一种小视场星跟踪器天文观测信息异常检测方法.pdf

本发明提供了一种小视场星跟踪器天文观测信息异常检测方法，利用惯导输出信息和导航星信息实现对单颗导航星观测的高度角和方位角信息的实时的缓变和跳变检测，解决了基于小视场星跟踪器的天文观测信息异常检测问题，为基于小视场星跟踪器的CNS/INS组合导航系统的工程化实现奠定了基础。

1.  一种小视场星跟踪器天文观测信息异常检测方法，其特征在于包括下述步骤：
第一步，在异步观星状态下，小视场星跟踪器实现对导航星S_i的稳定跟踪，在dt时段内完成天文观测数据和惯导数据采集，得到容量为N的数据集，50≤N≤100，包括时刻t_j的捷联惯导独立测量机载平台的导航信息、地心系到导航系的转移矩阵姿态转移矩阵高度角H_j、方位角Az_j和导航星的格林时角GHA_j、赤纬信息Dec_j，其中，j表示第j个采样点，1≤j≤N；
第二步，通过惯导和导航星数据反算小视场星跟踪器在各时刻t_j的理论观测值(H_j0、Az_j0)，并计算观测值相对理论值的偏差(dH_j、dAz_j)；记录数据集(t₁，t₂，…t_N)，(dH₁，dH₂，…dH_N)，(dAz₁，dAz₂，…dAz_N)；
第三步，利用3σ法对偏差数据集进行跳点剔除二至三遍，利用回归算法对未被剔除的数据集进行拟合计算，得到高度角偏差量的斜率b_H和方位角偏差量数据集的斜率b_A；利用设定的缓变斜率门限b_threshold检测b_H和b_A，只有当|b_H|＜b_rhreshold且|b_A|＜b_threshold时，数据集趋势检测判定为正常，进入第四步，否则进入第五步；
第四步，进行跳变检测，包括以下步骤：1)、判断是否为该导航星数据集首次跳变检测，若是，进入步骤3)，若不是，进入步骤2)；2)检测数据集进行天文观测视场的阈值，并以此阈值作为异常检测基准；3)利用异常检测基准对数据集进行阈值跳变检测；5)存储跳变检测正常的数据并更新数据基准；
第五步，根据第三步和第四步的检测结果，对数据集作出正常或不正常标记后输出。

一种小视场星跟踪器天文观测信息异常检测方法
技术领域
本发明涉及一种天文观测信息检测方法，属于组合导航领域。
背景技术
天文导航(CNS)是以已知准确空间位置的自然天体为基准，通过天体测量仪器被动探测天体位置，经解算确定测量点所在载体的导航信息(姿态或者位置)。将导航方法建立在恒星和行星参考系基础上，具有直接、自然、可靠、精确的优点。天文导航就相当于惯性导航系统中没有漂移的陀螺仪，非常适合长时间自主运行和导航定位精度要求较高的领域。由天文导航、惯性导航组成的(CNS/INS)组合导航系统，具有明显的优势互补性，能够有效提高导航系统的精度和可靠性，已成为远程长航时机载导航技术的重要发展方向。
在航空领域，由于小视场星跟踪器的天体敏感设备视场小，视场内一般一次观测一颗导航星，天空中的入射杂散光线较少，单星测量信噪比高，极大提高白天观星的对比度和观星效果，能够克服白天大气对太阳光散射带来的强背景噪声的限制，从而使基于小视场星跟踪器天文惯性组合导航成为首选。
虽然小视场星跟踪器能有效克服白天大气强背景噪声的影响，实现白天观星，但是由于航空平台环境的复杂性，天文观测依然会受到CCD热噪声、时统误差、高动态跟踪误差、薄云干扰、蒙气差等噪声的干扰，从而使天文观测信息出现大噪声、跳点、野值、漂移等，导致观测数据失真甚至失效。如果将这些数据不加甄别地作为观测信息使用，将会污染天文/惯性组合导航系统，从而严重影响组合导航精度。同时，由于小视场星跟踪器的天文观星建立在CNS/INS组合导航系统提供的载体实时位置、姿态等信息的基础上，而上述误差会导致小视场星跟踪器的搜星困难，极端情况下甚至可能无法观星，从而导致组合导航失败。因此，对小视场星跟踪器天文观测信息的异常检测显得特别重要，是CNS/INS组合导航精度和可靠性的重要保障。
同时，由于小视场星跟踪器单星观测输出频率高(约50Hz)，但异步观星组合导航解算受到双星切换的影响，其滤波周期较长(约15s)，因此小视场星跟踪器的天文观测信息异常检测需要在两个不同时间尺度上实现相应的异常检测。目前，国内外未发现针对小视场星跟踪器天文观测信息异常检测算法的相关报道。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种小视场星跟踪器天文观测信息异常检测方法，利用惯导输出信息和导航星信息实现对单颗导航星观测的高度角和方位角信息的实时的缓变和跳变检测，解决了基于小视场星跟踪器的天文观测信息异常检测问题，为基于小视场星跟踪器的CNS/INS组合导航系统的工程化实现奠定了基础。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
第一步，在异步观星状态下，小视场星跟踪器实现对导航星S_i的稳定跟踪，在dt时段内完成天文观测数据和惯导数据采集，得到容量为N的数据集，50≤N≤100，包括时刻t_j的捷联惯导独立测量机载平台的导航信息、地心系到导航系的转移矩阵姿态转移矩阵高度角方位角Az_j和导航星的格林时角GHA_j、赤纬信息Dec_j，其中，j表示第j个采样点，1≤j≤N；
第二步，通过惯导和导航星数据反算小视场星跟踪器在各时刻t_j的理论观测值(H_j0、Az_jO)，并计算观测值相对理论值的偏差(dH_j、dAz_j)；记录数据集(t₁，t₂，…t_N)，(dH₁，dH₂，…dH_N)，(dAz₁，dAz₂，…dAz_N)；
第三步，利用3σ法对偏差数据集进行跳点剔除二至三遍，利用回归算法对未被剔除的数据集进行拟合计算，得到高度角偏差量的斜率b_H和方位角偏差量数据集的斜率b_A；利用设定的缓变斜率门限b_threshold检测b_H和b_A，只有当|b_H|＜b_threshold且|b_A|＜b_threshold时，数据集趋势检测判定为正常，进入第四步，否则进入第五步；
第四步，进行跳变检测，包括以下步骤：1)、判断是否为该导航星数据集首次跳变检测，若是，进入步骤3)，若不是，进入步骤2)；2)检测数据集进行天文观测视场的阈值，并以此阈值作为异常检测基准；3)利用异常检测基准对数据集进行阈值跳变检测；5)存储跳变检测正常的数据并更新数据基准；
第五步，根据第三步和第四步的检测结果，对数据集作出正常或不正常标记后输出。
本发明的有益效果是：(1)实现了在异步观星模式下个导航星观测信息缓变和跳变两种情况的异常检测；(2)在跳变检测中，数据及基准库的容量大于每次更新的数据集容量，有利于长周期异步观星数据的异常检测；(3)本发明为基于小视场星跟踪器 的天文/惯导高精度组合导航提供了保障，为基于小视场星跟踪器的天文/捷联惯导组合导航工程化奠定了基础。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明包括以下步骤：
第一步，在异步观星状态下，小视场星跟踪器实现对导航星S_i的稳定跟踪，在dt时段内完成天文观测数据和惯导数据采集，得到容量为N的数据集，数据集容量为(50≤N≤100)；采集的数据包括：时刻t_j捷联惯导独立测量机载平台的导航信息，采集数据输出时刻t_j的地心系到导航系的转移矩阵姿态转移矩阵这里j表示第j个采样点，范围为(1≤j≤N)；时刻t_j小视场星跟踪器完成对导航星捕获、跟踪和天文测量，采集数据输出对应时刻t_j的高度角H_j、方位角Az_j和导航星的格林时角GHA_j、赤纬信息Dec_j；
第二步，通过惯导和导航星数据反算小视场星跟踪器在各时刻t_j的理论观测值(H_j0、Az_j0)，并计算观测值相对理论值的偏差(dH_j、dAz_j)。记录数据集(t₁，t₂，，，t_N)，(dH₁，dH₂，，，dH_N)，(dAz₁，dAz₂，，，dAz_N)；
第三步，进入趋势缓变检测模块：1)、首先利用3σ法对偏差数据集进行部分跳点剔除，剔除数量为n1；2)、利用回归算法，拟合计算偏差量数据集的斜率3)、斜率检测判断；
第四步，如果第三步数据缓变检测“不正常”，则直接跳至第五步，全部数据标记为“不正常”输出；如果第三步数据缓变检测“正常”，计入跳变检测模块：1)、判断是否为该导航星数据集首次跳变检测；2)如果为“是”，直接执行4)操作；如果为“否”，则首先对数据进行天文观测视场阈值检测；3)利用该数据集建立异常检测基准；并将数据集标准库状态“已建立”反馈到1)操作步；4)对数据集数据进行阈值跳变检测；5)将跳变检测正常的数据存储并更新数据基准；
第五步，数据集根据上述缓变和跳变检测结果做出“正常”和“不正常”标记后输出；
所述第二步惯导反算理论观测值和偏差计算过程为：
导航星在t_j时刻相对地心系的观测矢量为：
Tj=-GHAjGHAj<π2π-GHAjGHAj&GreaterEqual;π---(1)]]>
得：
xGj=cos(Decj)cos(Tj)yGj=cos(Decj)sin(Tj)zGj=sin(Decj)---(2)]]>
则得该导航星在该时刻在星跟踪器上的理论观测值为：

并得
Hj0=asin(zbj)Azj0=atan(ybj/xbj)---(4)]]>
则观测值相对理论值的偏差计算为；
dHj=Hj-Hj0dAzj=Azj-Azj0---(5)]]>
所述第三步数据斜率b计算和检测过程为：
数据总容量为N1＝N－n1，剔除的数据不再后续计算之列，则有
时间序列二阶矩：Ftt=Σj=1Ntj2-1N1(Σj=1Ntj)2]]>
时间-高度角协方差：FtH=Σj=1NtjdHj-1N1(Σj=1Ntj)(Σj=1NdHj)]]>
时间-方位角协方差：FtA=Σj=1NtjdAzj-1N1(Σj=1Ntj)(Σj=1NdAzj)---(6)]]>
得高度角偏差和方位角偏差数据集缓变斜率为：
bH=FtHFttbA=FtAFtt---(7)]]>
定义缓变斜率门限b_threshold，该门限根据大量数据的统计分析得到。
则检测标准为：只有当|b_H|＜b_threshold且｜b_A｜＜b_threshold时，数据集趋势检测判定为“正常”；
所述第四步天文观测视场阈值检测过程为：小视场星跟踪器视场大小为V角分， 则基于观测视场的数据偏差阈值为V_threshold＝V；设小视场星跟踪器视场的一个实例为V＝6′，则偏差阈值为V_hreshold＝6′；只有当｜dH_j|＜V_threshold且|dAz_j|＜V_threshold时，数据判断为“正常”，否则为“不正常”，不正常的容量为n2，则此时正常的数据容量为N2＝N1－n2；
所述第四步天文观测视场阈值检测过程为：根据偏差数据集基准库(SdH_i，SdAz_i)，数据及标准库的容量为M＝5N，计算该基准库对应变量的均值和方差：
EsH=1MΣi=1MSdHi,EsA=1MΣi=1MSdAzi]]>
SSH=1M-1Σi=1M(SdHi-EsH)2,SSAz=1M-1Σi=1M(SdAzi-EsA)2---(8)]]>
则数据异常检测阈值为ρthresholdH=1.73SdH,ρthresholdAz=1.73SdAz,]]>则跳变判断准则为：
且时，为数据跳变正常，否则为数据跳变异常；
所述第四步偏差数据集基准库存储和更新过程为，首次建立标准库数据容量小于M时，将检测数据集检测正常数据全部存入基准库；当容量达到M时，取最新一个数据集的10～20组数据滑动更新数据库。
本发明的实施例针对在机载小视场星跟踪器天文/惯导组合导航系统中存在的以下问题：
1)小视场星跟踪器天文观星时由于受到天空背景噪声、机载平台动态扰动等干扰，导致观测信号不稳定，存在跳点和野值。
2)同时受气候影响，天空中可能存在薄云遮挡导航星，由于薄云相对导航星更亮，星跟踪器很容易受欺骗，捕获并稳定跟踪，从而导致观测异常；一般情况下，薄云会随风快速移动，会导致观测量快速变化；即使薄云移动速度较慢，在机载平台上，虽然薄云一般处于10km～20km的空中，其反射光源不再是导航星那样无穷远，快速的机载平台移动依然会导致观测异常，存在变化的趋势；因此，需求对天文观测的趋势项进行检测，以排除薄云对天文观测的影响。
3)由于小视场星跟踪器每次只能观测一颗导航星，要实现天文导航解算一般至少需要两颗导航星，因此天文观星采用异步交替观星的模式。则每一颗导航星观测时间断的，间隔时间可能达到10多秒，而每一次天文稳定观星，以较高采样率输出一个连 续数据集；则不仅需要对单个数据集的天文观测异常进行检测，同时也需要在大的时间尺度上检测观测数据。
针对上述问题，本发明机载小视场星跟踪器天文观测信息异常检测的具体实施方式包括以下内容：
如图1所示，第一步，在异步观星状态下，小视场星跟踪器实现对导航星S_i的稳定跟踪，在dt时段内完成天文观测数据和惯导数据采集，得到容量为N的数据集，数据集容量为(50≤N≤100)；采集的数据包括：时刻t_j捷联惯导独立测量机载平台的导航信息，采集数据输出时刻t_j的地心系到导航系的转移矩阵姿态转移矩阵这里j表示第j个采样点，范围为(1≤j≤N)；时刻t_j小视场星跟踪器完成对导航星捕获、跟踪和天文测量，采集数据输出对应时刻t_j的高度角H_j、方位角Az_j和导航星的格林时角GHA_j、赤纬信息Dec_j；
第二步，通过惯导和导航星数据反算小视场星跟踪器在各时刻t_j的理论观测值(H_j0、Az_j0)，并计算观测值相对理论值的偏差(dH_j、dAz_j)。记录数据集(t₁，t₂，，，t_N)，(dH₁，dH₂，，，dH_N)，(dAz₁，dAz₂，，，dAz_N)；具体过程为：导航星在t_j时刻相对地心系的观测矢量为：
Tj=-GHAjGHAj<π2π-GHAjGHAj&GreaterEqual;π---(1)]]>
得：
xGj=cos(Decj)cos(Tj)yGj=cos(Decj)sin(Tj)zGj=sin(Decj)---(2)]]>
则得该导航星在该时刻在星跟踪器上的理论观测值为：

并得
Hj0=asin(zbj)Azj0=atan(ybj/xbj)---(4)]]>
则观测值相对理论值的偏差计算为；
dHj=Hj-Hj0dAzj=Azj-Azj0---(5)]]>
第三步，进入趋势缓变检测模块：
1)、首先利用3σ法对偏差数据集进行部分跳点剔除，剔除数量为n1；3σ法数据提出过程为：
高度角均值：EdH=Σj=1NdHj]]>
高度角方差：SdH=1NΣi=1N(dHj-EdH)2]]>
正态分布拟合：τdH=dHj-EdHSdH---(6)]]>
则有统计量：
tdH′=τdHN-2N-1-τdH2---(7)]]>
t′_dH符合学生氏t分布，设α为显著性水平，一般设为0.05；若|t′_dH|＞t(N－2，α)，则剔除该数据；完成一轮统计剔除后，对剩下的数据，重新统计剔除，如此重复两到三轮即可。同理可对dAz_j数据集进行数据剔除，保留(dH_j，dAz_j)都未被剔除的数据组。
2)、利用回归算法，拟合计算偏差量数据集的斜率，数据斜率b计算过程为：
数据总容量为N1＝N-n1，剔除的数据不再后续计算之列，则有
时间序列二阶矩：Ftt=Σj=1Ntj2-1N1(Σj=1Ntj)2]]>
时间-高度角协方差：FtH=Σj=1NtjdHj-1N1(Σj=1Ntj)(Σj=1NdHj)]]>
时间-方位角协方差：FtA=Σj=1NtjdAzj-1N1(Σj=1Ntj)(Σj=1NdAzj)---(8)]]>
得高度角偏差和方位角偏差数据集缓变斜率为：
bH=FtHFttbA=FtAFtt---(9)]]>
3)、斜率检测判断；定义缓变斜率门限b_threshold，该门限根据大量数据的统计分析得到。则检测标准为：只有当|b_H｜＜b_threshold且|b_A|＜b_threshold时，数据集趋势检测判定为“正常”；
第四步，如果第三步数据缓变检测“不正常”，则直接跳至第五步，全部数据标记为“不正常”输出；如果第三步数据缓变检测“正常”，计入跳变检测模块：
1)、判断该导航星数据集标准库是否建立；
2)如果为“是”，直接执行跳变检测操作；如果为“否”，则首先对数据进行天文观测视场阈值检测；天文观测视场阈值检测过程为：设小视场星跟踪器视场的一个实例为6′，则基于观测视场的数据偏差阈值为V_threshold＝6′；只有当|dH_j|＜V_threshold且|dAz_j|＜V_threshold时，数据判断为“正常”，否则为“不正常”，不正常的容量为n2，则此时正常的数据容量为N2＝N1－n2；
3)利用该数据集建立异常检测基准；并将数据集标准库状态“已建立”反馈到1)操作步；天文观测视场阈值检测过程为：设小视场星跟踪器视场的一个实例为6′，则基于观测视场的数据偏差阈值为V_threshold＝6′；只有当|dH_j|＜V_threshold且｜dAz_j｜＜V_threshold时，数据判断为“正常”，否则为“不正常”，不正常的容量为n2，则此时正常的数据容量为N2＝N1-n2；
4)对数据集的数据进行阈值跳变检测；天文观测视场阈值检测过程为：根据偏差数据集基准库(SdH_i、SdAz_i)，数据集基准库的容量为M＝5N，计算该基准库对应变量的均值和方差：
EsH=1MΣi=1MSdHi,EsA=1MΣi=1MSdAzi]]>
SSH=1M-1Σi=1M(SdHi-EsH)2,SSAz=1M-1Σi=1M(SdAzi-EsA)2---(10)]]>
数据异常检测阈值为ρthresholdH=1.73SSH,ρthresholdAz=1.73SSAz,]]>则跳变判断准则为：
且时，为数据跳变正常，否则为数据跳变异常；
5)将跳变检测正常的数据存储并更新数据基准；偏差数据集基准库存储和更新过程为，首次建立标准库数据容量小于M时，将检测数据集检测正常数据全部存入基准库；当容量达到M时，取最新一个数据集的10～20组数据滑动更新数据库；
第五步，数据集根据上述缓变和跳变检测结果做出“正常”和“不正常”标记后输出；
以上所述仅是一种小视场星跟踪器天文观测信息异常检测方法。应当指出，对于 本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。