一种基于半长轴滤波值连续性的航天器轨道机动检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种基于半长轴滤波值连续性的航天器 轨道机动检测方法。 技术背景
[0002] 随着空间态势感知、攻防对抗和深空探测等领域任务的拓展，新型航天器的高机 动、大范围运动特点使得对其进行实时高精度跟踪面临着更加严峻的挑战，尤其在空间攻 防对抗等非合作目标跟踪中，未知的轨道机动极大的限制了航天器实时跟踪的精度，迫切 需要有效的轨道机动检测和辨识技术。
[0003] 非线性滤波是航天器实时轨道确定的主要方法，航天器轨道机动可W看作是其运 动状态的突变，表现为一种系统性的偏差。因此轨道机动检测就是在滤波过程中或滤波 后，引入必要的方法来检测或辨识轨道是否产生了偏离。其检测过程可W参考一般性的运 动目标机动检测方法，又有其特殊性。航天器常见机动模式有脉冲机动、连续推力机动和 bangbang机动，其中bangbang机动可W看作脉冲机动与连续推力机动的随机组合，而且目 前应用相对较少，因此研究的热点主要集中于前两种机动的检测。检测算法实现的关键是 检测统计量的构造，通常有两类方法，一是从测量信息或其某种特征的变化规律判断，二是 基于滤波信息或输入估计的假设检验问题。后者利用了目标运动先验信息，且可W实现测 量数据的融合，应用较广，但算法的检测和跟踪精度均依赖于模型的选择。鉴于航天器的空 间轨道运动特征，有动力学和运动学两类模型可W利用。前者的约束力较强，常用于高精度 的跟踪滤波器设计，且基于该滤波器信息设计的检测算法对微小机动检测能力较强，但由 于对检测参数的依赖性也较大，检测滞后和虚警之间存在矛盾；后者对测量信息变化敏感， 由于轨道机动会引起测量数据某些特征的变化（测量数据是轨道在测量空间的投影），因 此更利于航天器机动的检测，但其滤波结果的随机误差较大，不利于微小机动的检测与辨 识。
[0004] 常用机动检测和估计方法如等效噪声、输入检测与估计、模型转换等，但对于实时 性和稳定性要求较高的实时轨道确定问题，上述方法对系统改造较大，检测过程所需数据 积累和计算量相对较多，且适用性因实际系统状态噪声的不同而产生较大差异。此外，现有 系统多W航天器位置与速度为滤波状态，因此机动检测手段也经常直接针对位置与速度进 行，受测量异常值，特别是成片野值的影响较大，可靠性难W保证。
【发明内容】
：
[0005] 本发明要解决的技术问题是，提供一种基于轨道半长轴连续性变化监测的轨道机 动检测方法，实现对轨道机动的快速准确检测与辨识。
[0006] 为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
[0007] -种基于半长轴滤波值连续性的航天器轨道机动检测方法包括：
[0008] 步骤S1、基于运动学模型的轨道半长轴估计
[0009] 在每个采样时刻，航天器跟踪系统利用对轨道运动学模型进行滤波，实时解算航 天器位置与速度，进而获得该时刻的半长轴估计值；
[0010] 步骤S2、基于轨道半长轴连续性的脉冲机动检测
[0011] 利用窗口累积的轨道半长轴估值进行航天器脉冲机动检测，具体W下步骤：
[0012] 步骤S2.1、利用差分检测的方法实现窗口半长轴估值数据的累积，并计算半长轴 的统计特征；
[0013] 步骤S2. 2、采用逐点滑动的方式更新窗口数据，并通过检测新采样时刻的半长轴 数据是否符合半长轴的统计特征征，进行脉冲机动检测；
[0014] 步骤S2. 3、若未发生机动，则利用新窗口数据计算半长轴的统计特征。
[0015] 步骤S3、基于轨道半长轴变化率的连续推力机动检测
[0016] 在脉冲机动检测基础上，利用窗口累积的轨道半长轴变化率估值进行航天器连续 推力机动检测，具体包括W下步骤：
[0017] 步骤S3. 1、若未发生脉冲机动，则利用差分检测的方法实现窗口半长轴估值数据 的累积，并计算半长轴变化率的统计特征；
[0018] 步骤S3. 2、采用逐点滑动的方式更新窗口数据，将窗口按时间分成前后两段，分别 计算半长轴变化率，并通过检测两个变化率的差异是否符合半长轴变化率的统计特征，进 行连续推力机动检测；
[0019] 步骤S3. 3、若未发生机动，则利用新窗口数据计算半长轴变化率的统计特征。
[0020] 本发明提出利用轨道半长轴滤波值连续性的机动检测方法，具有实现简单，检测 精度高、速度快和稳健性强特点，具体优点如下：
[0021] 1、仅需在跟踪滤波器中引入简单的半长轴统计特征计算和连续性变化检测环节， 即可分别实现脉冲机动和连续推力机动的检测，对现有跟踪系统的改造较小，方法实现方 便且适应性较强；
[0022] 2、采用逐点滑动窗口方式，不存在累积数据自身引入的解算滞后，且仅使用了简 单的多点差分算法，W及半长轴与半长轴变化率的统计特征计算，检测过程所需计算量很 小，保证了机动检测的速度；
[0023] 3、检测过程基于窗口内的轨道半长轴估值进行，充分利用了多个时刻的测量数 据，可W降低测量异常的影响，提高检测精度的同时，保障机动检测的可靠性；
【附图说明】
[0024] 图1是本发明的算法流程示意图；
[0025] 图2是实施算例中航天器轨道的脉冲机动检测示意图；
[0026] 图3是实施算例中航天器轨道的连续推力机动检测示意图。
【具体实施方式】
[0027] 如图1所示，本发明公开一种基于半长轴滤波值连续性的航天器轨道机动检测方 法，包括W下步骤：
[0028] 步骤S1、基于运动学模型的航天器轨道半长轴估计
[0029] 在每个采样时刻tk，航天器跟踪系统利用对轨道运动学模型进行滤波，实时解算 航天器位置与速度，进而获得该时刻的半长轴估计值3k。
[0030] 从计算效率和精度出发，所述运动学模型为当前统计模型（化rrent Statistic Model, CS)。记tk时刻航天器惯性系位置为X k= (X k，yk，Zk)T，Xk，yk，Zk分别为在惯性系X， y，z轴的分量。当前统计模型认为机动加速度在各个方向是解禪的，并且在时间轴上是一 阶时间相关的随机过程。记式=托為為f，[於，欠，托f，是=[為，与，与f，则状态转 移方程
[0031]
【主权项】
1. 一种基于半长轴滤波值连续性的航天器轨道机动检测方法，其特征在于，包括： 步骤S1、基于运动学模型的轨道半长轴估计 在每个采样时刻，航天器跟踪系统利用对轨道运动学模型进行滤波，实时解算航天器 位置与速度，进而获得该时刻的半长轴估计值； 步骤S2、基于轨道半长轴连续性的脉冲机动检测 利用窗口累积的轨道半长轴估值进行航天器脉冲机动检测，具体W下步骤： 步骤S2. 1、利用差分检测的方法实现窗口半长轴估值数据的累积，并计算半长轴的统 计特征； 步骤S2. 2、采用逐点滑动的方式更新窗口数据，并通过检测新采样时刻的半长轴数据 是否符合半长轴的统计特征，进行脉冲机动检测； 步骤S2. 3、若未发生机动，则利用新窗口数据计算半长轴的统计特征。 步骤S3、基于轨道半长轴变化率的连续推力机动检测 在脉冲机动检测基础上，利用窗口累积的轨道半长轴变化率估值进行航天器连续推力 机动检测，具体包括W下步骤： 步骤S3. 1、若未发生脉冲机动，贝時Ij用差分检测的方法实现窗口半长轴估值数据的累 积，并计算半长轴变化率的统计特征； 步骤S3. 2、采用逐点滑动的方式更新窗口数据，将窗口按时间分成前后两段，分别计算 半长轴变化率，并通过检测两个变化率的差异是否符合半长轴变化率的统计特征，进行连 续推力机动检测； 步骤S3. 3、若未发生机动，则利用新窗口数据计算半长轴变化率的统计特征。
2. 如权利要求1所述的一种基于半长轴滤波值连续性的航天器轨道机动检测方法，其 特征在于，步骤S1中，设tk时刻航天器惯性系位置为X k= (X k，yk，Zk) T，其中，Xk，yk，Zk分别 为在惯性系X，y，z轴的分量，设tk时刻航天器惯性系速度乂* = (i：*，知，，其中，為分别 为航天器tk时刻X方向的速度，欠分别为航天器tk时刻y方向的速度，4分别为航天器k 时刻Z方向的速度；半长轴估计值ak计算公式如下：
其中，y为地球引力常数，y = 398600. 4418e9。
【专利摘要】本发明公开一种基于半长轴滤波值连续性的航天器轨道机动检测方法，包括：基于运动学模型的轨道半长轴估计；基于轨道半长轴连续性的脉冲机动检测；基于轨道半长轴变化率的连续推力机动检测。采用本发明的技术方案，可以实现对轨道机动的快速准确检测与辨识，提高航天器轨道估计精度和可靠性。
【IPC分类】G01C21-24
【公开号】CN104596520
【申请号】CN201510027623
【发明人】刘也, 唐歌实, 华莹, 曹建峰, 刘磊, 郑爱武, 刘景勇, 李翠兰
【申请人】中国人民解放军63920部队
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月20日