一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法
2023-05-01 23:05:36 1
一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法，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星上；步驟二，星敏感器拍攝星圖後，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算星敏感器光軸指向和衛星姿態；步驟四，根據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，根據識別結果計算星光折射角；步驟六，將星光折射角代入系統模型，星載計算機利用最優估計方法得到衛星的導航信息。本發明提高了星光折射衛星自主導航的精度、降低了設計成本。
【專利說明】一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法，屬於衛星自主導航和星圖識別的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]由於星光折射間接敏感地平的方法是一種低成本、高精度的自主導航方法。美國對於星光折射法自主導航的研究工作可以追溯到60年代。在實施Apollo計劃的過程中，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現自主導航的方案進行了研究.1975年由美國海軍研究局和美國國防部高級研究計劃局共同投資，麻省理工學院Draper實驗室對星光折射/星光色散自主導航方案進行了研究和論證，結果表明在一個軌道周期可觀測40顆折射星的理想條件下，導航精度可以達到100m。90年代初投入使用的MADAN(mult1-mission attitude determination and autonomous navigation)導航系統(多任務姿態確定和自主導航系統)便利用了星光折射原理。二十世紀80年代初期，法國也進行了星光折射法自主導航的研究。1985年和1986年，CNES多次釋放平流層氣球對星光折射進行了實際測量，在此基礎上，對大氣折射的精確模型、測量方案、自然環境對系統觀測的約束、誤差分配和系統性能優化等方面進行了深入的分析和仿真試驗，當時預計該系統導航精度為300m。
[0003]基於星光折射間接敏感地平的方法是一種低成本、高精度的自主導航方法。傳統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計成本，而且增加了初始校準中安裝矩陣的校準負擔。針對這種情況，本發明公開了一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法。由於星敏感器的安裝角度決定了衛星在一個周期內觀測到的折射星數目，從而影響到導航的精度。因此，本發明利用球面幾何原理給出了一種計算星敏感器最佳安裝角度範圍的方法。在量測信息的獲取過程中，折射角的求取是最重要的一環，而折射星的識別是折射角計算的前提。本發明依據折射星和非折射星的區別，給出了一種只使用一個星敏感器就可以進行折射星識別的方法。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了提高星光折射衛星自主導航的精度、降低設計成本，提出了一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法
[0005]一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法，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星上；
[0007]步驟二:星敏感器拍 攝星圖後，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算星敏感器光軸指向和衛星姿態；
[0009]步驟四:根據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，根據識別結果計算星光折射角；[0011]步驟六:將星光折射角代入系統模型，星載計算機利用最優估計方法得到衛星的導航信息。
[0012]一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法，還包括:
[0013](I)星敏感器的最佳安裝角度的範圍是:
[0014]0 G (a4，a3)
[0015]其中，
【權利要求】
1.一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法，其特徵在於，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星上； 步驟二:星敏感器拍攝星圖後，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算星敏感器光軸指向和衛星姿態； 步驟四:根據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，根據識別結果計算星光折射角； 步驟六:將星光折射角代入系統模型，星載計算機利用最優估計方法得到衛星的導航信息。
2.根據權利要求1所述的一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法，其特徵在於，所述的最佳安裝角度的範圍是:
3.根據權利要求1或2所述的一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法，其特徵在於，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.根據權利要求1或2所述的一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法，其特徵在於，所述的星光折射角是:
5.根據權利要求3所述的一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法，其特徵在於，所述的星光折射角是:
R = arccos(5'l5',) 其中，
6.根據權利要求1或2所述的一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法，其特徵在於，所述的系統模型包括狀態模型和量測方程，系統的狀態模型是:
7.根據權利要求2所述的一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法，其特徵在於，星敏感器的最佳安裝角度為:
8.根據權利要求7所述的一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法，其特徵在於，星敏感器能夠觀測到的折射星數目為:
9.根據權利要求1或2所述的一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法，其特徵在於，所述的衛星的軌道高度為686km，軌道長半軸為7064.14km，偏心率為0，軌道傾角為98.1358°，升交點赤經為254.145°，近升角距為0，星敏感器精度為3 "，星敏感視場0fqv=12° X12°，像平面解析度為1024X1024，星敏感器的最佳安裝角度的範圍邊界a 4=64.77。，a 3=65.36。。
10.根據權利要求7所述的一種基於單星敏感器的星光折射衛星自主導航方法，其特徵在於，所述的衛星的軌道高度為686km，軌道長半軸為7064.14km，偏心率為0，軌道傾角為98.1358°，升交點赤經為254.145°，近升角距為0，星敏感器精度為3 "，星敏感視場0Fov=12° X12°，像平面解析度為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 優先權日:2013年11月29日
【發明者】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