[发明专利]一种基于摄动多高斯拟合的空间目标跟踪方法

说明书

本发明公开了一种基于摄动多高斯拟合的空间目标跟踪方法，将空间目标所受的摄动力建模为与目标状态相耦合的未知干扰；在一种双层EM框架下实现由多高斯分布拟合摄动力的均值和协方差，其中第一层EM实现联合状态估计与摄动力一阶矩辨识，第二层EM实现混合多高斯拟合辨识摄动力一二阶矩；然后通过设计联合校正滤波器实现了同时利用摄动力的均值和协方差联合反馈校正空间目标状态估计及协方差。以解决现有技术中由于存在与状态耦合的强非线性摄动力而使跟踪精度不佳的问题。

技术领域

本发明属于空间目标跟踪技术领域，涉及一种基于摄动多高斯拟合的空间目标跟踪方法，

背景技术

空间目标(包括，卫星、航天器以及空间碎片)跟踪技术的研究对于国防建设、经济发展、科学研究等均具有重要意义。(1)随着航空航天技术的蓬勃发展，人类利用空间能力的不断增强，空间在国防、政治、科研等方面的战略地位也日益提高。对空间的利用和控制水平已经成为衡量一个国家综合实力强弱的重要标准；(2)随着地球周边的太空垃圾越来越多，已经严重威胁到了航天器的安全，对于空间目标的跟踪和监视的需求越来越迫切；(3)随着雷达探测威力的增加，空间目标的跟踪受到越来越多的关注。空间目标跟踪是国家空间战略信息获取的重要途径。

空间目标跟踪问题中目标会因为地球非球形、天体引力、气动阻力、太阳辐射等因素而受到摄动力干扰，而摄动力的存在使得空间目标运动轨道方程呈现高度非线性且摄动力与轨道状态高度耦合。传统解决空间目标跟踪的方法通常是将其看作一类非线性状态估计问题，然后由非线性滤波器(如EKF,UKF,CKF等)去近似估计空间目标状态，但这种估计策略需要计算复杂的雅可比矩阵或者摄动的强非线性积分，不仅计算复杂难以实现而且精度无法保证。而现有辨识策略则忽略了摄动强非线性积分的函数特性，突破了传统估计策略需要计算非线性积分的局限性，将摄动力建模为一种未知干扰，通过辨识出摄动力的一阶矩(即均值)特性进而去反馈校正状态估计，提高了空间目标跟踪精度。但空间目标摄动力显然是与轨道状态高度耦合的，即未知干扰与状态是相关的，此时未知干扰和状态具有相同的演化特性，即至少具有前两阶矩，而现有辨识策略因为假设摄动力与状态相互独立而忽略了摄动的协方差特性，因此估计精度提升必然有限。

注意到空间目标跟踪中摄动力与轨道状态高度耦合，若将摄动力建模为与状态相耦合的未知干扰，由多高斯分布拟合辨识摄动力的一二阶矩(即均值和协方差)，然后同时利用摄动力的均值和协方差去联合校正空间目标轨道状态及协方差，这样有望能够提高空间目标跟踪精度。因此本发明提出一种基于摄动多高斯拟合的空间目标跟踪方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于摄动多高斯拟合的空间目标跟踪方法，以解决现有技术中由于存在与状态耦合的强非线性摄动力而使跟踪精度不佳的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于摄动多高斯拟合的空间目标跟踪方法，将空间目标所受的摄动力建模为与目标状态相耦合的未知干扰；在一种双层EM框架下实现由多高斯分布拟合摄动力的均值和协方差，其中第一层EM实现联合状态估计与摄动力一阶矩辨识，第二层EM实现混合多高斯拟合辨识摄动力一二阶矩；然后通过设计联合校正滤波器实现了同时利用摄动力的均值和协方差联合反馈校正空间目标状态估计及协方差。

进一步的，具体按照以下步骤实施：

步骤1、构建空间目标跟踪模型并将摄动力建模为与系统状态耦合的未知干扰，此时摄动力显然具有均值和协方差特性；

步骤2、在步骤1所建模的摄动力具有均值和协方差的基础上，利用多高斯分布拟合摄动力的均值和协方差，其中涉及两个EM算法，即联合状态估计与摄动力一阶矩辨识和混合多高斯拟合辨识摄动力一二阶矩；

步骤3、在多传感器系统下，基于步骤2所述的两个EM算法而设计了联合校正滤波器，该滤波器实现利用摄动力的均值和协方差联合反馈校正目标状态估计及协方差。

进一步的，步骤1的具体方法为：