了得網工業技術_衛星狀態融合估計理論與方法

內容簡介

《衛星狀態融合估計理論與方法》結合作者多年從事相關科研工作的體會，從狀態融合估計理論、衛星軌道確定中的狀態融合估計、衛星姿態確定中的狀態融合估計三個方面，繫統地研究衛星狀態融合估計的理論、模型、方法和應用。《衛星狀態融合估計理論與方法》以繫統科學理論與應用數學技術為指導，針對衛星軌道和姿態確定中所涉及的工程問題，用數學建模和信息融合的思想統攬全局，將衛星狀態估計問題轉化為參數設計、測量、關聯、優化和估計的問題，在各種優化準則下研究衛星多源軌道確定信息和姿態確定信息的*化融合處理，以提高衛星狀態估計性能。
《衛星狀態融合估計理論與方法》可供應用數學、信號與信息處理、導航工程、控制工程、繫統工程、繫統分析等專業的本科生、研究生閱讀，同時對其他領域從事信息處理與優化的技術或管理人員，以及衛星/導彈測控及相關試驗繫統的工程技術人員具有一定的參考價值。

序
前言
第1章靜態繫統參數估計理論
1.1 經典估計理論
1.1.1 估計、估計準則和估計
1.1.2 小(加權)均方誤差估計
1.1.3 極大似然估計
1.1.4 極大後驗估計
1.1.5 線性小方差無偏估計
1.1.6 小二乘估計
1.2 半參數估計理論
1.2.1 一般概念
1.2.2 基於正則矩陣的補償小二乘估計
1.2.3 參數化逼近的半參數模型估計序
前言
第1章靜態繫統參數估計理論
1.1 經典估計理論
1.1.1 估計、估計準則和估計
1.1.2 小(加權)均方誤差估計
1.1.3 極大似然估計
1.1.4 極大後驗估計
1.1.5 線性小方差無偏估計
1.1.6 小二乘估計
1.2 半參數估計理論
1.2.1 一般概念
1.2.2 基於正則矩陣的補償小二乘估計
1.2.3 參數化逼近的半參數模型估計
1.2.4 算例分析
1.3 抗差估計理論
1.3.1 一般概念
1.3.2 M估計與影響函數
1.3.3 抗差小二乘估計
1.3.4 算例分析
參考文獻
第2章動態繫統狀態濾波理論
2.1 Kalman濾波及其擴展
2.1.1 離散繫統的Kalman濾波基本方程
2.1.2 擴展Kalman濾波方程
2.1.3 濾波基本方程分析
2.1.4 算例分析
2.1.5 Kalman濾波應用注意的問題
2.2 無跡濾波
2.2.1 UT變換
2.2.2 UKF采樣策略
2.2.3 UKF濾波方程
2.2.4 EKF和UKF性能比對
2.2.5 算例分析
2.3 非線性預測濾波
2.3.1 NPF濾波過程
2.3.2 協方差約束
2.3.3 小模型誤差與模型誤差加權矩陣
2.3.4 預測濾波性能分析
2.4 魯棒濾波
2.4.1 不確定性魯棒濾波方法
2.4.2 增益矩陣設計與魯棒濾波算法
2.4.3 算例分析
參考文獻
第3章標準多傳感器繫統狀態融合估計
3.1 線性權值與融合估計精度
3.1.1 線性融合模型與融合方法
3.1.2 各傳感器測量精度計算
3.1.3 算例分析
3.2 狀態融合估計問題的提出與融合估計方法
3.2.1 狀態融合估計的提出
3.2.2 融合算法結構
3.2.3 集中式狀態融合估計方法
3.2.4 分布式狀態融合估計方法
3.2.5 多級式狀態融合估計方法
3.3 標準多傳感器繫統狀態融合估計的統一描述
3.3.1 信息類型的統一描述
3.3.2 融合繫統結構的統一描述
3.3.3 整體融合算法
3.3.4 融合算法之間的關繫
3.4 小結
參考文獻
第4章非標準多傳感器繫統狀態融合估計
4.1 多結構多參數非線性模型的狀態融合估計
4.1.1 問題的提出
4.1.2 模型結構描述與非線性程度度量
4.1.3 非線性模型的參數估計與精度分析
4.1.4 非線性模型融合權值確定
4.1.5 算例分析
4.2 不確定建模下的非標準多傳感器繫統狀態融合估計
4.2.1 問題的提出
4.2.2 繫統不確定性特征的小波提取
4.2.3 繫統不確定性的時間序列建模
4.2.4 基於互迭代半參數回歸的狀態融合估計方法
4.2.5 融合算法精度分析
4.3 多模型融合下的非標準多傳感器繫統狀態融合估計
4.3.1 問題的提出
4.3.2 多模型融合估計基本原理與結構
4.3.3 模型融合算法
4.4 基於信息融合的聯合濾波融合估計
4.4.1 問題的提出
4.4.2 聯合濾波的方差上界技術
4.4.3 聯合濾波的結構與工作流程
4.4.4 聯合濾波器的性能分析
4.4.5 信息分配因子的自適應確定
4.5 小結
參考文獻
第5章衛星軌道確定基本原理與方法
5.1 時間繫統與坐標繫統
5.1.1 時間繫統概述
5.1.2 坐標繫統概述
5.2 動力學模型描述與衛星的組合動力學模型
5.2.1 地球引力場攝動力與對不同高度軌道的攝動影響
5.2.2 日、月引力攝動力與對不同高度軌道的攝動影響
5.2.3 大氣阻力攝動與對不同高度軌道的攝動影響
5.2.4 潮汐攝動和對不同高度軌道的攝動影響
5.2.5 太陽輻射壓攝動和對不同高度軌道的攝動影響
5.2.6 動力學模型優化組合準則
5.3 測軌觀測模型
5.4 衛星軌道確定方法及其改進
5.4.1 基於運動學的軌道確定方法
5.4.2 基於動力學的不同類型軌道確定方法
5.4.3 基於動力學和運動學的混合軌道確定方法
5.5 軌道確定誤差分析
5.5.1 基於UT變換的軌道確定協方差分析
5.5.2 誤差分析
參考文獻
第6章基於模型補償的衛星軌道確定方法
6.1 基於部分線性模型的不確定性模型誤差補償的軌道確定
6.1.1 不確定性動力學模型誤差的定軌方程
6.1.2 不確定性觀測模型誤差的定軌方程
6.1.3 基於部分線性模型的定軌算法統一描述
6.2 基於簡化動力學模型的定軌方法
6.2.1 基於經驗加速度的軌道確定方法
6.2.2 基於動力學模型平滑的模型精度確定
6.2.3 基於經驗加速度補償的軌道確定方法的局限性
6.2.4 簡化動力學模型軌道確定方法
6.3 擴展的簡化動力學定軌方法
6.3.1 已知觀測模型繫統誤差形式
6.3.2 已知觀測模型繫統誤差頻率分布
6.3.3 已知動力學模型繫統誤差頻率分布
6.3.4 三類模型誤差補償算例分析
6.4 基於模型誤差補償的實時軌道確定方法
6.4.1 基於經驗加速度補償的模型補償濾波
6.4.2 動力學模型補償濾波
6.4.3 Sage自適應濾波
6.4.4 自適應濾波在星載GPS接收機實時定軌中的應用算例
6.5 小結
參考文獻
第7章基於抗差估計的衛星軌道確定方法
7.1 基於數據深度加權的M估計與性質
7.1.1 數據深度概念與數據深度權的應用
7.1.2 基於數據深度加權的M估計方法與性質
7.1.3 算例分析
7.2 自適應穩健Lp估計在軌道確定中的應用
7.2.1 基於正態分布的軌道確定模型構建
7.2.2 p範分布與穩健性分析
7.2.3 基於數據深度加權的穩健p範估計
7.2.4 算例分析
7.3 基於穩健估計的方差分量估計
7.3.1 方差分量估計方法與性能分析
7.3.2 改進的方差分量估計方法
7.3.3 算例分析
7.4 基於數據深度加權的半參數模型估計方法
7.4.1 基於數據深度加權的半參數模型軌道估計方法
7.4.2 模型誤差的深度加權核估計方法
7.4.3 算例分析
7.5 小結
參考文獻
第8章基於天地基信息融合的聯合定軌技術
8.1 聯合定軌原理和精度分析
8.1.1 僅利用天基數據進行聯合定軌的虧秩特性分析
8.1.2 天地基聯合定軌精度分析
8.2 基於天地基聯合信息處理的同步軌道確定與應用
8.2.1 同步軌道空間目標的天地基聯合定軌模型構建
8.2.2 同步軌道空間目標的天地基聯合定軌方法
8.2.3 算例分析
8.3 基於天基測控繫統的聯合定軌技術
8.3.1 繫統結構分析與觀測模型構建
8.3.2 天基測控定軌算法與天地基聯合定軌算法
8.4 小結
參考文獻
第9章衛星姿態確定基本原理與方法
9.1 衛星姿態描述和姿態測量模型
9.1.1 參考坐標繫的選擇與坐標變換
9.1.2 姿態參數與姿態運動學/動力學方程
9.1.3 姿態測量敏感器與測量模型
9.2 衛星姿態確定基本方法
9.2.1 確定性方法
9.2.2 狀態估計法
9.2.3 狀態估計法在衛星姿態確定中的應用
9.3 衛星姿態確定中的若干問題
9.3.1 姿態確定繫統的非線性程度
9.3.2 姿態確定繫統的誤差形式
9.3.3 多姿態測量敏感器的融合定姿策略
9.3.4 姿態確定方法的實時性要求與計算量問題
參考文獻
第10章衛星姿態確定繫統模型分析
10.1 姿態確定繫統模型線性化誤差影響分析
10.1.1 繫統方程線性化誤差模型及其度量
10.1.2 繫統模型線性化誤差影響分析
10.1.3 算例分析
10.2 姿態確定繫統的測量隨機誤差分析
10.2.1 光軸測量錐面誤差模型及其特性
10.2.2 基於星敏感器光軸測量錐面誤差模型的姿態確定模型
10.2.3 算例分析
10.3 姿態確定繫統的測量繫統誤差分析
10.3.1 測量繫統誤差的產生與分類
10.3.2 基於相關性檢驗技術的測量繫統誤差影響分析
10.3.3 算例分析
參考文獻
第11章衛星姿態確定的非線性濾波方法
11.1 衛星姿態確定的EKF估計
11.1.1 EKF姿態確定方法影響因素分析
11.1.2 擴維的EKF姿態確定方法
11.1.3 算例分析
11.2 衛星姿態確定的NPF估計
11.2.1 問題的提出
11.2.2 非線性預測濾波算法
11.2.3 NPF姿態確定穩健性分析
11.2.4 算例分析
11.3 衛星姿態確定的REKF估計
11.3.1 問題的提出
11.3.2 魯棒定姿濾波算法
11.3.3 算例分析
參考文獻
第12章多姿態敏感器測量融合定姿方法
12.1 多敏感器測量信息融合的時間配準
12.1.1 多敏感器時間配準的常用算法
12.1.2 基於曲線擬合的多敏感器時間配準
12.1.3 算例分析
12.2 基於復合結構的衛星融合定姿方法
12.2.1 多敏感器測量數據實時優化處理
12.2.2 多敏感器融合定姿濾波器復合結構設計
12.2.3 基於敏感器置信度的融合規則優選
12.2.4 算例分析
12.3 甚高精度衛星姿態確定方法
12.3.1 衛星擾動誤差建模
12.3.2 敏感器低頻誤差特性分析
12.3.3 敏感器低頻誤差參數辨識
12.3.4 甚高精度姿態確定算法流程
12.3.5 算例分析
12.4 小結
參考文獻
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第1 章靜態繫統參數估計理論
估計理論大體上分為參數估計和狀態估計兩個分支。一般地，參數估計屬於靜態估計，狀態估計屬於動態估計。但在許多情況下，參數可作為繫統狀態變量的一部分(或某個虛設繫統的狀態)嵌入到適當的狀態估計之中；同樣，狀態也可以視為特殊的參數，用參數估計方法來處理。
本章介紹靜態繫統參數估計的理論和方法，其中，1.1 節介紹估計、估計準則和估計等基本概念和常見的幾種估計方法；1.2 節介紹衛星狀態觀測模型中存在模型誤差時的半參數估計基本理論和常見的幾種半參數估計方法；1.3 節介紹衛星狀態觀測數據中存在粗差時的抗差估計理論和相應的抗差估計方法。
1.1 經典估計理論
1.1.1 估計、估計準則和估計
1．估計
本書介紹衛星狀態的估計問題，包括衛星的位置、速度、姿態等矢量的過程狀態估計，因此估計問題可敘述為：假設衛星被估計狀態量x()t∈Rn×1 ，z()t∈Rm×1 是測軌/測姿傳感器的觀測量，則觀測量與被估計量之間的關繫為[1] z() =hx [ ()t, (),] (1.1)
t ε tt
式中，h∈Rm×1是已知的函數，它是由測量傳感器的觀測原理所決定的；ε()t是觀測噪聲，通常是一個隨機過程。所謂估計問題，就是在時間區間[,]
tt內對衛星狀
0
xt {() 0 τ t
態()進行觀測，得到觀測數據z=zτ,t≤≤}，構造一個觀測數據z的函數.()()的估計，xz 是xt或稱xtxz 。
xz 來作為xt並稱.()()的一個估計量，()的估計為.()
2．估計準則
如前面所述，所謂估計問題，就是要構造一個觀測數據z={( ) t0 τt}第1 章靜態繫統參數估計理論

估計理論大體上分為參數估計和狀態估計兩個分支。一般地，參數估計屬於靜態估計，狀態估計屬於動態估計。但在許多情況下，參數可作為繫統狀態變量的一部分(或某個虛設繫統的狀態)嵌入到適當的狀態估計之中；同樣，狀態也可以視為特殊的參數，用參數估計方法來處理。

本章介紹靜態繫統參數估計的理論和方法，其中，1.1 節介紹估計、估計準則和估計等基本概念和常見的幾種估計方法；1.2 節介紹衛星狀態觀測模型中存在模型誤差時的半參數估計基本理論和常見的幾種半參數估計方法；1.3 節介紹衛星狀態觀測數據中存在粗差時的抗差估計理論和相應的抗差估計方法。

1.1 經典估計理論

1.1.1 估計、估計準則和估計

1．估計

本書介紹衛星狀態的估計問題，包括衛星的位置、速度、姿態等矢量的過程狀態估計，因此估計問題可敘述為：假設衛星被估計狀態量x()t∈Rn×1 ，z()t∈Rm×1 是測軌/測姿傳感器的觀測量，則觀測量與被估計量之間的關繫為[1] z() =hx [ ()t, (),] (1.1)

t ε tt

式中，h∈Rm×1是已知的函數，它是由測量傳感器的觀測原理所決定的；ε()t是觀測噪聲，通常是一個隨機過程。所謂估計問題，就是在時間區間[,]

tt內對衛星狀

0

xt {() 0 τ t

態()進行觀測，得到觀測數據z=zτ,t≤≤}，構造一個觀測數據z的函數.()()的估計，xz 是xt或稱xtxz 。

xz 來作為xt並稱.()()的一個估計量，()的估計為.()

2．估計準則

如前面所述，所謂估計問題，就是要構造一個觀測數據z={( ) t0 τt}

zτ, ≤≤的函數.()()的一個估計。在應用時，人們總希望估計出來的狀

xz 來作為被估計量xt態變量越接近實際值越好。因此，為了衡量估計的好壞，必須要有一個衡量的標準，這個衡量標準就是估計準則。估計常常是以“使估計的性能指標達到極值”為標準的。估計準則可以是多種多樣的，常用的估計準則有小（加權）均方誤差估計、極大似然估計、極大後驗估計、線性小方差無偏估計、小二乘估計等。

衛星狀態融合估計理論與方法

一個估計問題能否得到“可行”的解答，不僅與測量數據精度和繫統模型特點有關，還與估計準則的選擇有很大關繫[2] 。可以說，估計準則在很大程度上決

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