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非线性滤波算法研究及其在卫星高精度定轨中的应用

作 者: 郭雪姣
导 师: 周海银
学 校: 国防科学技术大学
专 业: 数学
关键词: 非线性滤波算法 卫星轨道确定 UKF 自适应估计 改进UKF
分类号: TN713
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
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内容摘要


卫星轨道确定是从含有误差的观测数据中按照卫星动力学模型约束条件提取卫星轨道信息的过程。以卫星轨道实时确定为背景的估计问题,可以看作是非线性滤波问题。如何在已有的系统硬件设备的基础上提高卫星轨道实时确定精度,通常的解决方法是根据实际工程背景设计适当的非线性滤波方法。本文主要针对卫星高精度实时定轨展开非线性滤波方法的研究,通过改进UKF滤波算法来克服目前定轨中遇到的问题,以满足高精度性能指标要求。本文以非线性滤波的发展为主线,以Bayes滤波为出发点,从滤波的思想到方法技术实现,由浅入深地讨论各种非线性滤波方法,总结并以图表的形式展示了不同方法之间的联系和区别,并且简要介绍了低轨卫星实时定轨基础。为了达到高精度的目标,选择非线性滤波方法中的UKF算法作为主要研究方向。本文提出了用矩阵的Euclidean范数来描述滤波过程中滤波预测方差阵和滤波增益矩阵的变化规律,探究了造成滤波发散的主要原因。在此基础上,本文主要研究了不同情况下的改进UKF算法。(1)对于系统噪声和观测噪声不确定的情况下,在动力学模型存在大的状态噪声时,采用Sage-Husa自适应UKF方法在一定程度上进行了补偿,减小了滤波误差。(2)其次,在力学模型和观测不精准、Kalman滤波框架的增长记忆等多重因素导致滤波发散的情况下,利用增大滤波增益矩阵的改进UKF算法。以星载GPS的卫星轨道确定为背景进行仿真实验,仿真结果表明,该算法对于增益矩阵的下降引起的滤波发散现象有很好的抑制作用,明显地提高了定轨精度。

全文目录


图表目录  6-8
摘要  8-9
ABSTRACT  9-10
第一章 绪论  10-20
  1.1 研究背景与意义  10-11
  1.2 非线性滤波算法理论研究概况与进展  11-17
    1.2.1 卡尔曼滤波技术的发展与现状  11-12
    1.2.2 非线性滤波技术的发展  12-15
    1.2.3 非线性滤波技术在卫星轨道确定中的应用  15-16
    1.2.4 有待解决的问题和发展趋势  16-17
  1.3 本文的主要工作与结构安排  17-20
    1.3.1 主要研究内容和创新成果  17-18
    1.3.2 论文结构安排  18-20
第二章 非线性滤波算法理论  20-30
  2.1 概述  20-21
  2.2 Bayes 滤波算法  21-22
  2.3 Kalman 滤波算法  22-23
  2.4 EKF 滤波算法  23-26
  2.5 UKF 算法  26
  2.6 粒子滤波算法  26-27
  2.7 各种非线性滤波方法性能对比  27-30
第三章 低轨卫星实时定轨基础  30-36
  3.1 主要坐标系统  30-31
  3.2 坐标系转换  31
  3.3 低轨卫星动力学模型  31-36
    3.3.1 地球非球形引力摄动  32
    3.3.2 大气阻力摄动  32-33
    3.3.3 太阳光压摄动  33-36
第四章 基于UKF 的实时定轨方法研究  36-50
  4.1 UT 变换与UKF 算法的提出  36-38
  4.2 UT 变换的基本思路与基本方法  38-40
  4.3 UT 变换的衍变形式  40-44
  4.4 UKF 算法  44-50
    4.4.1 一般UKF 算法  44-46
    4.4.2 扩展UKF 算法  46-47
    4.4.3 影响UKF 精度的主要因素  47-50
第五章 改进的UKF 算法研究  50-68
  5.1 自适应UKF 算法  50-57
    5.1.1 建模不精准的自适应UKF 算法  50-53
    5.1.2 动力学模型补偿算法  53-55
    5.1.3 仿真分析  55-57
  5.2 抑制发散的改进UKF 算法  57-66
    5.2.1 对预测方差阵施加影响的改进UKF 算法  58-59
    5.2.2 对测量噪声施加影响的改进UKF 算法  59-60
    5.2.3 仿真结果及发散原因对比分析  60-66
  5.3 本章小结  66-68
总结与展望  68-70
致谢  70-72
参考文献  72-76
附录  76

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 滤波技术、滤波器
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