考虑有色噪声影响的脉冲星导航2级强跟踪差分滤波器

doi:10.7527/S1000-6893.2021.26120

Abstract

Abstract:

To improve the robustness of X-ray pulsar navigation to colored noise and ephemeris errors， a Two-stage Strong Tracking Differential Kalman Filter （TSTDKF） is designed. First， based on an analysis of the navigation principle， the error transfer relationship of the ephemeris error of central celestial body to the navigation result is analyzed， and the Extended Kalman Filter （EKF） is used for simulation verification. On the same orbit， the gravitational perturbation data of the third celestial body is analyzed using the gravitational perturbation model， which proves that the noise is colored noise. Based on the above conclusions， a bias-free filter of ordinary Two-stage Kalman Filter （TKF） is designed as an improved differential filter to reduce the impact of colored noise on the navigation system. In TSTDKF’s separate bias filter， multiple adaptive adjustment factors are constructed based on observation residuals to enhance its tracking performance. The two filters together form the two parallel filters of TSTDKF. Simulation experiments prove that the positioning performance of TSTDKF is 56.49% and 35.18% better than that of EKF and TKF， respectively， and the velocity of TSTDKF is also 27.66% and 17.07% better than that of EKF and TKF， respectively. Its tracking accuracy of ephemeris error is also overall better than that of TKF.

Key words: Ephemeris error, colored noise, two-stage Kalman filter, differential Kalman filter, strong tracking Kalman filter

CLC Number:

V324.2⁺4

Qiang XU, Hongliang CUI, Bangping DING, Aigang ZHAO, Yang ZHAO. Two-stage strong tracking differential Kalman filter for X-ray pulsar navigation with coloured noise[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(3): 526120-526120.

Figures/Tables 15

Fig. 1

Fig. 2

Table 1

Table 2

Parameters of pulsars［24-25］

参数	B0531+21	B1821-24	B1937+21
赤经/（°）	83.633	276.133	294.910
赤纬/（°）	22.014	-24.869	21.583
距离 $D$ /kpc	2.0	5.5	3.6
周期 $P t i m e$ /s	0.033 40	0.003 05	0.001 56
脉冲宽度 $P w i d t h$ /s	1.7×10^-3	5.5×10^-5	2.1×10^-5
光子流量 $P f l u x$ /（ph·cm^-2·s^-1）	1.54	1.93×10^-4	4.99×10^-5
脉冲辐射流量与平均辐射流量之比 $P s f$ /%	70	98	86
背景辐射流量 $B x$ /（ph·cm^-2·s^-1）	0.005	0.005	0.005

Table 2

Table 3

Fig. 3

Fig. 4

Fig. 5

Fig. 6

Fig. 7

Fig. 8

Fig. 9

Fig. 10

Table 4

Table 5

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参数	数值
半长轴/km	8 650
离心率	0
轨道倾角/（°）	45
近地点幅角/（°）	0
升交点赤经/（°）	30
初始真近点/（°）	0
开始时间	2015-10-17　04：00：00

参数	数值
光速/（10⁸ m·s^-1）	3
地球质量/（10²⁴ kg）	5.965
二阶带谐项	0.001 082 63
地球半径/（10⁶ m）	6.378
引力常量/（10^-11 N·m²·kg^-2）	6.672
太阳质量/（10³⁰ kg）	1.989
X射线探测器面积/m²	1

实验序号	观测噪声是否有色	过程噪声是否有色	观测噪声与过程噪声是否相关
1	是	是	是
2	是	是	否
3	否	是	否
4	是	否	否
5	否	否	否

实验序号	EKF		TKF		TSTDKF
实验序号	位置误差/m	速度误差/（m·s^-1）	位置误差/m	速度误差/（m·s^-1）	位置误差/m	速度误差/（m·s^-1）
1	945.1	0.47	634.4	0.41	411.2	0.34
2	905.8	0.45	589.3	0.40	403.0	0.33
3	865.5	0.40	517.4	0.38	399.6	0.32
4	893.2	0.42	563.9	0.40	406.6	0.34
5	813.6	0.40	443.2	0.33	405.3	0.32

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Two-stage strong tracking differential Kalman filter for X-ray pulsar navigation with coloured noise

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