视线测量光学导航系统观测模型选取

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1、中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2013年8月第4期视线测量光学导航系统观测模型选取李建国1’2崔祜涛1田阳1(1哈尔滨工业大学深空探测基础研究中心，哈尔滨150080)(2中国人民解放军61345部队，西安710010)摘要在基于视线矢量观测的自主光学导航系统中，观测模型的非线性是影响导航精度的一个重要因素。通过定量计算观测模型的非线性强度，研究了视线测量光学导航系统测量模型的选取问题。文章基于透射投影模型的共线性方程，给出了两种视线矢量观测模型的导航测量方程及测量噪声统计特性。在扩

2、展卡尔曼滤波框架内深入分析了观测模型非线性对导航性能的影响。并利用微分几何非线性曲率测量理论，定量比较了两种观测模型的非线性强度。最后以基于视线矢量观测的姿态确定系统为例，仿真验证了非线性曲率测量与导航性能的一致性，结果表明基于单位矢量观测模型的光学导航系统具有更高的估计精度和更快的收敛特性。关键词光学导航观测模型曲率测量非线性强度深空探测DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2013．04．0031引言随着光学敏感器的发展，视线测量自主光学导航技术在太空任务特别是深空探测领域中得到了广泛的关注¨一。导航系统对光

3、学设备的依赖使得选取高精度的测量敏感器成为必要。但当存在较高的测量精度时，测量模型非线性与测量噪声对导航性能的影响是同等重要的，特别在初始状态估计误差较大的情况下，忽略测量模型非线性高阶项会使滤波算法发散或收敛到错误的状态估计值_]。因此，对于高精度测量设备，测量模型非线性对导航精度的作用至关重要。基于局部线性化的扩展卡尔曼滤波(ExtendedKalmanFilter，EKF)已被成功用于众多导航系统来处理非线性滤波问题口]。作为一种近似非线性滤波器，EKF假设系统的非线性模型可以由当前状态展开的线性模型很好的近似。因此为了使EK

4、F获得最优的滤波性能，应该尽可能选择非线性强度弱的测量模型，并对非线性高阶项进行补偿。尽管导航系统可以考虑更先进的非线性滤波算法，但任务的实时性使得粒子滤波(ParticleFiltering，PF)不适合工程要求¨j，无迹卡尔曼滤波(UnscentedKalmanFilter，UKF)需要在线调节滤波参数，不一定能在实际应用中取得满意的效果聃]。所以在导航系统设计时，定量测量非线性估计问题中模型的非线性强度，可以为导航系统设计时测量模型和滤波算法的选择提供参考。光学敏感器测量模型主要分为焦平面测量模型和单位矢量测量模型[7]。焦平

5、面测量模型直接与实际的物理观测量和测量噪声相关联，是光学敏感器基本的测量模型。单位矢量测量模型由共线方程非线性转换得到，并对测量噪声统计特性进行了简化[8]，广泛应用于姿态确定算法中。文献[9]认为单位矢量测量模型比焦平面测量模型非线性强度低，可以产生更好的估计性能。但其结论建立在单个例子的仿真分析上，缺乏理论分析和通用性。国家自然科学基金(601174201)，国家973计划(2012cB720000)资助项目收稿日期：2012—1010。收修改稿日期：201301一07!!!!生!旦生里窒!里型兰堇查!!本文基于微分几何非线性强

6、度测量理论口0

7、，从理论上分析了不同测量模型的非线性强度，并以基于视线矢量观测的高精度定姿任务为例，比较了两种测量模型对滤波精度的影响，最后通过仿真验证了理论分析结果。2视线测量光学导航算法2．1观测方程假设视线矢量测量由导航相机给出，对其测量模型作如下简化处理：相机坐标系的Z轴沿着视轴方向；飞行器体坐标系与相机坐标系重合；导航相机视为理想的小孔成像相机；测量噪声建模为独立的零均值高斯白噪声。导航相机通过测量天体视线方向偏离视轴的方位角来确定飞行器位姿，图1给出了测量原理图m]。飞行器位置、姿态与观测量之间的关系可由式(1)给出。P

8、一一f鱼b1一JA31P一一f鱼b2一JA31X．一zx；一z+A12(1，，一y+A32(y：一y+A22@：一y+A32(y：一y+A13(Z。一z+A33(Z：一z+A23(Z，一z+A33(Zi—z式中(}。，}。)是天体视线方向在焦平面上的投影值；(x：，Y；，Z。)是已知的天体位置；(z，y，2)是未知的飞行器的位置；A，，(i，J一1，2，3)为姿态矩阵A的各分量；f为已知的导航相机焦长，一般假设其值为1。如果目标天体位于无穷远处，式(1)简化为星敏感器共线测量方程。在考虑测量噪声的情况下，是时刻的焦平面测量模型可表示

9、为y}一知(x)+，，^豳+m图1相机测量几何Measurementgeometricsketchotcamera式中Y。为目标天体在焦平面上的测量值；^(x)为测量函数，X为飞行器的状态矢量；tI。为零均值高斯白噪声，在实际工程应用