一種基于星光折射確定地心矢量的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于星光折射確定地心矢量的方法，該方法利用星敏感器通過(guò)確定星光的折射路徑確定出過(guò)地心的平面，共采用了三個(gè)星敏感器，其中星敏感器A指向天頂方向，用于觀測(cè)直射的恒星，星敏感器B和C指向接近水平方向，用于觀測(cè)折射的恒星。根據(jù)星敏感器A獲取的星圖和三個(gè)星敏感器的安裝矩陣可獲得B和C的模擬直射星圖，通過(guò)將所述模擬直射星圖與B和C實(shí)際拍攝的折射星圖進(jìn)行匹配可確定星光折射前后的方向。由星光折射前后的方向可得到過(guò)地心的平面，通過(guò)求解兩個(gè)過(guò)地心平面的交線可確定當(dāng)?shù)氐牡匦氖噶糠较颍傻匦氖噶糠较蚩捎?jì)算得到水平姿態(tài)。該發(fā)明可用于確定艦船、飛機(jī)、衛(wèi)星等運(yùn)動(dòng)載體的地心矢量方向及水平姿態(tài)。
【專利說(shuō)明】一種基于星光折射確定地心矢量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種導(dǎo)航方法，可用于艦船、飛機(jī)、衛(wèi)星等運(yùn)動(dòng)載體導(dǎo)航所需的地心矢量的精確確定。特別涉及一種基于星光折射確定地心矢量的方法，利用星敏感器通過(guò)觀測(cè)直射與折射星光實(shí)現(xiàn)地心矢量的計(jì)算，適用于艦船、飛機(jī)等運(yùn)動(dòng)載體的地心矢量計(jì)算、水平姿態(tài)獲取和導(dǎo)航解算。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前艦船、飛機(jī)和衛(wèi)星等載體均需要獲取自身的水平姿態(tài)，所獲取的水平姿態(tài)精度直接影響導(dǎo)航定位的精度。地心矢量作為當(dāng)?shù)厮矫娴姆ň€，是確定載體水平姿態(tài)的最直接和有效的量測(cè)信息?，F(xiàn)有獲取水平姿態(tài)的方法基本都是通過(guò)測(cè)量地心矢量方向，因此地心矢量方向的測(cè)量精度對(duì)于艦船、飛機(jī)等的導(dǎo)航定位非常重要。
[0003]在載體靜止時(shí)可利用傾角計(jì)、加速度計(jì)等測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量地心矢量方向，從而獲得水平姿態(tài)。但在載體運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于存在水平加速度，會(huì)導(dǎo)致上述測(cè)量?jī)x器受水平加速度影響而無(wú)法提供正確的結(jié)果。因此當(dāng)載體運(yùn)動(dòng)時(shí)，目前通常利用陀螺儀來(lái)獲得地心矢量和水平姿態(tài)。
[0004]由于陀螺的姿態(tài)基準(zhǔn)是通過(guò)定軸性保證的，無(wú)法提供直接的地心矢量信息，因此其存在兩個(gè)問(wèn)題。一方面由于陀螺儀存在不可避免的常值漂移，會(huì)導(dǎo)致其提供的地心矢量和水平姿態(tài)誤差隨時(shí)間積累，必須利用其他導(dǎo)航系統(tǒng)，如天文導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等提供的信息對(duì)其進(jìn)行校正，因此也就增加了成本和復(fù)雜性。另一方面，由于陀螺的姿態(tài)基準(zhǔn)本質(zhì)上是相對(duì)慣性坐標(biāo)系的，而地心矢量和水平姿態(tài)是由當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系決定的，當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系又是由載體所在的位置決定的，因此如果載體存在位置誤差，就會(huì)導(dǎo)致地理坐標(biāo)系不準(zhǔn)，此時(shí)，載體相對(duì)地理坐標(biāo)系的地心矢量和水平姿態(tài)的誤差將被其位置誤差所影響。
[0005]綜上，目前基于傾角計(jì)、加速度計(jì)的地心矢量確定方法在載體運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受水平加速度影響，而基于陀螺測(cè)量的地心矢量和水平姿態(tài)獲取方式，受其測(cè)量原理和敏感器精度的限制，存在姿態(tài)誤差隨時(shí)間累積并受位置誤差影響的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有基于傾角計(jì)、加速度計(jì)的地心矢量確定方法受水平加速度影響，基于陀螺的地心矢量獲取方法誤差隨時(shí)間累積并受位置誤差影響的問(wèn)題的不足，提出一種不受水平加速度和位置誤差影響，并且其測(cè)量誤差也不會(huì)隨時(shí)間累積的地心矢量確定方法。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為:一種基于星光折射確定地心矢量的方法，包括:根據(jù)星敏感器A的實(shí)拍星圖，計(jì)算星敏感器A的姿態(tài)矩陣；根據(jù)星敏感器A的所述姿態(tài)矩陣和星敏感器B和C相對(duì)于星敏感器A的安裝矩陣，計(jì)算星敏感器B和C在慣性坐標(biāo)系中的光軸指向；根據(jù)所述光軸指向、星敏感器B和C的視場(chǎng)和標(biāo)準(zhǔn)星表，生成星敏感器B和C視場(chǎng)內(nèi)的模擬星圖；將星敏感器B和C實(shí)拍星圖與所述模擬星圖進(jìn)行匹配識(shí)別，確定折射前后的星光矢量；根據(jù)基于所述折射前后的星光矢量確定的兩個(gè)過(guò)地心的平面，確定地心矢量，所述兩個(gè)過(guò)地心的平面的法線向量互相不平行；
[0008]所述方法包括以下步驟:
[0009](I)利用傳統(tǒng)星圖識(shí)別方法對(duì)星敏感器A的實(shí)拍星圖進(jìn)行星圖匹配，確定星敏感器A的姿態(tài)矩陣Mi ,即從星敏感器A的本體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的變換矩陣；
[0010](2)計(jì)算星敏感器B和C的光軸指向:
[0011]根據(jù)星敏感器B相對(duì)于星敏感器A的安裝矩陣和星敏感器A的姿態(tài)矩陣Mi，確定從星敏感器B本體坐標(biāo)系到慣性系的坐標(biāo)變換矩陣W
[0012]Μ^ = Μ'Α.{Μ-- -
[0013]星敏感器B的光軸指向Lb在其本體坐標(biāo)系中為[O O 1]τ。根據(jù)所述坐標(biāo)變換矩陣，確定星敏感器B的光軸Lb在慣性空間中的指向?yàn)?
[0014]Lb = M111 - [O O 1]τ
[0015]根據(jù)星敏感器C相對(duì)于星敏感器A的安裝矩陣和所述姿態(tài)矩陣Mi，確定從星敏感器C本體坐標(biāo)系到慣性系的坐標(biāo)變換矩陣Mi,;
[0016]星敏感器C的光軸指向L。在其本體坐標(biāo)系中為[O O 1]τ。根據(jù)所述坐標(biāo)變換矩陣Ml確定星敏感器C的光軸L。在慣性空間中的指向:
[0017]Lc = Mi [O O If
[0018](3)生成星敏感器B和C的模擬直射星圖:
[0019]根據(jù)星敏感器B的所述光軸指向Lb、星敏感器B的視場(chǎng)和標(biāo)準(zhǔn)星表，生成星敏感器B所述視場(chǎng)內(nèi)的模擬直射星圖1B * ；
[0020]根據(jù)星敏感器C的光軸指向L。、星敏感器C的視場(chǎng)和標(biāo)準(zhǔn)星表，生成星敏感器C所述視場(chǎng)內(nèi)的模擬直射星圖1C * ；
[0021](4)獲取折射前后的星光矢量:
[0022]將星敏感器B的實(shí)拍折射星圖1B與所述模擬折射星圖1B *進(jìn)行匹配識(shí)別，確定恒星b的星光在星敏感器B的成像平面上折射前后的第一星像點(diǎn)位置；根據(jù)所述第一星像點(diǎn)位置和星敏感器B的安裝矩陣，確定所述恒星b的星光在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系中折射前后的星光矢量Sb。和Sb ；
[0023]將星敏感器C實(shí)拍折射星圖1C與所述模擬直射星圖1C ±進(jìn)行匹配識(shí)別，確定恒星c的星光在在星敏感器C的成像平面上折射前后的第二星像點(diǎn)位置；根據(jù)所述第二星像點(diǎn)位置和星敏感器C的安裝矩陣，確定所述恒星c的星光在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系中折射前后的星光矢量S。。和S。；
[0024](5)地心矢量的確定:
[0025]根據(jù)所述Sb。和所述Sb，確定過(guò)地心的第一平面，所述第一平面的法向量為nb =SbtjXSb;根據(jù)所述S。。和所述S。，確定過(guò)地心的第二平面，所述第二平面的法向量為η。=ScoXSc ;根據(jù)所述第一平面和所述第二平面的交線,確定地心矢量:r = nbXn。。
[0026]本發(fā)明的原理在于:[0027]首先根據(jù)星敏感器A拍攝得到的直射星圖，計(jì)算得到其姿態(tài)矩陣；其次根據(jù)星敏感器A的姿態(tài)矩陣，及星敏感器B和C相對(duì)于星敏感器A的安裝矩陣，計(jì)算得星敏感器B和C在慣性坐標(biāo)系中的光軸指向。接著利用星敏感器B和C的光軸指向和星敏感器的視場(chǎng)等參數(shù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)星表生成星敏感器B和C視場(chǎng)內(nèi)的模擬直射星圖。將星敏感器B和C實(shí)際拍攝的折射星圖與模擬直射星圖進(jìn)行匹配識(shí)別，分別得到某顆恒星在本體坐標(biāo)系中折射前后的星像點(diǎn)位置，從而確定兩個(gè)過(guò)地心的平面。最后，求這兩個(gè)平面的交線，確定該處的地心矢量的方向。
[0028]具體包括以下步驟:
[0029]1.根據(jù)星敏感器A的直射星圖獲得其姿態(tài)矩陣
[0030]由于星敏感器A光軸近似指向天頂，進(jìn)入其視場(chǎng)的星光將基本垂直進(jìn)入大氣層，因此星敏感器A拍攝的星圖1A的形狀與真實(shí)恒星在天區(qū)中的分布形狀是一致的，可以利用傳統(tǒng)星圖識(shí)別方法對(duì)這些恒星進(jìn)行匹配和識(shí)別。具體方法為從IA拍攝的星圖中選取三顆星，通過(guò)質(zhì)心提取技術(shù)得到這三顆星在星敏感器A坐標(biāo)系中的位畀(T)義4，Ζ?)(卜I, 2, 3)，根據(jù)星圖識(shí)別方法得到這三顆星在慣性空間中的位置(XL,YLZL) (/=1, 2, 3)。記星敏感器A坐標(biāo)系的XA，\，Za三軸在慣性空間中的指向分別為(Χ[4,Υ:4,Ζ.4)、(?,?,?)、(Χ?Α,ΤΑ,Ζ?4),可得:
【權(quán)利要求】
1.一種基于星光折射確定地心矢量的方法，其特征包括:根據(jù)星敏感器A的實(shí)拍星圖，計(jì)算星敏感器A的姿態(tài)矩陣；根據(jù)星敏感器A的所述姿態(tài)矩陣和星敏感器B和C相對(duì)于星敏感器A的安裝矩陣，計(jì)算星敏感器B和C在慣性坐標(biāo)系中的光軸指向；根據(jù)所述光軸指向、星敏感器B和C的視場(chǎng)和標(biāo)準(zhǔn)星表，生成星敏感器B和C視場(chǎng)內(nèi)的模擬直射星圖；將星敏感器B和C實(shí)拍折射星圖與所述模擬直射星圖進(jìn)行匹配識(shí)別，確定折射前后的星光矢量；根據(jù)基于所述折射前后的星光矢量確定的兩個(gè)過(guò)地心的平面，所述兩個(gè)過(guò)地心平面的交線即為地心矢量，所述兩個(gè)過(guò)地心的平面的法線向量互相不平行； 所述方法包括以下步驟: (1)利用傳統(tǒng)星圖識(shí)別方法對(duì)星敏感器A的實(shí)拍星圖進(jìn)行星圖匹配，確定星敏感器A的姿態(tài)矩陣Mi，即從星敏感器A的本體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的變換矩陣； (2)計(jì)算星敏感器B和C的光軸指向: 根據(jù)星敏感器B相對(duì)于星敏感器A的安裝矩陣W和星敏感器A的姿態(tài)矩陣Ma確定從星敏感器B本體坐標(biāo)系到慣性系的坐標(biāo)變換矩陣Μ?: Μ^=Μ1.(Μ?)τ; 星敏感器B的光軸指向Lb在其本體坐標(biāo)系中為[O O 1]τ。根據(jù)所述坐標(biāo)變換矩陣W確定星敏感器B的光軸Lb在慣性空間中的指向?yàn)? Lb =Mn-[O O 1]τ 根據(jù)星敏感器C相對(duì)于星敏感器A的安裝矩陣和所述姿態(tài)矩陣Mih，確定從星敏感器C本體坐標(biāo)系到慣性系的坐標(biāo)變換矩陣I 星敏感器C的光軸指向L。在 其本體坐標(biāo)系中為[O O I]τ。根據(jù)所述坐標(biāo)變換矩陣V/ ,確定星敏感器C的光軸L。在慣性空間中的指向:
Lc = Mic - [O O 1]τ (3)生成星敏感器B和C的模擬直射星圖: 根據(jù)星敏感器B的所述光軸指向Lb、星敏感器B的視場(chǎng)和標(biāo)準(zhǔn)星表，生成星敏感器B所述視場(chǎng)內(nèi)的模擬直射星圖1B * ； 根據(jù)星敏感器C的光軸指向L。、星敏感器C的視場(chǎng)和標(biāo)準(zhǔn)星表，生成星敏感器C所述視場(chǎng)內(nèi)的模擬直射星圖1C * ； (4)獲取折射前后的星光矢量: 將星敏感器B的實(shí)拍折射星圖1B與所述模擬折射星圖1B *進(jìn)行匹配識(shí)別，確定恒星b的星光在星敏感器B的成像平面上折射前后的第一星像點(diǎn)位置；根據(jù)所述第一星像點(diǎn)位置和星敏感器B的安裝矩陣，確定所述恒星b的星光在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系中折射前后的星光矢量Sb。和Sb ； 將星敏感器C實(shí)拍折射星圖1C與所述模擬直射星圖1C *進(jìn)行匹配識(shí)別，確定恒星c的星光在在星敏感器C的成像平面上折射前后的第二星像點(diǎn)位置；根據(jù)所述第二星像點(diǎn)位置和星敏感器C的安裝矩陣，確定所述恒星c的星光在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系中折射前后的星光矢量S。。和S。； (5)地心矢量的確定: 根據(jù)所述Sb。和所述Sb，確定過(guò)地心的第一平面，所述第一平面的法向量為nb =SbtjXSb;根據(jù)所述S。。和所述S。，確定過(guò)地心的第二平面，所述第二平面的法向量為η。=ScoXSc ;根據(jù)所述第一平面和所述第二平面的交線,確定地心矢量:r = nbXn。。
【文檔編號(hào)】G01C1/00GK103630109SQ201310659446
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月8日
【發(fā)明者】寧曉琳, 徐勇志, 王龍華, 鄭帥 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)