中文核心期刊

中国科技核心期刊

中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊

中国高校百佳科技期刊

中国宇航学会深空探测技术专业委员会会刊

高级检索

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

火星探测器接近段自适应卡尔曼滤波方法

解天昊,张文佳,马辛,宁晓琳

解天昊, 张文佳, 马辛, 宁晓琳. 火星探测器接近段自适应卡尔曼滤波方法[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230014
引用本文: 解天昊, 张文佳, 马辛, 宁晓琳. 火星探测器接近段自适应卡尔曼滤波方法[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230014
XIE Tianhao, ZHANG Wenjia, MA Xin, NING Xiaolin. An Adaptive Kalman Filter for Mars Spacecraft Approach Phase[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230014
Citation: XIE Tianhao, ZHANG Wenjia, MA Xin, NING Xiaolin. An Adaptive Kalman Filter for Mars Spacecraft Approach Phase[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230014

火星探测器接近段自适应卡尔曼滤波方法

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230014
基金项目:国家重点大学基础研究(YWF-19-BJ-J-307,YWF-19-BJ-J-82,YWF-22-L-835)
详细信息
    作者简介:

    解天昊(1999− ),男,硕士研究生,主要研究方向:天文导航技术。通信地址:北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院(100191)电话:13777591982E-mail:xietianhao@buaa.edu.cn

    宁晓琳(1979− ),女,教授,博士生导师,主要研究方向:航天器、深空探测器自主导航技术。本文通信作者。通信地址:北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院(100191)E-mail:ningxiaolin@buaa.edu.cn

  • ● An adaptive Cubature Kalman Filter Based on System Noise Covariance Adjustment(AQCKF)is proposed by introducing weighting factor. ● It solves the problem of diverging results from CKF methods. ● The influence of weighted factor on navigation accuracy is analyzed and evaluated.
  • 中图分类号:V448.22

An Adaptive Kalman Filter for Mars Spacecraft Approach Phase

  • 摘要:在深空探测器实际作业中,由于存在过程噪声与测量噪声,通常使用卡尔曼滤波作为最优估计方法。当深空探测器处于接近段时,探测器加速度急剧变化,导航系统过程噪声不确定性增大,无法准确得知过程噪声协方差。针对上述问题,提出了一种自适应调节协方差矩阵的容积卡尔曼滤波(Adaptive Cubature Kalman Filter Based on System Noise Covariance Adjustment,AQCKF)方法,综合考虑上一时刻过程噪声协方差估计值与此时的过程噪声协方差观测值,利用加权因子在线调整噪声协方差优化滤波,并以火星探测器为例进行仿真,仿真结果显示相较于容积卡尔曼滤波方法(Cubature Kalman Filter,CKF),AQCKF方法的平均位置误差10.235 9 km,平均速度误差0.322 4 m/s。该方法不仅能够解决误差发散的问题,而且还可提升导航系统的稳定性。此外,还分析了加权因子大小对导航性能的影响,有效地解决了深空探测器处于接近段时导航精度降低的问题。
    Highlights
    ● An adaptive Cubature Kalman Filter Based on System Noise Covariance Adjustment(AQCKF)is proposed by introducing weighting factor. ● It solves the problem of diverging results from CKF methods. ● The influence of weighted factor on navigation accuracy is analyzed and evaluated.
  • 图 1恒星与导航天体之间的角

    Fig. 1The Angle between the star and the navigation object

    图 2过程噪声协方差

    Fig. 2Process Noise Covariance

    图 3CKF方法滤波结果

    Fig. 3CKF method filtering results

    图 4AQCKF方法滤波结果

    Fig. 4AQCKF method filtering results

    图 5加权因子系数取值对位置和速度误差影响

    Fig. 5Influence of weighting factor coefficient on position and velocity errors

    表 1火星探测器轨道参数

    Table 1Mars probe orbit parameters

    轨道参数 数值
    半长轴a’/108km 1.932
    偏心率e 0.236 4
    轨道倾角i/(°) 23.455
    升交点赤经/(°) 0.258
    近地点角距/(°) 71.347
    真近角点/(°) 85.152
    接近火星时间 1997年1月4日 17时03分13.000秒
    下载: 导出CSV

    表 2光学传感器参数

    Table 2Optical sensor parameter

    传感器参数 数值
    焦距f/mm 2013.4
    视场角 FOV/mrad 10×10
    分辨率R/(rad·pixel–1 10
    CCD平面大小/pixel 1 024×1 024
    像素大小/m 21
    下载: 导出CSV

    表 3AQCKF的滤波结果

    Table 3AQCKF filtering results

    滤波方法 平均位置误差/km 最大位置误差/km 平均速度误差/(m·s–1) 最大速度误差/(m·s–1)
    AQCKF 10.235 9 162.985 6 0.322 4 10.066 4
    下载: 导出CSV

    表 4AQCKF的50次仿真结果

    Table 450 simulation results of AQCKF

    滤波方法 平均位置误差均值/km 最大位置误差均值/km 平均速度误差均值/(m·s–1) 最大速度误差均值/(m·s–1)
    AQCKF 10.235 9 162.985 6 0.322 4 10.066 4
    下载: 导出CSV

    表 5加权因子系数对导航性能的影响

    Table 5The influence of weighted factor coefficient on navigation performance

    w 平均位置误差/km 最大位置误差/km 平均速度误差/(m·s–1) 最大速度误差/(m·s–1)
    1 10.007 8 164.803 1 0.342 2 10.109 6
    5 10.076 1 162.766 4 0.324 9 10.071 4
    10 10.235 9 162.985 6 0.322 4 10.066 4
    50 10.5848 163.534 0 0.320 2 10.062 4
    100 10.6502 163.641 3 0.319 0 10.061 9
    300 10.6497 163.719 2 0.316 5 10.061 5
    下载: 导出CSV
  • [1] 房建成, 宁晓琳, 田玉龙. 航天器自主天文导航原理与方法[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006.2: 137.
    [2] 薛喜平,张洪波,孔德庆. 深空探测天文自主导航技术综述[J]. 天文研究与技术,2017,14(3):382-391.doi:10.14005/j.cnki.issn1672-7673.20161108.004

    XUE X P,ZHANG H B,KONG D Q. Celestial autonomous navigation technology for deep space exploration[J]. Astronomical Research and Technology,2017,14(3):382-391.doi:10.14005/j.cnki.issn1672-7673.20161108.004
    [3] BHASKARAN S. Optical navigation for the stardust wild2 encounter[C]//Proceedings of the 18th International Symposium on Space Flight Dynamics . German: ESA, 2004.
    [4] 戴文战,黄晓姣,沈忱. 带遗忘因子的自适应迭代容积卡尔曼滤波算法[J]. 科技通报,2019,35(1):181-185.doi:10.13774/j.cnki.kjtb.2019.01.036

    DAI W Z,HUANG X J,SHEN C. Adaptive iterative cubature kalman filtering algorithm with forgetting factor[J]. Bulletin of Science and Technology,2019,35(1):181-185.doi:10.13774/j.cnki.kjtb.2019.01.036
    [5] 李建锋,张慧星,闫美辰. 迭代扩展卡尔曼滤波在相对姿态估计中的应用[J]. 导弹与航天运载技术,2012(6):48-52.

    LI J F,ZHANG H X,YAN M C. Application of Iterative Extended Kalman filter in relative attitude estimation[J]. Missiles and Space Vehicles,2012(6):48-52.
    [6] JULIER S J,UHLMANN J K. Unscented filtering and nonlinear estimation[J]. Proceeding of the IEEE,2004,92(3):401-422.doi:10.1109/JPROC.2003.823141
    [7] JIA B, XIN M, PHAM K, et al. Multiple sensor estimation using a high-degree cubature information filter[C]//Proceedings of Sensors and Systems for Space Applications VI. Baltimore, Maryland: SPIE, 2013.
    [8] ARASARATNAM I,HAYKIN S. Cubature Kalman filters[J]. IEEE Transactions on Automatic Control,2009,54(6):1254-1269.doi:10.1109/TAC.2009.2019800
    [9] BAR S Y, LI X R, KIRUBARAJAN T. Estimation with application to tracking and navigation[M]. New York: John Wiley & Sons Inc, 2001.
    [10] 吴伟仁, 王大轶, 宁晓琳. 深空探测器自主导航原理与技术[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2011: 122.

    WU W R, WANG D Y, NING X L. Principle and technology of autonomous navigation of deep space probe[M]. Beijing: China Aerospace Press, 2011: 122.
    [11] 张文佳,马辛. 深空探测器接近段自主导航的滑动窗口自适应滤波方法[J]. 上海交通大学学报,2022,56(11):1461-1469.doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.233

    ZHANG W J,MA X. A sliding window adaptive filtering method for autonomous navigation of deep space probe in approach segment[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University,2022,56(11):1461-1469.doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.233
    [12] 王广玉,窦磊,窦杰. 基于自适应卡尔曼滤波的多目标跟踪算法[J]. 计算机应用,2022,42(S1):271-275.

    WANG G Y,DOU L,DOU J. Multi-target tracking algorithm based on adaptive Kalman filter[J]. Journal of Computer Applications,2022,42(S1):271-275.
    [13] 宁晓琳,李卓,黄盼盼,等. 火星探测器捕获段自适应卡尔曼滤波方法[J]. 深空探测学报(中英文),2016,3(3):237-245.

    NING X L,LI Z,HUANG P P,et al. Adaptive Kalman filtering method for acquisition segment of Mars probe[J]. Journal of Deep Space Exploration,2016,3(3):237-245.
    [14] 丁家琳,肖建. 基于极大后验估计的自适应容积卡尔曼滤波器[J]. 控制与决策,2014,29(2):327-334.doi:10.13195/j.kzyjc.2012.1770

    DING J L,XIAO J. Adaptive cubature kalman filter based on maximum a posteriori estimation[J]. Control and Decision,2014,29(2):327-334.doi:10.13195/j.kzyjc.2012.1770
    [15] ZHOU Q F,ZHANG H,LI Y,et al. An adaptive low cost GNSS/MEMS-IMU tightly coupled integration system with aiding measurement in a GNSS signal challenged environment[J]. Sensors,2015,15(9):23953-23982.doi:10.3390/s150923953
    [16] HU C W,CHEN W. Adaptive Kalman filtering for vehicle navigation[J]. Journal of Global Positioning System,2003,2(1):227-233.
    [17] 张文玲,朱明清,陈宗海. 基于强跟踪UKF的自适应SLAM算法[J]. 机器人,2010,32(2):190-195.doi:10.13973/j.cnki.robot.2010.02.013

    ZHANG W L,ZHU M Q,CHEN Z H. Adaptive SLAM algorithm based on strong tracking UKF[J]. Robot,2010,32(2):190-195.doi:10.13973/j.cnki.robot.2010.02.013
    [18] 张抒扬,董鹏,敬忠良. 变分贝叶斯自适应容积卡尔曼的SLAM算法[J]. 哈尔滨工业大学学报,2019,51(4):12-18.doi:10.11918/j.issn.0367-6234.201801013

    ZHANG S Y,DONG P,JING Z L. SLAM algorithm based on Bayesian adaptive volume Kalman[J]. Journal of Harbin Institute of Technology,2019,51(4):12-18.doi:10.11918/j.issn.0367-6234.201801013
    [19] LEE D J, ALFRIEND K. Adaptive sigma point filtering for state and parameter estimation[C]//AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference and Exhibit. Providence, Rhode Island: AIAA, 2004.
    [20] BUSSE F D,HOW J P,SIMPSON J. Demonstration of adaptive extended Kalman filter for low-Earth-orbit formation estimation using CDGPS[J]. Navigation,2003,50(2):79-93.doi:10.1002/j.2161-4296.2003.tb00320.x
  • [1] 毛维杨, 王彬, 柳景兴, 熊新.基于强化学习的深空探测器自主任务规划方法. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220049
    [2] 熊凯, 魏春岭, 李连升, 周鹏.深空探测器相对论导航方法. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230011
    [3] 桂明臻, 魏一丰, 宁晓琳.考虑相对论效应的火星探测器天文测角导航. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230001
    [4] 徐瑞, 李朝玉, 朱圣英, 王棒, 梁子璇, 尚海滨.深空探测器自主规划技术研究进展. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210039
    [5] 傅惠民, 杨海峰, 文歆磊.自识别自校准Kalman滤波方法. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.013
    [6] 王大轶, 符方舟, 孟林智, 李文博, 李茂登, 徐超, 葛东明.深空探测器自主控制技术综述. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.002
    [7] 马辛, 宁晓琳, 刘劲, 刘刚.一种平面约束辅助测量的深空探测器自主天文导航方法. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.03.014
    [8] 欧阳威, 张洪波, 郑伟.环火星自主导航系统设计及参数优化研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.007
    [9] 徐照钱, 赵方方, 陈翠桥.模糊灰色聚类评估方法在导航滤波中的应用. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.0011
    [10] 张国万, 李嘉华.冷原子干涉技术原理及其在深空探测中的应用展望. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.002
    [11] 郑伟, 张璐, 王奕迪.基于星联网的深空自主导航方案设计. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.005
    [12] 王亚敏, 刘银雪, 蒋峻, 孙煜坤, 张永合.基于引力场不对称性的三体系统轨道自主导航. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.004
    [13] 陈晓, 尤伟, 黄庆龙.火星探测巡航段天文自主导航方法研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.03.003
    [14] 汪梁, 赵方方, 陈翠桥, 徐照钱.粒子滤波在自主天文导航系统中的性能评估和应用. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.03.008
    [15] 宁晓琳, 李卓, 黄盼盼, 杨雨青, 刘刚, 房建成.火星探测器捕获段自适应卡尔曼滤波方法. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.03.007
    [16] 刘也, 曹建峰.一种基于星载GPS的月球探测器导航算法. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2015.04.003
    [17] 崔平远, 高艾, 于正湜.火星着陆自主导航方案研究进展. 深空探测学报(中英文),
    [18] 魏二虎, 杨洪洲, 张帅, 刘经南, 易慧.脉冲星非实时平差的火星探测自主导航模型. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2014.04.009
    [19] 黄翔宇, 张洪华, 王大铁, 李骥, 关软峰, 王鹏基.“嫦娥三号”探测器软着陆自主导航与制导技术. 深空探测学报(中英文),
    [20] 范双菲, 赵方方, 李夏菁, 唐忠樑, 贺威.基于SINS/CNS组合导航系统的多模型自适应估计算法. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2014.04.005
  • 加载中
计量
  • 文章访问数:21
  • 被引次数:0
出版历程
  • 收稿日期:2023-02-03
  • 修回日期:2023-02-24
  • 网络出版日期:2023-05-09

火星探测器接近段自适应卡尔曼滤波方法

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230014
    基金项目:国家重点大学基础研究(YWF-19-BJ-J-307,YWF-19-BJ-J-82,YWF-22-L-835)
    作者简介:

    解天昊(1999− ),男,硕士研究生,主要研究方向:天文导航技术。通信地址:北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院(100191)电话:13777591982E-mail:xietianhao@buaa.edu.cn

    宁晓琳(1979− ),女,教授,博士生导师,主要研究方向:航天器、深空探测器自主导航技术。本文通信作者。通信地址:北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院(100191)E-mail:ningxiaolin@buaa.edu.cn

  • ● An adaptive Cubature Kalman Filter Based on System Noise Covariance Adjustment(AQCKF)is proposed by introducing weighting factor. ● It solves the problem of diverging results from CKF methods. ● The influence of weighted factor on navigation accuracy is analyzed and evaluated.
  • 中图分类号:V448.22

摘要:在深空探测器实际作业中,由于存在过程噪声与测量噪声,通常使用卡尔曼滤波作为最优估计方法。当深空探测器处于接近段时,探测器加速度急剧变化,导航系统过程噪声不确定性增大,无法准确得知过程噪声协方差。针对上述问题,提出了一种自适应调节协方差矩阵的容积卡尔曼滤波(Adaptive Cubature Kalman Filter Based on System Noise Covariance Adjustment,AQCKF)方法,综合考虑上一时刻过程噪声协方差估计值与此时的过程噪声协方差观测值,利用加权因子在线调整噪声协方差优化滤波,并以火星探测器为例进行仿真,仿真结果显示相较于容积卡尔曼滤波方法(Cubature Kalman Filter,CKF),AQCKF方法的平均位置误差10.235 9 km,平均速度误差0.322 4 m/s。该方法不仅能够解决误差发散的问题,而且还可提升导航系统的稳定性。此外,还分析了加权因子大小对导航性能的影响,有效地解决了深空探测器处于接近段时导航精度降低的问题。

注释:
1) ● An adaptive Cubature Kalman Filter Based on System Noise Covariance Adjustment(AQCKF)is proposed by introducing weighting factor. ● It solves the problem of diverging results from CKF methods. ● The influence of weighted factor on navigation accuracy is analyzed and evaluated.

English Abstract

解天昊, 张文佳, 马辛, 宁晓琳. 火星探测器接近段自适应卡尔曼滤波方法[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230014
引用本文: 解天昊, 张文佳, 马辛, 宁晓琳. 火星探测器接近段自适应卡尔曼滤波方法[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230014
XIE Tianhao, ZHANG Wenjia, MA Xin, NING Xiaolin. An Adaptive Kalman Filter for Mars Spacecraft Approach Phase[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230014
Citation: XIE Tianhao, ZHANG Wenjia, MA Xin, NING Xiaolin. An Adaptive Kalman Filter for Mars Spacecraft Approach Phase[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230014
参考文献 (20)

返回顶部

目录

    /

      返回文章
      返回
        Baidu
        map