申请/专利权人：北京航空航天大学

申请日：2021-07-21

公开（公告）日：2024-05-28

公开（公告）号：CN113551668B

主分类号：G01C21/16

分类号：G01C21/16;G01C21/20;G01C21/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.05.28#授权;2021.11.12#实质审查的生效;2021.10.26#公开

摘要：本发明涉及一种航天器惯性恒星星光矢量星光折射组合导航方法，利用恒星星光矢量修正平台失准角，利用星光折射修正航天器位置误差，实现同时修正航天器位置和姿态误差的目的。首先以平台失准角，航天器位置误差，速度误差，陀螺漂移和加计偏置为系统状态量，根据惯导解算原理，建立基于惯导误差方程的系统状态模型。然后以恒星星光矢量和折射星的星点像素坐标为量测量建立量测模型。由于系统状态模型和量测模型均为非线性方程，因此使用UKFUnscentedKalmanFilter对系统状态量进行估计，进而得到航天器的位置，速度和姿态信息。本发明属于航天器自主导航领域，可为航天器提供高精度的位置，速度及姿态信息，对航天器自主导航具有重要的实际意义。

主权项：1.一种航天器惯性恒星星光矢量星光折射组合导航方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：以航天器的平台失准角、速度误差、位置误差、陀螺漂移和加计偏置为状态量，建立航天器的状态方程；步骤2：利用星敏感器获得恒星星光矢量和折射星星点像素坐标，将恒星星光矢量和折射星星点像素坐标两者作为组合导航系统量测量，根据量测量与状态量间的关系，建立基于恒星星光矢量和折射星星点像素坐标的量测方程；步骤3：步骤1得出的状态方程和步骤2的量测方程均为非线性，采用UKF作为滤波方法估计航天器的位置，速度和姿态信息；所述步骤1中的状态方程如下： 其中状态量为[φEφNφU]T表示东向，北向和天向的数学平台失准角，分别为在东向，北向和天向的速度误差，[δLδλδH]T表示在经度，纬度和高度方向的位置误差,[εE,εN,εU]T表示在东向，北向和天向的陀螺漂移，表示在东向，北向和天向的加计偏置，为t时刻Xt的导数，Ft为系统状态转移函数，wt为系统过程噪声；其中，平台失准角方程： 其中，[VEVNVU]T表示东向，北向和天向的速度，[LλH]分别表示当地经度，纬度和高度，[εEεNεU]为东北天向的陀螺漂移，ωie为地球自转角速度，e为克拉索夫斯基椭圆度，RN＝Re1+esin2L，RM＝Re1-2e+3esin2L分别为沿子午圈和卯酉圈的主曲率半径；速度误差方程 其中，fE,fN,fU分别为东北天方向上的比力，分别为东北天向的加计常值偏置；位置误差方程 惯性器件误差方程 所述步骤2中，基于恒星星光矢量的量测方程如下：星敏感器拍摄得到星图，得到恒星在星敏感器坐标系即s系下的星光矢量信息即Ss，经过星图识别和星图匹配处理得到该颗恒星在惯性系下的星光矢量信息Si，由Si和Ss之间的关系，得到星敏感器坐标系相对于惯性坐标系的转移矩阵中含航天器位置，速度和姿态信息，具体过程如下：星敏感器提供的星敏感器坐标系下的星光方向矢量为[xcyc]，结合敏感器的焦距信息f，计算得到恒星方向矢量在像平面的三维位置坐标Ss： Ss和Si之间的关系表示为： 其中为星敏感器安装矩阵，为导航系即n系相对本体系即b系的旋转矩阵，含航天器姿态信息，为地球系即e系相对n系的旋转矩阵，含航天器位置信息，为i系相对e系的旋转矩阵；基于恒星星光矢量的系统量测方程为：Z1,k＝h1Xk+V1,k4式中，h1·表示基于恒星星光矢量的量测方程，V1,k表示恒星星光矢量的量测噪声；所述步骤2中，基于折射星星点像素坐标的量测方程如下：星敏感器在某一时刻所拍摄得到的星图，通过星图识别方法和质心提取方法，得到这些星点在星敏感器坐标系下的像素坐标记为：u1,v1，通过星敏感器的成像原理得到这些星点在星敏感器坐标系中的三维坐标，记为根据星图识别方法得到这些星点在惯性系下的坐标，记为结合敏感器的光轴指向和标准星表，得到这些星点在未折射前的星图，通过对比识别出所有的折射星，所有折射星的坐标记为ui,vi,i＝1,2,...nk，nk取决于折射星的个数；基于折射星星点像素坐标的量测方程计算过程包括：折射角的计算，惯性系下的折射矢量的计算，以及星点像素坐标的计算三个重要步骤，具体计算过程如下：①计算星光折射角的估计值根据星光大气折射模型得到以下公式： 式中，ha表示星光折射视高度，表示折射角的估计值；通过星光折射几何关系，折射视高度还表示为： 式中r＝[xyz]为航天器在惯性系下的位置矢量，r为航天器位置矢量r的长度，u＝|r·S|＝rcosα，S为恒星单位矢量，Re为地球半径，α为由几何关系产生的一个极小量，可忽略；结合公式5和6，得到： 通过解算公式7则得到星光折射角的估计值②计算惯性坐标系下的折射星矢量估计值 式中：C为旋转矩阵，表达式为： q1,q2,q3,q4为四元数，表达式分别为： 其中：③计算星敏感器坐标下的折射星矢量和折射星像素坐标的估计值折射星矢量在星敏感器坐标系中的折射矢量估计为： 折射星星点像素坐标的估计值为： 则基于折射星星点像素坐标的量测方程简化为： 式中：h2·为基于折射星像素坐标的量测方程，V2,k为折射星星点像素坐标量测噪声；综上，航天器惯性恒星星光矢量星光折射组合导航的系统量测方程为：

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权利要求：

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