报, 2012, 33(9):1234-1239. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_yhxb201209007.aspx

    LI J J, ZHANG Y C, ZHENG J, et al.An information fusion based integrated navigation method for highly elliptical orbit satellite[J]. Journal of Astronautics, 2012, 33(9):1234-1239(in Chinese). http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_yhxb201209007.aspx
    [15] 朱奇光, 袁梅, 王梓巍, 等.机器人球面单径容积FastSLAM算法[J].机器人, 2015, 37(6):709-716. https://www.wenkuxiazai.com/doc/b0e434ce2f60ddccdb38a0a7.html

    ZHU Q G, YUAN M, WANG Z W, et al.A robot spherical simplex-radial cubature FastSLAM algorithm[J]. Robot, 2015, 37(6):709-716(in Chinese). https://www.wenkuxiazai.com/doc/b0e434ce2f60ddccdb38a0a7.html
  • 加载中
图(7) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  937
  • HTML全文浏览量:  113
  • PDF下载量:  336
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-03-14
  • 录用日期:  2017-06-16
  • 网络出版日期:  2018-03-20

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答