基於日地月集成敏感器脈衝數據的衛星高精度自主導航方法
2023-07-29 19:30:31 2
專利名稱：基於日地月集成敏感器脈衝數據的衛星高精度自主導航方法
技術領域：
本發明涉及衛星導航領域，具體涉及利用日地月集成敏感器測量得到的日、地、月光學脈衝數據，對衛星的位置、速度以及姿態進行自主確定的方法。
背景技術：
日地月自主導航系統由導航敏感器和導航計算機組成。導航計算機對導航敏感器的測量值進行處理，經過一定的導航算法，實時定出衛星的位置和速度，從而實現衛星的自主導航。日地月集成敏感器如
圖1和圖2所示，由地球紅外雙圓錐掃描式敏感器和兩個扇形狹縫視場的掃描日月敏感器組成，地球紅外雙圓錐掃描式敏感器具有單一的光學掃描頭部，利用反射鏡結構得到兩個紅外視場，掃描後紅外視場的軌跡是兩個共軸的圓錐，光學頭部掃描一圈，熱電檢測器最多可以檢測到四個地平穿越信號，由信號出現的時刻可以確定地心方向矢量相對於衛星的方位，並可求得衛星到地心的距離。在地球紅外雙圓錐掃描式敏感器的基礎上增加了兩個可見光敏感器，在光學頭部的掃描過程中，扇形狹縫視場掃過球帶區域，利用矽光二極體檢測器可以敏感到太陽和月球，根據太陽、月球在扇形狹縫視場中出現的時刻可以求得其方向矢量相對於衛星的方位。檢測器具有多個光強閾值，可以辨別太陽和月球信號，並且可以剔除地球信號。日地月導航系統就是利用該類敏感器來確定日地月的方位，從而進行衛星自主導航的系統。目前對日地月導航系統的研究途徑主要是體現在利用夾角信息，來研究導航算法，沒有考慮測量原理，因此也無法體現地球扁率、上下弦時候月球光心和質心不重合的這些重要因素，和工程實際相差較遠。脈衝數據作為導航系統的原始數據，裡面包含了一切信息(噪聲、地球扁率、上下弦月球光心和質心不重合，等等)，本發明的目的在於研究日地月集成敏感器的測量原理， 並研究基於脈衝數據的高精度日地月導航算法，這種算法能夠對地球扁率進行補償，也能夠對上下弦期間的月球脈衝進行補償。
發明內容
本發明為了解決現有方法中脈衝數據作為導航系統的原始數據其中裡面包含了噪聲、地球扁率、上下弦月球光心和質心不重合的問題，而提出了基於日地月集成敏感器脈衝數據的衛星高精度自主導航方法。本發明的目的在於日地月集成敏感器的測量原理，並基於脈衝數據的高精度日地月導航算法，這種算法能夠對地球扁率進行補償，也能夠對上下弦期間的月球脈衝進行補償。本發明基於日地月集成敏感器脈衝數據的衛星高精度自主導航方法的步驟如下步驟一由地球紅外雙圓錐掃描式敏感器和兩個扇形狹縫視場的掃描日月敏感器組成的導航敏感器嚮導航計算機提供脈衝數據；
步驟二 根據脈衝數據進行三個天體的方位確定確定地心方向矢量在測量坐標系下的坐標、日心方向矢量在測量坐標系下的坐標和月心方向矢量在測量坐標系下的坐標Ms1se，以及地心距r;步驟三由地心方向矢量在測量坐標系下的坐標、日心方向矢量在測量坐標系下的坐標和月心方向矢量在測量坐標系下的坐標Ms1se計算出日心方向矢量和地心方向矢量的內積，以及月心方向矢量和地心方向矢量的內積
權利要求
1.基於日地月集成敏感器脈衝數據的衛星高精度自主導航方法，其特徵在於它步驟如下步驟一由地球紅外雙圓錐掃描式敏感器和兩個扇形狹縫視場的掃描日月敏感器組成的導航敏感器嚮導航計算機提供脈衝數據；步驟二 根據脈衝數據進行三個天體的方位確定確定地心方向矢量在測量坐標系下的坐標、日心方向矢量在測量坐標系下的坐標月心方向矢量在測量坐標系下的坐標Ms1se，以及地心距r ；步驟三由地心方向矢量在測量坐標系下的坐標&E、日心方向矢量在測量坐標系下的坐標和月心方向矢量在測量坐標系下的坐標Ms1se計算出日心方向矢量和地心方向矢量的內積，以及月心方向矢量和地心方向矢量的內積// —tT7uES 一 ^S\SE sijSEc^em = M 群 E 肌步驟四進行雙矢量粗定姿，定義三個兩兩正交的矢量如下 V1 :rmXrs/I rmXrsV2 =rm/|rj(1)V3 ^1Xv2其中，rm為星月矢量，rs為星日矢量；所述的星月矢量rm和星日矢量rs在慣性坐標系下的表示由地月矢量、地日矢量近似得到，而地月矢量和地日矢量可以由星曆得到；設Vl、v2, V3在慣性坐標系下的表示為E1, E2, &，在測量坐標系下的表示為e2, %，則慣性坐標繫到測量坐標系的旋轉矩陣Rsei — LeI 『 e2，e3 HE1 ，E2，E3」(2)步驟五導航初始化，初始位置粗略估計用下式計算r0 — "I1RiseEse(3)其中，尺1=T^i,A5ej由公式⑵得到；初始速度粗略估計則有兩個相鄰時刻的位置做近似差分得到；步驟六採用最小二乘導航算法進行粗導航運算得到導航結果； 步驟七利用步驟六中的粗導航的導航結果，修正星月矢量^的值，從而得到修正後的星月矢量完成了月球方位的精細化；步驟八進行雙矢量精定姿，星月矢量rm在慣性坐標系下的表示由上一步產生的修正後的星月矢量替代，星日矢量&不變，定義三個兩兩正交的矢量如下 νι 『 :rm 修 Xrs/I Xrs IV2' =rIiiftt/ I rIiifttV3' ^1Xv2設V/ > V2 『 ,V3'在慣性系下的表示為E1'，E2' , E3'，在本體坐標系下的表示為 e/ , e2' , e3'也是可求的；則修正的雙矢量定姿的慣性坐標繫到測量坐標系的旋轉矩陣Rsei — LeI ，e2 ，e3，E2 ， E3 Γ1 (4) 步驟九考慮地球扁率基於步驟八中修正的雙矢量定姿的慣性坐標繫到測量坐標系的旋轉矩陣修正地心距r和地心方位矢量Ese，得到修正後的地心距1^和修正後的地心方位矢量ESE修，步驟十採用最小二乘導航算法進行精導航運算得到最終的導航結果。
2.根據權利要求1所述的基於日地月集成敏感器脈衝數據的衛星高精度自主導航方法，其特徵在於步驟二中的地心方向矢量在測量坐標系下的坐的確定過程，以及地心距r的確定過程如下地球紅外雙圓錐掃描式敏感器上的兩個紅外探頭掃入地球時相對於測量坐標系的方位角為
3.根據權利要求1所述的基於日地月集成敏感器脈衝數據的衛星高精度自主導航方法，其特徵在於步驟二中的日心方向矢量在測量坐標系下的坐標&_的確定過程如下 日心方位在測量本體坐標系下的方位角和高度角為
4.根據權利要求1所述的基於日地月集成敏感器脈衝數據的衛星高精度自主導航方法，其特徵在於步驟二中的月心方向矢量在測量坐標系下的坐Sms1se的確定過程如下 滿月期間的月心方位在測量坐標系下的方位角和高度角為
5.根據權利要求1所述的基於日地月集成敏感器脈衝數據的衛星高精度自主導航方法，其特徵在於步驟七修正星月矢量rm，從粗導航中初步確定衛星在慣性坐標系下的位置 rb,而月球慣性位置由星曆求得，從而確定星月矢量rm在慣性坐標系下的表示，修正公式如下rm 修一Rm_rb
6.根據權利要求1所述的基於日地月集成敏感器脈衝數據的衛星高精度自主導航方法，其特徵在於步驟九對地心距r和地心方位矢量重新計算具體如下由測量幾何分析，可知地心到地球表面的矢量&為
7.根據權利要求1所述的基於日地月集成敏感器脈衝數據的衛星高精度自主導航方法，其特徵在於步驟六和步驟十中的最小二乘導航算法為假設N個觀測時刻t1; t2，…，、的觀測量為 所述的觀測量是月地之間的夾角和日地之間的夾角，由步驟三內積的反餘弦得到，其真值為 令殘差為
全文摘要
基於日地月集成敏感器脈衝數據的衛星高精度自主導航方法，它涉及衛星導航領域。它為了解決現有方法中脈衝數據作為導航系統的原始數據其中裡面包含了噪聲、地球扁率、上下弦月球光心和質心不重合的問題而提出的。步驟如下一、嚮導航計算機提供脈衝數據；二根據脈衝數據進行三個天體的方位確定三由計算日心方向矢量和地心方向矢量的內積，以及月心方向矢量和地心方向矢量的內積四進行雙矢量粗定姿；五導航初始化六進行粗導航運算得到導航結果；七完成月球方位的精細化；八進行雙矢量精定姿，九修正地心距和地心方位矢量；十精導航運算得到最終的導航結果。它消除了脈衝數據裡面包含的噪聲、地球扁率、上下弦月球光心和質心不重合的帶來的影響。
文檔編號G01C21/20GK102162731SQ201110005239
公開日2011年8月24日 申請日期2011年1月12日 優先權日2011年1月12日
發明者李茂登, 荊武興, 黃翔宇 申請人:哈爾濱工業大學