一种全天时的星光折射卫星自主定位方法技术

本发明专利技术一种全天时的星光折射卫星自主定位方法，首先采用具有饱和抑制功能的CCD进行观测并获取星图，并对获得的星图进行图像处理，提取未折射星和折射星；用三角匹配算法实现该星图与导航星表的星图匹配，获得星图上每颗星的赤经、赤纬；从星图中为每颗折射星寻找离自身最近的恒星，作为该颗折射星的对应星，计算获得每颗折射星的折射角γ；根据大气模型和折射角，计算获得每颗折射星的切向高度h；选取观测星图上三颗折射星，根据他们的赤经、赤纬以及切向高度h，计算获得地心惯性坐标系下卫星的位置；本发明专利技术实现了卫星的全天时高精度天文自主导航，且数据更新率高、涉及设备简单、成本低、功耗低。

【技术实现步骤摘要】
一种全天时的星光折射卫星自主定位方法
本专利技术属于天文导航领域，涉及一种全天时的星光折射卫星自主定位方法，尤其适用于具有全天时和高精度自主导航需求的卫星。
技术介绍
星光折射天文导航是利用光学敏感器测量恒星星光在通过地球边缘大气层时所发生的折射，间接得到地平信息，获得卫星在地心坐标系中的位置，从而确定卫星轨道的方法。星光折射导航的概念自1982年提出至今，受到许多学者的关注，并取得了一定的研究成果，但Robert，Robert和Eliezer(GuidanceandControlConference,Gatlinburg,TN,August15-17,1983:359-367)，Whilte，Thurman和Barnes(ProceedingsoftheForty-FirstAnnualMeeting,theInstituteofNavigation,Annapolis,MD,June25-27,1985:83-89)，Lair和Duchon(ActaAstronautica,1988,17(10):1069-1079)，Ning和Fang(AerospaceScienceandTechnology11(2007)：222-228)等这些主要研究者更多讨论的是不考虑空间环境影响下的星光折射导航位置解算原理和方法，由于地球的光照情况将严重影响星光折射的导航精度，甚至直接导致星光折射导航系统不能获得定位结果，所以之前的方法未能满足卫星自主定位对全天时和高精度的需求。中国专利公开号CN103616028A，公开日是2014年3月5日，名称为“一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法”中公开了一种基于单星敏感器利用星光折射原理进行卫星自主导航的方法，该方法介绍了利用星光折射进行卫星自主导航的基本思路和初步仿真结果，并未解决该方法涉及到的地球强背景下恒星提取等关键技术，所以目前该方法只适用于地球光照条件极好的一小段时间内，不能满足卫星对全天时和高精度自主导航的需求。中国专利公开号CN103630109A，公开日2014年3月12日，名称为“一种基于星光折射确定地心矢量的方法”中公开了一种基于多个星敏感器利用星光折射原理进行地心矢量确定的方法，该方法所需仪器设备多，技术难度大且精度低，不适用于具有全天时和高精度需求的卫星自主导航。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供一种全天时的星光折射卫星自主定位方法，实现了卫星的全天时高精度天文自主导航，且数据更新率高、涉及设备简单、成本低、功耗低。本专利技术的技术解决方案是：一种全天时的星光折射卫星自主定位方法，其特征在于步骤如下：1)采用具有饱和抑制功能的CCD对地球、及其周边大气和大气层外的恒星进行观测并获取星图；观测时，用于观测未经大气折射的未折射星的视场大于50平方度；2)对步骤1)获得的星图进行图像处理；21)对星图进行定标；22)遍历整个星图，设定亮目标信噪比阈值，扣除亮目标，包括地球和亮恒星，再根据星图上剩余的能量分布拟合出背景图，并将该背景图从原始星图中扣除；23)将扣除背景图后的星图进行滤波，设定恒星提取信噪比阈值，提取信噪比大于该阈值的目标，完成对恒星的提取；所述的恒星包括经大气折射的折射星和未经大气折射的未折射星；24)通过恒星形心定位法对步骤23)提取的恒星进行定位，得到每颗恒星在星图上的位置信息；3)根据步骤24)获得的未折射星的位置信息，利用三角匹配算法实现经过步骤2)处理后的星图与导航星表的星图匹配，获得星图上每颗星的赤经、赤纬；4)在导航星表中，为每颗折射星寻找离其自身最近的恒星，作为该颗折射星的对应星，根据折射星的赤经、赤纬以及该颗折射星对应星的赤经、赤纬，计算由折射星及其对应星的赤经、赤纬形成的两个向量的夹角，获得每颗折射星的折射角γ；5)根据大气模型γ＝2350.1074e-0.10326788h和步骤4)获得的折射角γ，计算获得每颗折射星的切向高度h；6)选取观测星图上三颗折射星，根据他们的赤经、赤纬以及切向高度h，计算获得地心惯性坐标系下卫星的位置；61)根据三颗折射星的赤经、赤纬解算中心轴ObE在天球上的位置(αc,δc)；所述的中心轴ObE为以三个折射星方向为母线的圆锥的中心轴；并计算出该圆锥的半锥角η；62)旋转卫星惯性坐标系Fb，使卫星惯性坐标系Fb的Zb轴与ObE方向一致，旋转后的坐标系记为Fd＝(Xd,Yd,Zd)T，其中上标T表示转置，则其转换关系为：其中，表示绕Zb轴逆时针旋转-αc，表示绕Yb轴逆时针旋转δc-90°；根据转换关系转换三颗折射星的坐标，得出在Fd坐标系下的位置为(αi，δi)(i＝1，2，3)；63)根据以下三个方程求解三个变量ξ、αζ2+ξ2-2ζξcos(α-αi)＝ai2，(i＝1，2，3)；其中的hi为第i颗折射星的切向高度；64)根据以下方程获得Fd坐标系中的地心矢量eded＝ζ(cosαXd+sinαYd)+ξctgηZd；65)根据以下坐标转换关系获得地心在卫星惯性坐标系Fb中的矢量eb为66)获得卫星在地心惯性坐标系Fi下的坐标矢量为-eb。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：本专利技术采用了地球强背景下恒星提取技术，保证了星光折射导航可进行全天时的工作，否则当太阳位于星光折射敏感器的后方时，将大部分时间无法开展工作，其它太阳光照情况下，星光折射导航也只能获得有限范围下的折射星，极大地影响了导航精度，因此，在同等条件下，相比于其它方法，基于这项关键技术的星光折射敏感器可获得最大范围下的折射星，即提高了导航精度，也保证了较高的数据更新率。附图说明图1是本专利技术星光折射导航定位流程图；图2是本专利技术恒星相对位置示意图；图3是本专利技术卫星位置解算几何关系图；图4是本专利技术卫星位置解算投影示意图。具体实施方式下面结合附图和实例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术提出一种全天时的星光折射卫星自主定位方法，工作流程见图1，首先基于饱和抑制功能的CCD获取观测图像，进行图像处理，包括地球强背景下恒星提取，接下来基于提取的未折射星和高精度导航星表完成星图识别，证认出折射星对应的恒星，算出折射角，再基于大气模型解算出选取的折射星的切向高度，最后根据折射星的折射角和位置矢量解算每个折射星组合的定位结果。具体实现步骤如下：步骤一：星图成像由于视场中受光照的地球亮度最亮时超过-22星等，而实现星光折射导航视场中至少需有3颗折射星，由于当探测极限星等达到7.5星等时，才可保证运行在GEO轨道时有效视场中(大气层20km～80km)有3颗折射星的概率为96.5％以上，因此，只有使用具有饱和抑制功能的CCD才可实现同一视场中同时对高亮度地球和7.5等恒星的同时探测。观测时采用具有饱和抑制功能的CCD获取星图，实现对高亮度地球和恒星的同时成像。饱和抑制功能可行性分析如下：在空间观测受太阳光照的地球，计算亮地球背景产生的光子数为：X＝ψbAqbtα2上式中ψb为单位像元上的背景光子流，单位：m-2s-1(″)-2；A为望远镜接收面积，单位：m-2；qb为探测器对天空背景的平均量子效率；t为曝光时间，单位：s；α2为单位像元角面积(″)2。目前CCD的满阱电荷一般都能达到120000，并且具有抑制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全天时的星光折射卫星自主定位方法，其特征在于步骤如下：1)采用具有饱和抑制功能的CCD对地球、及其周边大气和大气层外的恒星进行观测并获取星图；观测时，用于观测未经大气折射的未折射星的视场大于50平方度；2)对步骤1)获得的星图进行图像处理；21)对星图进行定标；22)遍历整个星图，设定亮目标信噪比阈值，扣除亮目标，包括地球和亮恒星，再根据星图上剩余的能量分布拟合出背景图，并将该背景图从原始星图中扣除；23)将扣除背景图后的星图进行滤波，设定恒星提取信噪比阈值，提取信噪比大于该阈值的目标，完成对恒星的提取；所述的恒星包括经大气折射的折射星和未经大气折射的未折射星；24)通过恒星形心定位法对步骤23)提取的恒星进行定位，得到每颗恒星在星图上的位置信息；3)根据步骤24)获得的未折射星的位置信息，利用三角匹配算法实现经过步骤2)处理后的星图与导航星表的星图匹配，获得星图上每颗星的赤经、赤纬；4)在导航星表中，为每颗折射星寻找离其自身最近的恒星，作为该颗折射星的对应星，根据折射星的赤经、赤纬以及该颗折射星对应星的赤经、赤纬，计算由折射星及其对应星的赤经、赤纬形成的两个向量的夹角，获得每颗折射星的折射角γ；5)根据大气模型γ＝2350.1074e‑0.10326788h和步骤4)获得的折射角γ，计算获得每颗折射星的切向高度h；6)选取观测星图上三颗折射星，根据他们的赤经、赤纬以及切向高度h，计算获得地心惯性坐标系下卫星的位置；61)根据三颗折射星的赤经、赤纬解算中心轴ObE在天球上的位置(αc,δc)；所述的中心轴ObE为以三个折射星方向为母线的圆锥的中心轴；并计算出该圆锥的半锥角η；62)旋转卫星惯性坐标系Fb，使卫星惯性坐标系Fb的Zb轴与ObE方向一致，旋转后的坐标系记为Fd＝(Xd,Yd,Zd)T，其中上标T表示转置，则其转换关系为：其中，表示绕Zb轴逆时针旋转‑αc，表示绕Yb轴逆时针旋转δc‑90°；根据转换关系转换三颗折射星的坐标，得出在Fd坐标系下的位置为(αi，δi)(i＝1，2，3)；63)根据以下三个方程求解三个变量ξ、αζ2+ξ2‑2ζξcos(α‑αi)＝ai2，(i＝1，2，3)；其中的hi为第i颗折射星的切向高度；64)根据以下方程获得Fd坐标系中的地心矢量eded＝ζ(cosαXd+sinαYd)+ξctgηZd；65)根据以下坐标转换关系获得地心在卫星惯性坐标系Fb中的矢量eb为66)获得卫星在地心惯性坐标系Fi下的坐标矢量为‑eb。...

【技术特征摘要】
1.一种全天时的星光折射卫星自主定位方法，其特征在于步骤如下：1)采用具有饱和抑制功能的CCD对地球、及其周边大气和大气层外的恒星进行观测并获取星图；观测时，用于观测未经大气折射的未折射星的视场大于50平方度；2)对步骤1)获得的星图进行图像处理；21)对星图进行定标；22)遍历整个星图，设定亮目标信噪比阈值，扣除亮目标，包括地球和亮恒星，再根据星图上剩余的能量分布拟合出背景图，并将该背景图从原始星图中扣除；23)将扣除背景图后的星图进行滤波，设定恒星提取信噪比阈值，提取信噪比大于该阈值的目标，完成对恒星的提取；所述的恒星包括经大气折射的折射星和未经大气折射的未折射星；24)通过恒星形心定位法对步骤23)提取的恒星进行定位，得到每颗恒星在星图上的位置信息；3)根据步骤24)获得的未折射星的位置信息，利用三角匹配算法实现经过步骤2)处理后的星图与导航星表的星图匹配，获得星图上每颗星的赤经、赤纬；4)在导航星表中，为每颗折射星寻找离其自身最近的恒星，作为该颗折射星的对应星，根据折射星的赤经、赤纬以及该颗折射星对应星的赤经、赤纬，计算由折射星及其对应星的赤经、赤纬形成的两个向量的夹角，获得每颗折射星的折射角γ；5)根据大气模型γ＝2350....

【专利技术属性】
技术研发人员：林亲，李志，李怀锋，姜晓军，王汇娟，卢晓猛，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11