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深空探测器相对论导航方法

熊凯,魏春岭,李连升,周鹏

熊凯, 魏春岭, 李连升, 周鹏. 深空探测器相对论导航方法[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230011
引用本文: 熊凯, 魏春岭, 李连升, 周鹏. 深空探测器相对论导航方法[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230011
XIONG Kai, WEI Chunling, LI Liansheng, ZHOU Peng. Relativistic Navigation Method for Deep Space Probes[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230011
Citation: XIONG Kai, WEI Chunling, LI Liansheng, ZHOU Peng. Relativistic Navigation Method for Deep Space Probes[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230011

深空探测器相对论导航方法

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230011
基金项目:基础加强计划(2022-173ZD-131);国家自然科学基金(U21B6001)
详细信息
    作者简介:

    熊凯(1976− ),男,研究员,主要研究方向:航天器自主导航和非线性滤波。本文通信作者。通信地址:北京市海淀区友谊路104号(100094)电话:(010)68744843E-mail:tobelove2001@vip.tom.com

  • ● An autonomous celestial navigation method based on the observations of the relativistic perturbations of starlight for deep space probes is presented. ● The feasibility of the presented method is investigated via the calculation of the Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) of the relativistic navigation system. ● A novel Q-learning extended Kalman filter (QLEKF) is designed to optimize the navigation filtering parameters adaptively.
  • 中图分类号:V448.2

Relativistic Navigation Method for Deep Space Probes

  • 摘要:在相对论导航系统中,通过毫角秒恒星角距测量装置获取反映恒星光行差和光线引力偏折变化的恒星角距观测量,利用导航滤波器处理观测量,估计深空探测器在惯性空间的位置和速度矢量,以及敏感器的测量基准偏差。建立了面向导航滤波器设计和系统性能分析的状态方程和观测方程,根据导航系统的克拉美劳下界(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB)考察了相对论导航方法用于深空探测器的可行性,设计了通过导航滤波器自学习提升相对论导航系统性能的策略。仿真研究表明,对于环绕火星运行的深空探测器,在恒星角距测量精度为1 mas的情况下,相对论导航方法能达到百米量级的定位精度水平。为相对论导航方法在深空中的应用提供了支持。
    Highlights
    ● An autonomous celestial navigation method based on the observations of the relativistic perturbations of starlight for deep space probes is presented. ● The feasibility of the presented method is investigated via the calculation of the Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) of the relativistic navigation system. ● A novel Q-learning extended Kalman filter (QLEKF) is designed to optimize the navigation filtering parameters adaptively.
  • 图 1恒星光行差示意图

    Fig. 1Illustration of stellar aberration

    图 2光线引力偏折示意图

    Fig. 2Illustration of starlight gravitational deflection

    图 3恒星角距测量装置示意图

    Fig. 3Illustration of equipment for inter-star angle measurement

    图 4Q学习扩展卡尔曼滤波器示意图

    Fig. 4Illustration of Q-learning extended Kalman filter

    图 5位置估计误差的CRLB曲线

    Fig. 5CRLB curves of position estimation error

    图 6通过QLEKF解算的估计误差曲线

    Fig. 6Estimation error curves obtained from QLEKF

    图 7EKF、AEKF、REKF和QLEKF的均方根误差

    Fig. 7RMS errors of EKF,AEKF,REKF and QLEKF

    图 8本文方法与文献[15]、[19]中方法的均方根误差

    Fig. 8RMS errors of presented method and methods in [15] and [19]

    表 1Q学习扩展卡尔曼滤波器

    Table 1Q-learning extended Kalman filter

    算法 1:Q学习扩展卡尔曼滤波器
    输入:状态估计初始值 $ {\hat{\boldsymbol{x}}}_{0} $ 及其误差方差阵 $ {\boldsymbol{P}}_{0} $,事先确定的方差阵集合 $ \left\{{\hat{\boldsymbol{Q}}}_{k}^{(s,a)}\right\} $,观测量$ {\boldsymbol{y}}_{k} $
    1:$ {\hat{\boldsymbol{x}}}_{0}^{(s,a)}\leftarrow {\hat{\boldsymbol{x}}}_{0} $,$ {\boldsymbol{P}}_{0}^{(s,a)}\leftarrow {\boldsymbol{P}}_{0} $,$ Q(\mathrm{s},\mathrm{a})\leftarrow 0 $,$ k\leftarrow 0 $
    2:for特定导航任务周期,do
    3: for任意 $ a\in \mathbf{A} $,do
    4:  $ R(s,a)\leftarrow 0 $
    5:  for$t=\mathrm{1,2},\cdots ,T$,do
    6:   $ k\leftarrow k+1 $
    7:    $ [{\hat{\boldsymbol{x}}}_{k}^{\left(s,a\right)},{\boldsymbol{P}}_{k}^{\left(s,a\right)},{\tilde{\boldsymbol{y}}}_{k}^{\left(s,a\right)}]\leftarrow $ $\mathrm{E}\mathrm{K}\mathrm{F}({\hat{\boldsymbol{x} } }_{k-1}^{\left(s,a\right)},{\boldsymbol{P} }_{k-1}^{\left(s,a\right)},{\boldsymbol{y} }_{k},{\hat{\boldsymbol{Q} } }_{k}^{\left(s,a\right)},{\mathit{R} }_{k})$                        $\rhd $ 探索滤波器
    8:    $ R\left(s,a\right)\leftarrow R\left(s,a\right)+ $ $\dfrac{1}{{T} }\left\{ {\left[{\left({\tilde{\boldsymbol{y} } }_{k}^{\left(s,a\right)}\right)}^{-1}{\mathit{R} }_{k}^{-1}{\tilde{\boldsymbol{y} } }_{k}^{\left(s,a\right)}\right]}^{-1}-R\left(s,a\right)\right\}$
    9:    $ [{\hat{\boldsymbol{x}}}_{k},{\boldsymbol{P}}_{k},{\tilde{\boldsymbol{y}}}_{k}]\leftarrow \mathrm{E}\mathrm{K}\mathrm{F}({\hat{\boldsymbol{x}}}_{k-1},{\boldsymbol{P}}_{k-1},{\boldsymbol{y}}_{k},{\hat{\boldsymbol{Q}}}_{k},{\mathit{R}}_{k}) $ $\rhd$ 导航滤波器
    10: end for
    11:  $ Q\left(s,a\right)=\left(1-\alpha \right)Q\left(s,a\right)+ $$\mathrm{\alpha }[R\left(s,a\right)+\mathrm{\gamma }\underset{a' }{\mathrm{max} }Q\left(s',a'\right)]$
    12:end for
    13: ${a}_{\max}\leftarrow \mathrm{arg}\underset{a}{\mathrm{max} }Q\left(s,a\right)$
    14: ${\hat{\boldsymbol{Q} } }_{k}\leftarrow {\hat{\boldsymbol{Q} } }_{k}^{\left(s,{a}_{\max}\right)}$
    15:end for
    16:输出:$ \left\{{\hat{\boldsymbol{x}}}_{k}\right\} $ and $ \left\{{\boldsymbol{P}}_{k}\right\} $
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    表 2扩展卡尔曼滤波器的计算公式

    Table 2Equations of extended Kalman filter

    算法 2:扩展卡尔曼滤波器
    1:function$ \mathrm{E}\mathrm{K}\mathrm{F}({\hat{\boldsymbol{x}}}_{k-1},{\boldsymbol{P}}_{k-1},{\boldsymbol{y}}_{k},{\boldsymbol{Q}}_{k},{\boldsymbol{R}}_{k}) $
    2:  ${\hat{\boldsymbol{x} } }_{k|k-1}\leftarrow{f}\left({\hat{\boldsymbol{x} } }_{k-1}\right)$ $ \rhd $ 预测
    3:  $ {\boldsymbol{P}}_{k|k-1}\leftarrow {\boldsymbol{F}}_{k}{\boldsymbol{P}}_{k-1}{\boldsymbol{F}}_{k}^{\mathrm{T}}+{\boldsymbol{Q}}_{k} $
    4:  $ {\boldsymbol{K}}_{k}\leftarrow {\boldsymbol{P}}_{k|k-1}{\boldsymbol{H}}_{k}^{\mathrm{T}}{({\boldsymbol{H}}_{k}{\boldsymbol{P}}_{k|k-1}{\boldsymbol{H}}_{k}^{\mathrm{T}}+{\boldsymbol{R}}_{k})}^{-1} $
    5:  ${\tilde{\boldsymbol{y} } }_{k}\leftarrow {\boldsymbol{y} }_{k}-{h}\left({\hat{\boldsymbol{x} } }_{k|k-1}\right)$
    6:  $ {\hat{\boldsymbol{x}}}_{k}\leftarrow {\hat{\boldsymbol{x}}}_{k|k-1}+{\boldsymbol{K}}_{k}{\tilde{\boldsymbol{y}}}_{k} $ $ \rhd $ 更新
    7:  ${\boldsymbol{P} }_{k}\leftarrow \left({\boldsymbol I}-{\boldsymbol{K} }_{k}{\boldsymbol{H} }_{k}\right){\boldsymbol{P} }_{k|k-1}{({\boldsymbol I}-{\boldsymbol{K} }_{k}{\boldsymbol{H} }_{k})}^{\mathrm{T} }+{\boldsymbol{K} }_{k}{\boldsymbol{R} }_{k}{\boldsymbol{K} }_{k}^{\mathrm{T} }$
    8:  return$ {\hat{\boldsymbol{x}}}_{k} $,$ {\boldsymbol{P}}_{k} $,$ {\tilde{\boldsymbol{y}}}_{k} $
    9:end function
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    表 3火星探测器初始轨道参数

    Table 3Initial orbital elements of Mars probe

    半长轴/km 偏心率 轨道倾角/(°) 升交点赤经/(°) 近地点幅角/(°) 平近点角/(°)
    3 697 0.011 90.1549 1.647×10–5 0.3490 0.5235
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    表 4导航滤波器参数

    Table 4Parameters of navigation filter

    滤波器参数 仿真中参数设置
    初始系统噪声方差阵 $ {\hat{\boldsymbol{Q}}}_{0}=\left[\begin{array}{ccc}{\sigma }_{r}^{2}{\boldsymbol{I}}_{3\times 3}& & \\ & {\sigma }_{v}^{2}{\boldsymbol{I}}_{3\times 3}& \\ & & {\sigma }_{\kappa }^{2}{\boldsymbol{I}}_{3\times 3}\end{array}\right] $,其中,$ {\sigma }_{r}=5\times {10}^{-5}\;\mathrm{m} $,$ {\sigma }_{v}=5\times {10}^{-5}\;\mathrm{m}/\mathrm{s} $,$ {\sigma }_{\kappa }=0.1\;\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{s} $
    测量噪声方差阵 ${\boldsymbol{R} }_{k}={\sigma }_{a}^{2}{\boldsymbol{I} }_{3\times 3}$,其中${\sigma }_{a}=1\;\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{s}$
    初始估计误差方差阵 $ {\boldsymbol{P}}_{0}=\left[\begin{array}{ccc}{p}_{r}^{2}{\boldsymbol{I}}_{3\times 3}& & \\ & {p}_{v}^{2}{\boldsymbol{I}}_{3\times 3}& \\ & & {p}_{\kappa }^{2}{\boldsymbol{I}}_{3\times 3}\end{array}\right] $,其中,${p}_{r}=1\;\mathrm{k}\mathrm{m}$,${p}_{v}=0.1\;\mathrm{m}/\mathrm{s}$,${p}_{\kappa }=0.2''$
    学习速率 $ \mathrm{\alpha }=0.1 $
    折扣因子 $ \gamma =0.9 $
    计算奖赏的周期/s $ T=500 $
    集合中的元素 对$ {\hat{\boldsymbol{Q}}}_{0} $进行放大或缩小得到$ {\hat{\boldsymbol{Q}}}_{k}^{(s,a)} $
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    表 5相对论导航系统的定位测速精度

    Table 5Position and velocity accuracy of relativistic navigation system

    导航滤波器 EKF AEKF REKF QLEKF
    平均位置误差RMS/m 348.4 198.1 553.3 163.8
    平均速度误差RMS/(m·s–1 0.29 0.17 0.47 0.11
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出版历程
  • 收稿日期:2023-01-29
  • 修回日期:2023-02-28
  • 网络出版日期:2023-04-30

深空探测器相对论导航方法

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230011
    基金项目:基础加强计划(2022-173ZD-131);国家自然科学基金(U21B6001)
    作者简介:

    熊凯(1976− ),男,研究员,主要研究方向:航天器自主导航和非线性滤波。本文通信作者。通信地址:北京市海淀区友谊路104号(100094)电话:(010)68744843E-mail:tobelove2001@vip.tom.com

  • ● An autonomous celestial navigation method based on the observations of the relativistic perturbations of starlight for deep space probes is presented. ● The feasibility of the presented method is investigated via the calculation of the Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) of the relativistic navigation system. ● A novel Q-learning extended Kalman filter (QLEKF) is designed to optimize the navigation filtering parameters adaptively.
  • 中图分类号:V448.2

摘要:在相对论导航系统中,通过毫角秒恒星角距测量装置获取反映恒星光行差和光线引力偏折变化的恒星角距观测量,利用导航滤波器处理观测量,估计深空探测器在惯性空间的位置和速度矢量,以及敏感器的测量基准偏差。建立了面向导航滤波器设计和系统性能分析的状态方程和观测方程,根据导航系统的克拉美劳下界(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB)考察了相对论导航方法用于深空探测器的可行性,设计了通过导航滤波器自学习提升相对论导航系统性能的策略。仿真研究表明,对于环绕火星运行的深空探测器,在恒星角距测量精度为1 mas的情况下,相对论导航方法能达到百米量级的定位精度水平。为相对论导航方法在深空中的应用提供了支持。

注释:
1) ● An autonomous celestial navigation method based on the observations of the relativistic perturbations of starlight for deep space probes is presented. ● The feasibility of the presented method is investigated via the calculation of the Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) of the relativistic navigation system. ● A novel Q-learning extended Kalman filter (QLEKF) is designed to optimize the navigation filtering parameters adaptively.

English Abstract

熊凯, 魏春岭, 李连升, 周鹏. 深空探测器相对论导航方法[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230011
引用本文: 熊凯, 魏春岭, 李连升, 周鹏. 深空探测器相对论导航方法[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230011
XIONG Kai, WEI Chunling, LI Liansheng, ZHOU Peng. Relativistic Navigation Method for Deep Space Probes[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230011
Citation: XIONG Kai, WEI Chunling, LI Liansheng, ZHOU Peng. Relativistic Navigation Method for Deep Space Probes[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230011
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