一种小视场星跟踪器天文观测信息异常检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种天文观测信息检测方法，属于组合导航领域。
【背景技术】
[0002] 天文导航（CNS)是以已知准确空间位置的自然天体为基准，通过天体测量仪器被 动探测天体位置，经解算确定测量点所在载体的导航信息（姿态或者位置）。将导航方法 建立在恒星和行星参考系基础上，具有直接、自然、可靠、精确的优点。天文导航就相当于惯 性导航系统中没有漂移的陀螺仪，非常适合长时间自主运行和导航定位精度要求较高的领 域。由天文导航、惯性导航组成的（CNS/INS)组合导航系统，具有明显的优势互补性，能够 有效提高导航系统的精度和可靠性，已成为远程长航时机载导航技术的重要发展方向。
[0003] 在航空领域，由于小视场星跟踪器的天体敏感设备视场小，视场内一般一次观测 一颗导航星，天空中的入射杂散光线较少，单星测量信噪比高，极大提高白天观星的对比度 和观星效果，能够克服白天大气对太阳光散射带来的强背景噪声的限制，从而使基于小视 场星跟踪器天文惯性组合导航成为首选。
[0004] 虽然小视场星跟踪器能有效克服白天大气强背景噪声的影响，实现白天观星，但 是由于航空平台环境的复杂性，天文观测依然会受到CCD热噪声、时统误差、高动态跟踪误 差、薄云干扰、蒙气差等噪声的干扰，从而使天文观测信息出现大噪声、跳点、野值、漂移等， 导致观测数据失真甚至失效。如果将这些数据不加甄别地作为观测信息使用，将会污染天 文/惯性组合导航系统，从而严重影响组合导航精度。同时，由于小视场星跟踪器的天文观 星建立在CNS/INS组合导航系统提供的载体实时位置、姿态等信息的基础上，而上述误差 会导致小视场星跟踪器的搜星困难，极端情况下甚至可能无法观星，从而导致组合导航失 败。因此，对小视场星跟踪器天文观测信息的异常检测显得特别重要，是CNS/INS组合导航 精度和可靠性的重要保障。
[0005] 同时，由于小视场星跟踪器单星观测输出频率高（约50Hz)，但异步观星组合导航 解算受到双星切换的影响，其滤波周期较长（约15s)，因此小视场星跟踪器的天文观测信 息异常检测需要在两个不同时间尺度上实现相应的异常检测。目前，国内外未发现针对小 视场星跟踪器天文观测信息异常检测算法的相关报道。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种小视场星跟踪器天文观测信息异常检 测方法，利用惯导输出信息和导航星信息实现对单颗导航星观测的高度角和方位角信息的 实时的缓变和跳变检测，解决了基于小视场星跟踪器的天文观测信息异常检测问题，为基 于小视场星跟踪器的CNS/INS组合导航系统的工程化实现奠定了基础。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
[0008] 第一步，在异步观星状态下，小视场星跟踪器实现对导航星Si的稳定跟踪，在dt 时段内完成天文观测数据和惯导数据采集，得到容量为N的数据集，50 <N< 100,包括时 刻\的捷联惯导独立测量机载平台的导航信息、地心系到导航系的转移矩阵 <;、姿态转移 矩阵<、高度角!%、方位角AZj和导航星的格林时角GHAj、赤炜信息DeCj，其中，j表示第j个采样点，1彡j彡N;
[0009] 第二步，通过惯导和导航星数据反算小视场星跟踪器在各时刻t,的理论观测值 奸。、42#)，并计算观测值相对理论值的偏差（叫、(^.);记录数据集（1: 1，1:2，~1^)，（(1!11， dH2, *··?ΗΝ), (dAz^dAz2, ***dAzN)；
[0010] 第三步，利用3 〇法对偏差数据集进行跳点剔除二至三遍，利用回归算法对未被 剔除的数据集进行拟合计算，得到高度角偏差量的斜率bH和方位角偏差量数据集的斜率 bA;利用设定的缓变斜率门限bth_hcJt?b，bA，只有当|bH|<b threshold-S* ^AI ^threshold 时，数据集趋势检测判定为正常，进入第四步，否则进入第五步；
[0011] 第四步，进行跳变检测，包括以下步骤：1)、判断是否为该导航星数据集首次跳变 检测，若是，进入步骤3)，若不是，进入步骤2) ;2)检测数据集进行天文观测视场的阈值，并 以此阈值作为异常检测基准；3)利用异常检测基准对数据集进行阈值跳变检测；5)存储跳 变检测正常的数据并更新数据基准；
[0012] 第五步，根据第三步和第四步的检测结果，对数据集作出正常或不正常标记后输 出。
[0013] 本发明的有益效果是：（1)实现了在异步观星模式下个导航星观测信息缓变和跳 变两种情况的异常检测；（2)在跳变检测中，数据及基准库的容量大于每次更新的数据集 容量，有利于长周期异步观星数据的异常检测；（3)本发明为基于小视场星跟踪器的天文/ 惯导高精度组合导航提供了保障，为基于小视场星跟踪器的天文/捷联惯导组合导航工程 化奠定了基础。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明的方法流程图。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施 例。
[0016] 本发明包括以下步骤：
[0017] 第一步，在异步观星状态下，小视场星跟踪器实现对导航星Si的稳定跟踪，在 dt时段内完成天文观测数据和惯导数据采集，得到容量为N的数据集，数据集容量为 (50 < 100);采集的数据包括：时刻t,捷联惯导独立测量机载平台的导航信息，采集数 据输出时刻\的地心系到导航系的转移矩阵1?、姿态转移矩阵€；，这里j表示第j个采样 点，范围为（1 <j<N);时刻t/j、视场星跟踪器完成对导航星捕获、跟踪和天文测量，采集 数据输出对应时刻的高度角Hj、方位角AZj和导航星的格林时角GHAj、赤炜信息DeCj;
[0018] 第二步，通过惯导和导航星数据反算小视场星跟踪器在各时刻t,的理论观测值 (Hj0、Az.jQ)，并计算观测值相对理论值的偏差（dHj、dAz.)。记录数据集（t!，t2,，，tN)，（dH!， dHg，，，cIHn)，（dAzi，dAzg，，，cIAzn);
[0019]第三步，进入趋势缓变检测模块：1)、首先利用3σ法对偏差数据集进行部分跳点 剔除，剔除数量为nl;2)、利用回归算法，拟合计算偏差量数据集的斜率3)、斜率检测判断；
[0020] 第四步，如果第三步数据缓变检测"不正常"，则直接跳至第五步，全部数据标记为 "不正常"输出；如果第三步数据缓变检测"正常"，计入跳变检测模块：1)、判断是否为该导 航星数据集首次跳变检测；2)如果为"是"，直接执行4)操作；如果为"否"，则首先对数据 进行天文观测视场阈值检测；3)利用该数据集建立异常检测基准；并将数据集标准库状态 "已建立"反馈到1)操作步；4)对数据集数据进行阈值跳变检测；5)将跳变检测正常的数 据存储并更新数据基准；
[0021] 第五步，数据集根据上述缓变和跳变检测结果做出"正常"和"不正常"标记后输 出；
[0022] 所述第二步惯导反算理论观测值和偏差计算过程为：
[0023] 导航星在\时刻相对地心系的观测矢量1|%，： 为：
[0027] 则得该导航星在该时刻在星跟踪器上的理论观测值%丨)为：
[0033] 所述第三步数据斜率b计算和检测过程为：
[0034] 数据总容量为Nl=N-nl，剔除的数据不再后续计算之列，则有
[0038] 得高度角偏差和方位角偏差数据集缓变斜率为：
[0040] 定义缓变斜率门限bth_hc]ld，该门限根据大量数据的统计分析得到。
[0041] 则检测标准为：只有当|bH| < 13#_^且IbAI<b-时，数据集趋势检测判 定为"正常"；
[0042] 所述第四步天文观测视场阈值检测过程为：小视场星跟踪器视场大小为V角分， 则基于观测视场的数据偏差阈值为vthrashC]ld=V;设小视场星跟踪器视场的一个实例为V= 6、则偏差阈值为Vhreshc]ld=6\只有当|dH」<Vthreshold~S*IdAz.il<v-时，数据判 断为"正常"，否则为"不正常"，不正常的容量为n2,则此时正常的数据容量为N2 =N1 - n2；
[0043] 所述第四步天文观测视场阈值检测过程为：根据偏差数据集基准库（SdHp SdAZl)，数据及标准库的容量为Μ= 5N，计算该基准库对应变量的均值和方差：
[0048] 所述第四步