一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法，包括以下幾個步驟：步驟一，按照最佳安裝角度將星敏感器安裝在衛(wèi)星上；步驟二，星敏感器拍攝星圖后，使用三角形算法識別星圖中的正常星；步驟三，利用識別的正常星計(jì)算星敏感器光軸指向和衛(wèi)星姿態(tài)；步驟四，根據(jù)星敏感器光軸指向從星表中選星生成模擬折射星圖；步驟五，利用模擬折射星圖識別折射星，根據(jù)識別結(jié)果計(jì)算星光折射角；步驟六，將星光折射角代入系統(tǒng)模型，星載計(jì)算機(jī)利用最優(yōu)估計(jì)方法得到衛(wèi)星的導(dǎo)航信息。本發(fā)明提高了星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航的精度、降低了設(shè)計(jì)成本。
【專利說明】一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法，屬于衛(wèi)星自主導(dǎo)航和星圖識別的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]由于星光折射間接敏感地平的方法是一種低成本、高精度的自主導(dǎo)航方法。美國對于星光折射法自主導(dǎo)航的研究工作可以追溯到60年代。在實(shí)施Apollo計(jì)劃的過程中，就對利用天體掩星、星光在大氣中的折射、星光穿越大氣時的衰減等實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的方案進(jìn)行了研究.1975年由美國海軍研究局和美國國防部高級研究計(jì)劃局共同投資，麻省理工學(xué)院Draper實(shí)驗(yàn)室對星光折射/星光色散自主導(dǎo)航方案進(jìn)行了研究和論證，結(jié)果表明在一個軌道周期可觀測40顆折射星的理想條件下，導(dǎo)航精度可以達(dá)到100m。90年代初投入使用的MADAN(mult1-mission attitude determination and autonomous navigation)導(dǎo)航系統(tǒng)(多任務(wù)姿態(tài)確定和自主導(dǎo)航系統(tǒng))便利用了星光折射原理。二十世紀(jì)80年代初期，法國也進(jìn)行了星光折射法自主導(dǎo)航的研究。1985年和1986年，CNES多次釋放平流層氣球?qū)π枪庹凵溥M(jìn)行了實(shí)際測量，在此基礎(chǔ)上，對大氣折射的精確模型、測量方案、自然環(huán)境對系統(tǒng)觀測的約束、誤差分配和系統(tǒng)性能優(yōu)化等方面進(jìn)行了深入的分析和仿真試驗(yàn)，當(dāng)時預(yù)計(jì)該系統(tǒng)導(dǎo)航精度為300m。
[0003]基于星光折射間接敏感地平的方法是一種低成本、高精度的自主導(dǎo)航方法。傳統(tǒng)的星光折射方法中使用了兩個星敏感器，一個用來敏感非折射星，另一個用來觀測折射星，多個星敏感器的使用不僅增加了設(shè)計(jì)成本，而且增加了初始校準(zhǔn)中安裝矩陣的校準(zhǔn)負(fù)擔(dān)。針對這種情況，本發(fā)明公開了一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法。由于星敏感器的安裝角度決定了衛(wèi)星在一個周期內(nèi)觀測到的折射星數(shù)目，從而影響到導(dǎo)航的精度。因此，本發(fā)明利用球面幾何原理給出了一種計(jì)算星敏感器最佳安裝角度范圍的方法。在量測信息的獲取過程中，折射角的求取是最重要的一環(huán)，而折射星的識別是折射角計(jì)算的前提。本發(fā)明依據(jù)折射星和非折射星的區(qū)別，給出了一種只使用一個星敏感器就可以進(jìn)行折射星識別的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了提高星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航的精度、降低設(shè)計(jì)成本，提出了一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法
[0005]一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法，包括以下幾個步驟:
[0006]步驟一:按照最佳安裝角度將星敏感器安裝在衛(wèi)星上；
[0007]步驟二:星敏感器拍 攝星圖后，使用三角形算法識別星圖中的正常星；
[0008]步驟三:利用識別的正常星計(jì)算星敏感器光軸指向和衛(wèi)星姿態(tài)；
[0009]步驟四:根據(jù)星敏感器光軸指向從星表中選星生成模擬折射星圖；
[0010]步驟五:利用模擬折射星圖識別折射星，根據(jù)識別結(jié)果計(jì)算星光折射角；[0011]步驟六:將星光折射角代入系統(tǒng)模型，星載計(jì)算機(jī)利用最優(yōu)估計(jì)方法得到衛(wèi)星的導(dǎo)航信息。
[0012]一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法，還包括:
[0013](I)星敏感器的最佳安裝角度的范圍是:
[0014]0 G (a4，a3)
[0015]其中，
【權(quán)利要求】
1.一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法，其特征在于，包括以下幾個步驟: 步驟一:按照最佳安裝角度將星敏感器安裝在衛(wèi)星上； 步驟二:星敏感器拍攝星圖后，使用三角形算法識別星圖中的正常星； 步驟三:利用識別的正常星計(jì)算星敏感器光軸指向和衛(wèi)星姿態(tài)； 步驟四:根據(jù)星敏感器光軸指向從星表中選星生成模擬折射星圖； 步驟五:利用模擬折射星圖識別折射星，根據(jù)識別結(jié)果計(jì)算星光折射角； 步驟六:將星光折射角代入系統(tǒng)模型，星載計(jì)算機(jī)利用最優(yōu)估計(jì)方法得到衛(wèi)星的導(dǎo)航信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法，其特征在于，所述的最佳安裝角度的范圍是:
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法，其特征在于，所述的模擬折射星圖的具體生成方法是: 利用星敏感器的光軸指向和星敏感器參數(shù)從星表中選擇落在星敏感器視場中星光矢量為s的折射星，將折射星投影到星敏感器像平面上；
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法，其特征在于，所述的星光折射角是:

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法，其特征在于，所述的星光折射角是:
R = arccos(5'l5',) 其中，

6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法，其特征在于，所述的系統(tǒng)模型包括狀態(tài)模型和量測方程，系統(tǒng)的狀態(tài)模型是:

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法，其特征在于，星敏感器的最佳安裝角度為:
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法，其特征在于，星敏感器能夠觀測到的折射星數(shù)目為:
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法，其特征在于，所述的衛(wèi)星的軌道高度為686km，軌道長半軸為7064.14km，偏心率為0，軌道傾角為98.1358°，升交點(diǎn)赤經(jīng)為254.145°，近升角距為0，星敏感器精度為3 "，星敏感視場0fqv=12° X12°，像平面分辨率為1024X1024，星敏感器的最佳安裝角度的范圍邊界a 4=64.77。，a 3=65.36。。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于單星敏感器的星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法，其特征在于，所述的衛(wèi)星的軌道高度為686km，軌道長半軸為7064.14km，偏心率為0，軌道傾角為98.1358°，升交點(diǎn)赤經(jīng)為254.145°，近升角距為0，星敏感器精度為3 "，星敏感視場0Fov=12° X12°，像平面分辨率為1024X1024，星敏感器的最佳安裝角度0 =65.06°。
【文檔編號】G01C21/24GK103616028SQ201310624874
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】錢華明, 孫龍, 蔡佳楠, 黃蔚, 王大偉, 徐健雄 申請人:哈爾濱工程大學(xué)