一种基于传感器组合优选的深空自主导航方法及系统

本技术涉及深空探测自主导航，特别涉及一种基于传感器组合优选的深空自主导航方法及系统。

背景技术：

1、深空探测任务具有轨道周期长、通信时延大及地面测控资源受限等特点，具备高自主性、高精度的星载自主导航能力是保障探测器安全运行与任务执行的关键。为适应深空极端复杂的空间环境，现代深空探测器通常不再依赖单一传感器体制，而是广泛采用由惯性测量单元（imu）、星敏感器、太阳敏感器、可见光/红外相机以及物理场测量仪器（如磁强计、引力梯度仪等）构成的多源异构传感器融合导航系统。

2、然而，现有深空多源信息融合导航技术在深空极端未知环境下的实际应用中仍面临以下问题：

3、第一，缺乏面向动态复杂空间环境的传感器量测组合自主优选机制。深空飞行过程中，探测器的空间几何关系、外部光照以及空间物理场梯度剧烈变化。例如在探测器飞入天体阴影区、面临微弱反光或遭受强烈太阳杂光直射时，目标天体光学成像质量可能出现严重退化甚至暂时失效；星敏感器在强光眩目或视场受阻时星点提取能力会大幅受限；而引力梯度仪、磁强计等场敏感器其信号信噪比亦与探测器距天体表面的距离和局部物理场梯度高度相关。现有的融合导航方法通常采用静态、固定的传感器工作配置或被动的通道故障检测策略，所有可用传感器常态化参与数据融合，无法根据当前空间状态对各传感器的系统可观测度贡献以及星载算力、功耗代价进行动态量化与权衡。这不仅消耗了宝贵的星载计算与能量资源，更极易将处于退化边缘的低信噪比观测信息引入系统，造成不必要的噪声污染甚至降低导航基准精度。

4、第二，多源异构信息融合架构难以在高精度与低算力消耗之间取得平衡。现有多源融合算法主要分为集中式与分布式两类。集中式滤波虽然理论上能维持状态间完整的交叉协方差并逼近全局最优估计，但由于深空传感器采样频率异构，状态与量测维度极高，其矩阵求逆与协方差更新的计算量随传感器数量呈几何级数增长，深空有限的星载芯片算力难以满足其实时性要求，且其单一滤波器结构容错隔离能力极差；传统的分布式滤波虽然通过子滤波器解耦降低了单点算力并提供了故障隔离度，但在深空高动态、非线性强耦合环境下，局部子滤波器常因信息利用不充分或动力学模型不精确，导致全局合成精度显著劣于集中式滤波。

5、第三，目标天体物理场弱先验模型与探测器状态强耦合，制约了深空深层次环境探测与精密定轨。在海王星等未知或低勘探度深空天体探测任务中，目标天体的引力场球谐系数、内部质量分布及磁场拓扑等物理场参数往往先验精度极低甚至未知。此时，探测器的轨道状态演化高度依赖天体物理场模型，而反演物理场参数又必须以精确的探测器空间位姿为基准，二者互为输入与约束，构成了强非线性、强耦合系统。传统的导航方法将物理场模型视为已知标称量输入，在先验模型失真时极易导致动力学推演失真与状态估计发散；若直接将未知物理场参数全部增广至状态向量中进行联立估计，则在任务初始阶段又会因初始可观测性不足、非线性度极高而引发数值奇异或滤波崩溃。

6、综上所述，如何根据系统可观测度与星上资源约束，实时、自主地动态优选最优的传感器量测子集，并在轻量化、高精度的两级融合框架下，有效实现深空状态与未知物理场参数的解耦协同估计，是当前深空自主导航领域亟待解决的关键难题。

技术实现思路

1、本技术的目的在于，克服现有技术中深空多源信息融合导航集中式计算量大、传统分布式精度不足，且在未知天体物理场先验精度受限时，航天器运动状态与物理场参数强耦合导致初始不可观测或滤波发散的问题，从而提供一种基于传感器组合优选的深空自主导航方法及系统。

2、为解决上述技术问题，本技术的技术方案所提供的一种基于传感器组合优选的深空自主导航方法，包括：

3、获取多源异构系统的量测数据并进行预处理，计算各候选传感器组合的优化目标函数值，将所述优化目标函数值最大的候选传感器组合确定为传感器组合；

4、对所述传感器组合中的几何与运动学敏感器量测数据以及太阳敏感器的量测数据进行分布式底层预处理，得到各分支的局部状态估计值及其协方差矩阵；将所述各分支的局部状态估计值及其协方差矩阵和空间物理场敏感器的量测数据输入主滤波器，基于增广状态向量、演化式轨道动力学约束和强耦合量测模型，采用信息滤波的形式进行全局弹性融合，进行集中式全局联合估计；

5、以所述全局联合估计中的初始基准短弧轨道为先验，根据当前可观测度条件对物理场参数进行分步释放标定，得到引力场参数误差增量和磁场参数误差增量，基于引力场参数误差增量对轨道动力学模型进行更新，基于磁场参数误差增量对磁场量测预测模型进行更新，得到更新后的理论量测数据；

6、对所述更新后的理论量测数据和实际量测数据进行一致性校验；当一致性校验的检验量小于等于预设容许门限时，输出探测器导航状态和最终标定的物理场参数；当一致性校验的检验量大于预设容许门限时，触发容错隔离机制，调整当前物理场量测数据的量测噪声协方差和融合权重，基于后续量测数据进行全局联合估计和一致性校验。

7、根据本发明提供的一种基于传感器组合优选的深空自主导航方法，所述获取多源异构系统的量测数据并进行预处理，所述预处理具体包括：

8、通过状态空间模型对所述多源异构系统的量测数据进行解析，所述状态空间模型的表达式为：

9、；

10、其中，为系统状态向量对时间的一阶导数，为向量值函数，为系统状态向量，为系统输入向量，为第个传感器的量测输出，为非线性量测函数，和分别为过程噪声和量测噪声，为时间变量。

11、根据本发明提供的一种基于传感器组合优选的深空自主导航方法，所述计算各候选传感器组合的优化目标函数值，具体包括：

12、构建各候选传感器组合的fisher信息矩阵，基于多源异构系统的运动状态、所述fisher信息矩阵和各候选传感器的星载计算代价与功耗代价，然后通过优化目标函数进行计算，所述优化目标函数的表达式为：

13、；

14、其中，为候选传感器集合，为所述各候选传感器的fisher信息矩阵，为全部可用传感器集合，为调用第个传感器的计算代价与功耗成本，和为自适应权重系数；

15、所述各候选传感器的fisher信息矩阵的表达式为：

16、；

17、其中，为量测方程的雅可比矩阵，为量测噪声协方差矩阵，为转置；

18、所述雅可比矩阵通过对所述非线性量测函数关于状态求偏导得到，其表达式为：

19、；

20、其中，为当前时刻的系统状态估计值；

21、所述非线性量测函数由非线性量测方程在当前状态估计附近作泰勒展开得到，其一阶表达式为：

22、。

23、根据本发明提供的一种基于传感器组合优选的深空自主导航方法，所述分布式底层预处理通过并行工作的若干局部分布式滤波器完成，所述局部分布式滤波器包括：

24、第一局部分布式滤波器，通过预积分对比力与角速度测量进行时间积分降维，得到局部相对轨道运动状态估计值和对应的局部协方差矩阵；

25、第二局部分布式滤波器，通过建立姿态融合滤波回路，在线估计并实时修正陀螺仪常值零偏与积分角度漂移，得到惯性姿态状态估计值和对应的局部姿态协方差矩阵；

26、第三局部分布式滤波器，通过太阳方向矢量构建对航天器特定轴向的确定性指向约束，结合所述预积分后的角速度建立降维滤波回路，实时校正陀螺仪在垂直于太阳矢量方向的漂移误差，得到太阳视线参考姿态状态估计值及对应的局部协方差矩阵。

27、根据本发明提供的一种基于传感器组合优选的深空自主导航方法，所述进行集中式全局联合估计，具体包括：

28、在所述主滤波器内，采用信息滤波的形式进行全局弹性融合，所述全局弹性融合的更新规则为：

29、；

30、其中，和分别为降维后的局部最优状态估计值及协方差矩阵，为主滤波器在量测更新前的预测信息矩阵，为主滤波器在量测更新前的预测信息向量，为参与全局融合的局部滤波器分支编号，为参与全局融合的局部滤波器分支总数，为基于系统可观测度优化分配的局部自适应融合权重；为由引力梯度仪张量量测与磁强计矢量量测构成的全局物理场量测向量，和分别为对应的全局量测雅可比矩阵与量测噪声协方差矩阵；为针对物理场全局量测引入的弹性调节因子，为转置。

31、根据本发明提供的一种基于传感器组合优选的深空自主导航方法，所述增广状态向量的表达式为：

32、；

33、其中，和分别为探测器在中心天体惯性系下的位置与速度，为姿态四元数，和分别为加速度计和陀螺仪的零偏，为目标天体引力场参数误差增量；为目标天体磁场参数误差增量，为转置；

34、所述强耦合量测模型基于引力梯度仪和磁强计构建：

35、所述引力梯度仪的张量量测方程为：

36、；

37、其中，为目标天体引力梯度张量模型，为引力场参数初始值，为姿态四元数，为姿态转换矩阵，为引力梯度仪量测噪声；

38、所述磁强计的矢量量测方程表示为：

39、；

40、其中，为目标天体磁场演化矢量模型，为磁场参数的初始值，为磁强计矢量量测噪声。

41、根据本发明提供的一种基于传感器组合优选的深空自主导航方法，所述根据当前可观测度条件对物理场参数进行分步释放标定，具体包括：

42、在物理场参数的初始标定阶段，固定初始基准短弧段轨道的标称值或限制初始基准短弧段轨道的更新范围，保留轨道状态协方差并将其不确定性传播至物理场参数估计过程；

43、基于所述fisher信息矩阵，对可观测度满足预设阈值的物理场参数进行释放，对可观测度不满足预设阈值的物理场参数，保持先验值，直至可观测度满足预设阈值。

44、根据本发明提供的一种基于传感器组合优选的深空自主导航方法，所述基于引力场参数误差增量对轨道动力学模型进行更新，基于磁场参数误差增量对磁场量测预测模型进行更新，具体包括：

45、将所述引力场参数误差增量叠加至先验标称引力场模型中，对轨道动力学模型进行更新；

46、将所述磁场参数误差增量更新至目标天体磁场演化模型中，对磁场量测预测模型进行更新。

47、根据本发明提供的一种基于传感器组合优选的深空自主导航方法，所述一致性校验包括：

48、将更新后的理论量测数据与实际传感器的观测数据进行对比，构建第时刻的综合量测残差向量，基于所述综合量测残差向量计算归一化马氏距离检验量，并根据卡方分布在预设置信度下的临界值确定容许门限；

49、所述归一化马氏距离检验量的表达式为：

50、；

51、其中，为残差协方差矩阵，为量测矩阵雅可比，为一步预测协方差矩阵，为量测噪声协方差矩阵，为综合量测残差向量；

52、所述综合量测残差向量的表达式为：

53、；

54、其中，与分别为当前时刻引力梯度仪与磁强计的实际量测值；与分别为基于更新后物理场参数计算的理论预测量测值，为第时刻的增广状态向量估计值；

55、当时，输出探测器导航状态及最终标定的高阶物理场参数，其中，为最终标定的目标天体引力场球谐系数向量，为最终标定的目标天体磁场偶极子参数向量；

56、当时，触发容错隔离机制，暂缓更新异常物理场参数并保持上一周期收敛值，基于几何与运动学敏感器的局部状态估计值输出探测器导航状态；增大所述异常物理场量测噪声协方差并见效其融合权重，利用后续量测数据重新进行全局联合估计和一致性校验，得到新的归一化马氏距离检验量；

57、若，恢复异常物理场参数的更新，若，切断异常物理场的量测通道并降级运行。

58、本发明还提供了一种基于传感器组合优选的深空自主导航系统，用于执行上述任一所述深空自主导航方法，包括：

59、多源异构传感器采集模块，用于获取多源异构系统的量测数据并进行预处理；

60、观测可用性判定与目标/测量信息优选模块，用于构建各候选传感器组合的fisher信息矩阵，基于多源异构系统的运动状态、所述fisher信息矩阵和各候选传感器的星载计算代价与功耗代价，计算各候选传感器组合的优化目标函数值，将所述优化目标函数值最大的候选传感器组合确定为传感器组合；

61、一级局部融合模块，用于对所述传感器组合中的几何与运动学敏感器量测数据以及太阳敏感器的量测数据进行分布式底层预处理，得到各分支的局部状态估计值及其协方差矩阵；

62、二级全局联合估计模块，用于将所述各分支的局部状态估计值及其协方差矩阵和空间物理场敏感器的原始数据输入主滤波器，基于增广状态向量、演化式轨道动力学约束和强耦合量测模型，采用信息滤波的形式进行全局弹性融合，进行集中式全局联合估计；

63、物理场参数估计与模型更新模块，用于以所述全局联合估计中的初始基准短弧轨道为先验，根据当前可观测度条件对物理场参数进行分步释放标定，得到的引力场参数误差增量和磁场参数误差增量，基于引力场参数误差增量对轨道动力学模型进行更新，基于磁场参数误差增量对磁场量测预测模型进行更新，得到更新后的理论量测数据；和

64、闭环一致性校验与导航输出模块，用于对所述更新后的理论量测数据和实际量测数据进行一致性校验；当一致性校验的检验量小于等于容许门限时，输出探测器导航状态和最终标定的物理场参数；当一致性校验的检验量大于容许门限时，触发容错隔离机制，调整当前物理场量测数据的量测噪声协方差和融合权重，基于后续量测数据进行全局联合估计和一致性校验。

65、与现有技术相比，本技术的优点在于：

66、1、本发明提出了基于可观测度最优的多源异构信息自主优选方法：通过构建组合fisher信息矩阵，设定综合权衡可观测度与计算成本的多目标优化准则，实现了星上对异构测量信息源与观测目标的实时自主优选，有效避免了深空复杂环境下无效冗余计算及噪声污染。

67、2、本发明构建了演化式轨道动力学约束与弹性两级融合架构：突破了传统深空导航严重依赖已知高阶先验模型的局限。在底层利用分布式局部滤波实现视觉/天文惯性预处理与降维；在顶层主滤波器中引入由低阶向高阶自适应升级的演化式动力学约束，结合可观测度分析与物理场弹性权重调节因子，在天文观测存在阴影盲区时依托轨道动力学实现稳定推演，大幅提升了极端空间环境下的系统算力与精度的平衡。

68、3、本发明提出了基于先验引导解耦与闭环容限校验的联合估计方法：针对深空未知天体物理场参数与探测器导航状态强耦合、互为初始约束所导致的不可观测性和滤波发散问题，构建了由低阶先验几何引导启动、物理场逆向构建标定、动力学模型升级更新至闭环迭代收敛的序贯解耦策略。通过引入基于归一化马氏距离与卡方分布门限的偏差容许范围定量判别机制，实现了在量测偏差超出容限时的自适应闭环反馈迭代求解，以及在满足容限要求时的平稳输出。该方法保证了探测器在复杂深空环境下的高精度自主定轨与姿态确定，赋予了探测器在未知深空环境中自适应反演高精度物理场参数的能力。