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脉冲星方位误差估计的两步卡尔曼滤波算法

肖永强 王宏力 冯磊 由四海 许强

肖永强, 王宏力, 冯磊, 等 . 脉冲星方位误差估计的两步卡尔曼滤波算法[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(7): 1446-1452. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0201
引用本文: 肖永强, 王宏力, 冯磊, 等 . 脉冲星方位误差估计的两步卡尔曼滤波算法[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(7): 1446-1452. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0201
XIAO Yongqiang, WANG Hongli, FENG Lei, et al. Two-step Kalman filter algorithm for pulsar position error estimation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(7): 1446-1452. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0201(in Chinese)
Citation: XIAO Yongqiang, WANG Hongli, FENG Lei, et al. Two-step Kalman filter algorithm for pulsar position error estimation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(7): 1446-1452. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0201(in Chinese)

脉冲星方位误差估计的两步卡尔曼滤波算法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0201
基金项目: 

国家自然科学基金 61503391

中国博士后科学基金 2017M613327

详细信息
    通讯作者:

    王宏力, E-mail: wanghongli19650526@163.com

  • 中图分类号: V324.2+1;P129

Two-step Kalman filter algorithm for pulsar position error estimation

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 61503391

China Postdoctoral Science Foundation 2017M613327

More Information
  • 摘要:

    为了克服钟差和卫星位置误差对脉冲星方位误差估计的影响,设计了两步卡尔曼滤波(TSKF)算法。首先,介绍了脉冲星方位误差估计的传统模型,并通过分析和仿真验证了钟差、卫星位置误差以及2种误差同时存在时会使脉冲星方位误差估计结果产生较大偏差。其次,在传统的估计模型中加入了钟差和卫星位置误差,并将钟差和钟差变化率增广为新的状态量,从而推导出包含2种误差的新模型,并证明了该模型的完全可观测性;根据该模型并按照两步卡尔曼滤波原理,得到了TSKF算法的步骤。最后,通过仿真表明:在钟差和卫星位置误差同时影响下,传统脉冲星方位误差估计算法偏差较大且发散;TSKF算法则能够有效隔离2种误差的影响,使赤经和赤纬误差估计达到0.2 mas之内的精度。

     

  • 图 1  脉冲星方位误差估计原理

    Figure 1.  Principle of pulsar position error estimation

    图 2  钟差随时间变化

    Figure 2.  Clock error changes with time

    图 3  未修正钟差的估计结果

    Figure 3.  Estimation result with uncorrected clock error

    图 4  未修正卫星位置误差的估计结果

    Figure 4.  Estimation results with uncorrected satellite position errors

    图 5  2种误差都未修正的估计结果

    Figure 5.  Estimation results with two types of error uncorrected

    图 6  TSKF算法估计结果

    Figure 6.  Estimation results of TSKF algorithm

    表  1  脉冲星B0531+21参数

    Table  1.   Parameters of pulsar B0531+21

    参数 数值
    赤经/(°) 83.63
    赤纬/(°) 22.01
    距离/kpc 2.0
    P/ms 33.4
    W/ms 1.7
    Fx/(ph·cm-2·s-1) 1.54
    pf/% 70
    注:kpc为秒差距,是天文学中使用的距离单位;ph·cm-2·s-1为宇宙背景噪声单位。
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    表  2  卫星轨道参数

    Table  2.   Parameters of satellite orbit

    参数 数值
    半长轴/km 7 460
    离心率 4.55×10-16
    轨道倾角/(°) 25
    近地点幅角/(°) 45
    升交点赤经/(°) 0
    初始真近地点/(°) 30
    起始时间 2015-07-01T12:00:00
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    表  3  条件设置

    Table  3.   Condition setup

    钟差/(μs) 卫星位置误差/km
    0 (0.1, 0.1, 0.1)
    1 (0, 0, 0)
    1 (0.1,-0.1,0.1)
    2 (0.1, 0.1, 0.1)
    2 (0.2,-0.2, 0.2)
    2 (0.5, 0.5, 0.5)
    5 (0.1, 0.1, 0.1)
    5 (0.2,-0.2, 0.2)
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    表  4  仿真结果

    Table  4.   Simulation results

    赤经估计偏差/mas 赤纬估计偏差/mas
    0.050 0.043
    0.061 0.047
    0.150 0.065
    0.150 0.072
    0.172 0.110
    0.221 0.150
    0.182 0.143
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  • [1] SHEIKH S I. The use of variable celestial X-ray sources for spacecraft navigation[D]. Maryland: University of Maryland, 2005.
    [2] 刘劲. 基于X射线脉冲星的航天器自主导航方法研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2011.

    LIU J. X-ray pulsar-based spacecraft autonomous navigation[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2011(in Chinese).
    [3] 孙守明. 基于X射线脉冲星的航天器自主导航方法研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2011.

    SUN S M. Study on autonomous navigation method of spacecraft based on X-ray pulsars[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2011(in Chinese).
    [4] 孙守明, 郑伟, 汤国建. X射线脉冲星星表方位误差估计算法研究[J]. 飞行器测控学报, 2010, 29(2): 57-60. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FXCK201002017.htm

    SUN S M, ZHENG W, TANG G J. A new estimation algorithm of the X-ray pulsar position error[J]. Journal of Spacecraft TT & C Technology, 2010, 29(2): 57-60(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FXCK201002017.htm
    [5] 熊凯, 魏春岭, 刘良栋. 鲁棒滤波技术在脉冲星导航中的应用[J]. 空间控制技术与应用, 2008, 34(6): 8-11. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KJKZ200806004.htm

    XIONG K, WEI C L, LIU L D. Application of robust filtering in pulsars-based navigation[J]. Aerospace Control and Application, 2008, 34(6): 8-11(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KJKZ200806004.htm
    [6] XU Q, WANG H L, FENG L, et al. An improved augmented X-ray pulsar navigation algorithm based on the norm of pulsar direction error[J]. Advances in Space Research, 2018, 62(11): 3187-3198. doi: 10.1016/j.asr.2018.08.026
    [7] NING X L, GUI M Z, FANG J C, et al. Differential X-ray pulsar aided celestial navigation for Mars exploration[J]. Aerospace Science and Technology, 2017, 62: 36-45. doi: 10.1016/j.ast.2016.10.032
    [8] 王宏力, 许强, 由四海, 等. 考虑卫星位置误差的增广脉冲星方位误差估计算法[J]. 国防科技大学学报, 2018, 40(5): 177-182. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GFKJ201805026.htm

    WANG H L, XU Q, YOU S H, et al. Augmented estimation algorithm for pulsar position error with satellite position error[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2018, 40(5): 177-182(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GFKJ201805026.htm
    [9] 孙守明, 郑伟, 汤国建. X射线脉冲星/SINS组合导航中的钟差修正方法研究[J]. 国防科技大学学报, 2010, 32(6): 82-86. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GFKJ201006016.htm

    SUN S M, ZHENG W, TANG G J. A new clock error control algorithm of X-ray pulsars/SINS integrated navigation[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2010, 32(6): 82-86(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GFKJ201006016.htm
    [10] 王璐, 史晨曦, 李建勋, 等. 考虑钟差修正的脉冲星与多普勒差分组合导航[J]. 电波科学学报, 2018, 33(2): 217-224. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DBKX201802016.htm

    WANG L, SHI C X, LI J X, et al. Pulsar and Doppler difference integrated navigation considering clock error control[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2018, 33(2): 217-224(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DBKX201802016.htm
    [11] EMADZADEH A A, SPEYER J L. X-ray pulsar-based relative navigation using epoch folding[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2011, 47(4): 2317-2328. http://ieeexplore.ieee.org/document/6034635
    [12] 李孝辉, 吴海涛, 高海军, 等. 用Kalman滤波器对原子钟进行控制[J]. 控制理论与应用, 2003, 20(4): 551-554. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KZLY200304013.htm

    LI X H, WU H T, GAO H J, et al. Clock disciplined method by using Kalman filter[J]. Control Theory & Applications, 2003, 20(4): 551-554(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KZLY200304013.htm
    [13] 帅平, 陈绍龙, 吴一帆, 等. X射线脉冲星导航技术研究进展[J]. 空间科学学报, 2007, 27(2): 169-176. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KJKB200702013.htm

    SHUAI P, CHEN S L, WU Y F, et al. Advance in X-ray pulsar navigation technology[J]. Chinese Journal of Space Science, 2007, 27(2): 169-176(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KJKB200702013.htm
    [14] FRIEDLAND B. Treatment of bias in recursive filtering[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1969, 14(4): 359-367. http://ieeexplore.ieee.org/document/1099223/references
    [15] HAESSIG D, FRIEDLAND B. Separate-bias estimation with reduced-order Kalman filters[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1998, 43(7): 983-987. http://ieeexplore.ieee.org/iel4/9/15074/00701106.pdf
    [16] IGNAGNI M B. Separate bias Kalman estimator with bias state noise[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1990, 35(3): 338-341. http://ieeexplore.ieee.org/document/50352
    [17] 王奕迪, 郑伟, 孙守明, 等. 考虑系统偏差的脉冲星守时算法研究[J]. 国防科技大学学报, 2013, 35(2): 12-16. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GFKJ201302004.htm

    WANG Y D, ZHENG W, SUN S M, et al. Algorithm for the pulsar timing system with the system bias[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2013, 35(2): 12-16(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GFKJ201302004.htm
    [18] 许强, 范小虎, 徐利国, 等. 脉冲星方位误差估计的TSKF算法[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(4): 761-768. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0288

    XU Q, FAN X H, XU L G, et al. TSKF algorithm for pulsar position error estimation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(4): 761-768(in Chinese). doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0288
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-22
  • 录用日期:  2020-08-14
  • 网络出版日期:  2021-07-20

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