基于太阳盘面差速补偿的多源组合导航精度增强方法

《Sensors》：Precision Enhancement of Multi-Source Integrated Navigation via Solar Disk Differential Velocity Compensation

　　

摘要：捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System, SINS)存在误差累积增长问题，其中速度漂移和加速度漂移会导致位置误差呈二次方增长。虽然采用多普勒测速传感器(Doppler Velocity Sensor, DVS)进行多传感器融合可修正此类漂移，但传统方法通常假设太阳盘面上径向速度均匀分布，忽略了太阳自转引起的较差表面速度(Differential Surface Velocity)。这种模型失配会引入显著的未建模系统偏差，均值约1.45 km/s，上限可达2.07 km/s，远高于标准测量误差(~1 m/s)。该主导性确定性误差会导致滤波器发散，削弱整个组合导航系统的可靠性。为解决此问题，研究人员提出了一种基于多源融合框架的太阳盘面差速(Solar Disk Differential Velocity, SDV)方法。该方法构建了反映太阳实际几何及自转特性的速度观测模型，有效消除了确定性系统偏差。结合双星星际多普勒测速，增强了三维速度误差的可观测性。仿真结果表明，所提方法显著提高了导航精度，位置误差由千米级降低至数十至数百米量级，速度误差维持在10?2–10?1m/s范围内。

论文解读：《Precision Enhancement of Multi-Source Integrated Navigation via Solar Disk Differential Velocity Compensation》

该论文发表于《Sensors》期刊。研究背景方面，随着航空航天器导航技术的发展，对脱离地面设施依赖的高自主性导航需求日益迫切。捷联惯性导航系统(SINS)因自主性强、更新率高被广泛采用，但其导航误差随时间积分累积，尤其速度漂移引起位置误差近似二次方增长。传统校正方法常借助卫星(GNSS)、雷达或恒星测速，但这些人工信号源易受干扰且依赖通信链路，不适用于高自主性全天候场景。太阳作为距地球最近的自然辐射源，信号强度高且全时可观测，近年来被引入多普勒测速系统(DVS)中以辅助SINS修正速度漂移。然而现有方法均假设太阳盘面径向速度均匀分布，而事实上太阳存在较差自转(Differential Rotation)，表面线速度随日面纬度变化（赤道约2.0 km/s，极区低于0.5 km/s），传统均匀假设会引入高达km/s量级的未建模确定性系统偏差，破坏卡尔曼滤波新息零均值特性，导致滤波误修正甚至发散。为此，研究人员开展了基于太阳盘面差速补偿(SDV)的SINS/DVS/双星多源组合导航研究，构建了考虑太阳较差自转的精确多普勒测速观测模型以消除系统偏差，并验证了其显著提升导航精度与滤波鲁棒性的效果，为高动态飞行器无源自主导航提供了高精度解决方案。

主要关键技术方法：

研究人员建立SINS误差方程为状态模型，推导含太阳较差自转改正的日面点多普勒测速观测模型及双星星际多普勒测速观测模型，构建SDV-DVS/SINS(Unscented Kalman Filter, UKF)组合导航滤波框架；利用光谱仪测得太阳吸收线多普勒频移换算径向速度，通过四棱锥安装角控制日面观测点投影位置；采用Satellite Tool Kit(STK)生成飞行器理想轨迹及星历，设置陀螺漂移0.01 °/h、加速度计偏置100 μg及DVS测量误差2 m/s进行3000 s数值仿真，对比传统均匀假设DVS/SINS与所提SDV-DVS/SINS的新息特性、位置/速度/姿态误差及器件偏置估计结果，并分析不同DVS测量噪声及不同恒星几何分布对导航精度的影响。

研究结果：

2. Unmodeled System Bias Under the Uniform Radial Velocity Distribution Across the Solar Disk Assumption（均匀径向速度假设下的未建模系统偏差分析）

研究人员基于Snodgrass太阳较差自转公式ω(φ)=A+Bsin²φ+Csin⁴φ（A=14.713 °/d, B=-2.396 °/d, C=-1.787 °/d）量化了传统均匀假设引入的系统偏差Δv_bias=v_c-v_wavg，遍历日面经纬度得出偏差具明显纬度依赖性，均值约1.45 km/s，最大达2.07 km/s。新息分析表明传统模型下新息期望E[γ_k]=Δv·u_sun≠0，丧失零均值白噪声特性，致使滤波器将模型失配误判为状态误差而持续误修正，引发位置误差二次方发散。

3. System Model of the Proposed SDV–DVS/SINS Integrated Navigation（所提SDV-DVS/SINS组合导航系统模型）

研究人员以SINS 15维误差状态（失准角、速度误差、位置误差、陀螺漂移、加速度计偏置）建状态方程?=F·X+G·W。日面点多普勒观测模型中引入太阳自转线速度v_{sun_rot}=ω(φ)×(R_⊙×u_los)，将航天器惯性系速度vⁱ_b=Cⁱ_n(v?ⁿ_SINS+δvⁿ)与太阳惯性速度及日面自转速度作差投影至视线方向得观测量z_sun=[vⁱ_b-(vⁱ_sun+v_{sun_rot})]·u_sun+v_η。双星星际多普勒观测取z_starj=-(vⁱ_b-vⁱ_starj)·u_starj+v_η。三非共面视向(太阳+双星)组合观测矩阵满秩，实现三维速度完全可观测，且三视线交角越接近90°可观测性越强。整体经UKF时间更新与量测更新输出校正导航解。

4. Simulation and Analysis（仿真与分析）

4.2 Innovation Analysis（新息分析）： 传统DVS/SINS在仅含测量误差时新息为零均值随机波动；加入未建模系统偏差后太阳通道新息呈显著非零静态偏置，且污染双星通道新息使其偏离零均值。所提SDV-DVS/SINS在三场景下太阳及双星通道新息均保持零均值白噪声，确认模型与实测一致，消除系统偏差影响。

4.3 Navigation Performance Analysis（导航性能分析）： 传统方法位置误差迅速发散至10⁴–10⁶m，速度误差累积至百米每秒级，加速度计偏置估计不收敛；所提方法全程将位置误差约束于数十至数百米，东-北-天速度误差压至0.1 m/s以内（10^?2–10^?1m/s），加速度计偏置有效收敛，但因DVS不含姿态信息，失准角与陀螺漂移未被准确修正。

4.4 Impact Factor Analysis（影响因素分析）： 测量误差增大时UKF量测更新精度下降，导航误差随之增大；所选观测恒星几何分布越优（方向差异大、趋近正交），系统三维速度可观测性越强，导航精度越高，故需优化选星。

讨论与结论翻译：

研究人员指出太阳较差自转是高精度组合导航中常被忽视的关键系统误差源。传统均匀假设引入的确定性速度偏差（均值~1.45 km/s，上限~2.07 km/s）使滤波新息非零均值，引发误修正与发散；所提SDV法通过精确建模观测日面点差速消除该偏差。仿真证实所提方法将速度误差抑制于10^?2–10^?1m/s，位置误差由千米级降至百米级。未来需进一步研究近空间动态环境中太阳耀斑等瞬态光谱扰动的影响，可引入自适应神经网络识别并抑制异常频谱以增强鲁棒性。

结论(Conclusions)： 本研究提出一种基于太阳盘面差速(SDV)补偿的高精度多源组合导航框架，修正传统DVS/SINS因假设日面均匀径向速度引入的未建模系统偏差（均值约1.45 km/s，上限达2.07 km/s）。新方法通过构建反映太阳自转变换几何特性的速度观测模型有效补偿该偏差，并建立DVS及双星观测模型增强系统可观测性与三维速度误差修正能力，显著改善滤波器收敛性与鲁棒性。与传统DVS/SINS相比，经、纬、高向位置误差由千米级降至约百米级，东、北、天向速度误差抑制于10^?2–10^?1m/s范围内，有效抑制速度与位置误差增长，为高自主性高动态飞行导航任务提供可行高效方案。