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UKF容错滤波在脉冲星组合导航中的应用

杨成伟;郑建华;高东

【摘要】针对X射线脉冲星组合导航系统中测量野值导致的导航精度下降问题,利

用基于残差正交性的UnscentedKalmanFilter(UKF)容错滤波方法进行野值修正.

在深空巡航段,采用基于X射线脉冲星和太阳观测的组合导航方式,用X射线探测器

测量脉冲星光子到达时间,利用太阳敏感器测量太阳视线方向矢量,并利用联邦滤波

结构进行信息融合.仿真结果表明,基于UKF的容错滤波算法在脉冲星组合导航系统

的应用中,能够对野值进行实时修正,避免了导航精度下降,提高了系统的鲁棒性和工

程实用价值.

【期刊名称】《中国惯性技术学报》

【年(卷),期】2014(022)006

【总页数】4页(P759-762)

【关键词】脉冲星;太阳敏感器;UKF滤波;野值检测;容错滤波

【作者】杨成伟;郑建华;高东

【作者单位】北京理工大学机电学院,北京100081;中国科学院空间科学与应用研

究中心,北京100190;中国科学院空间科学与应用研究中心,北京100190

【正文语种】中文

【中图分类】V448.224

在深空探测活动中，往往存在时间延迟和精度不高的问题，而且地面测控资源有限，

因此深空探测需要自主导航技术的支撑。X射线脉冲星自主导航技术具有高精度、

高自主性的特点，是一种很有应用前景的航天器自主导航技术。该技术也将在美国

宇航局NICER任务[1]中得到验证，我国也在积极开展相关的研制工作[2]。

然而，在长时间的深空飞行中，由于空间中太阳活动、宇宙射线、星际尘埃、元件

故障等多种未知因素的影响，导航敏感器得到的探测信息中很容易存在野值，导致

滤波结果变差，甚至发散，严重影响航天器在深空中的自主飞行安全。因此，需要

研究基于野值检测和信息修正的容错滤波方法在X射线脉冲星自主导航中的应用。

目前对X射线脉冲星自主导航容错滤波方法的研究仍相对较少。文献[3]利用鲁棒

滤波修正星表误差，但没有考虑野值因素的影响。文献[4]利用脉冲星和捷联惯导

组成组合导航系统，考虑了天体遮挡因素，利用联邦EKF滤波进行导航，但捷联

惯导误差随时间漂移，有应用的局限性。本文采用X射线脉冲星和太阳敏感器组

成组合导航系统，其误差不随时间漂移，利用基于残差正交性的UKF滤波方法

(residualorthogonalunscentedKalmanfilter，ROUKF）进行野值检测。仿真

结果表明，该方法在X射线脉冲星组合导航系统容错滤波中，能有效进行野值诊

断和修正，为未来的工程化应用提供了借鉴。

1.1巡航段轨道动力学模型

在执行深空任务时，由于航天器在星际巡航段的飞行时间最长，遇到的复杂情况相

对较多，因此选取深空巡航段的导航任务作为研究对象。

在深空巡航段，常将坐标系建立在太阳质心J2000惯性坐标系中，除太阳中心引

力外，还要考虑大行星的摄动引力和太阳光压作用。其轨道动力学方程为[5]：

式中：r和v分别为航天器在太阳质心J2000惯性坐标系中的位置及速度；μs为

太阳引力常数；np为摄动引力的数目，考虑了太阳系内所有大行星的引力；μi

为行星的引力常数；rri为第i颗行星相对于航天器的位置；rpi为第i颗行星在太

阳质心惯性坐标系中的位置；A为航天器受到太阳辐射压的面积；G为太阳光压系

数；m为航天器质量；a为未建模的其他摄动力。

导航系统中的状态变量取为航天器在太阳质心J2000惯性坐标系中的位置矢量和

速度矢量，即

其中，

1.2X射线脉冲星观测模型

X射线脉冲星高稳定的辐射周期和累积脉冲轮廓是高精度自主导航的基础。X射线

光子到达时间可以被记录下来，通过时间转换将该时间转化为光子到达太阳系质心

的时间，通过历元折叠可以得到某一历元的累积脉冲轮廓。时间转换方程为[6]：

式中，tSSB为经转换后到达太阳系质心的时间，tSC为光子到达X射线探测器的

时间，n为太阳系质心J2000坐标系中脉冲星的方向矢量，α和λ为脉冲星的赤

经和赤纬，rsun为太阳在太阳系质心坐标系中的位置，c为光速，D0为太阳系

质心到脉冲星的距离，b为太阳系质心在太阳质心J2000惯性坐标系中的位置。

通过脉冲星数据库，可以预测获得同一历元在太阳系质心处的累积脉冲轮廓，通过

长期观测，可以得到X射线脉冲星的相位模型：

式中，为t时刻的相位，为t0时刻的初始相位，ν、ν˙和ν˙分别为