一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统及方法，通过固定在载体上的中微子探测器测量得到日心方向矢量在载体坐标系的投影，通过地平仪和指北仪测定载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵，通过坐标转换得到日心方向矢量在地理坐标系的投影；通过太阳星历和时钟计算得到当前时刻日心方向矢量在地心惯性系的投影，并通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影；解析计算得到载体所处位置的经纬度信息。中微子信号可以在电磁波难以到达的水下/地下传输，从而为隐蔽环境中的用户提供了一种潜在的天文导航测量方式。本发明专利技术所述方法可为潜艇等处于隐蔽环境的载体提供导航定位服务，在未来信息化战场上具有较高的军事应用价值。

A Hidden Environment Astronomical Positioning System and Method Based on Neutrino Signal

【技术实现步骤摘要】
一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统及方法
本专利技术涉及一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统及方法，属于导航制导

技术介绍
精确定位、导航和授时(PNT)能力是衡量国家军事与经济实力的一个重要因素，在现代信息化作战环境中，作战平台的导航信息对作战意图能否实现具有至关重要的作用。目前，众多军用系统和作战平台依赖GNSS(全球导航卫星系统)或基于GNSS的组合导航系统获取导航信息。但是，卫星导航信号难以穿透密度较大的物质，进入水下或土壤后，无线电信号的衰减现象非常严重，在深海环境中难以应用。潜艇作为重要的水下作战平台，具备极强的攻击性和隐蔽性，能够在数百米的深水中持续活动数月，作为战略威慑的主要力量，是现代战争中必不可少的武器装备。由于潜艇必须深潜水下，不能获取传统光学和GNSS等导航信号；而惯性导航方式存在误差随时间积累的问题，制约了惯性系统的长期导航精度。因此，需要研究新概念PNT技术，实现高精度高安全性自主导航，为其水下作战和其他战术任务的实现提供保障。作为组成物质世界的基本粒子之一，中微子是一种性能稳定、不带电、以光速运动的微观粒子。中微子是原子核内的质子或中子发生衰变的产物，恒星发光、核反应堆发电等物理过程都会产生中微子，其最显著的特征是严格按直线传播，且具有极强的穿透能力，可穿透土壤或水层，甚至数光年厚的铅板。中微子作为导航信号载体的优势在于：首先，中微子信号具有极强的穿透能力，将中微子信号源作为导航信标，能够克服传统电磁波信号易受干扰和遮挡影响的缺陷，是一种先进的自主导航测量方式；其次，中微子信号严格按直线传播，在传播过程中不易发生反射、折射和衰减，能够从信号体制上保障测量的准确性。中微子信号可以在电磁波难以到达的水下/地下传输，从而为隐蔽环境中的用户提供了一种潜在的天文导航测量方式，作为天文导航目标天体的太阳是一个理想的天然中微子信号源。应用本专利技术的定位方法，使得处于隐蔽环境中的用户可以更安全可靠地运作战场资源、集中优势兵力、实现系统设备校准和突然实施精确打击，从而将准确有效的导航信息转变为作战优势。
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，针对电磁波信号难以到达深海和地下，导致传统天文和无线电导航方式应用受限的问题，充分发挥中微子穿透力强和方向性好的优势，提出一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统及方法，能够在传统天文和无线电信号拒止的情况下为用户提供有效的导航信息。本专利技术的技术解决方案是：提供一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，步骤如下：(1)通过固定在载体上的中微子探测器测量得到日心方向矢量在载体坐标系的投影，通过地平仪和指北仪测定载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵，通过坐标转换得到日心方向矢量在地理坐标系的投影；(2)通过太阳星历和时钟计算得到当前时刻日心方向矢量在地心惯性系的投影，并通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影；(3)根据步骤(1)中得到的日心方向矢量在地理坐标系的投影和步骤(2)中得到的日心方向矢量在地球固连系的投影解析计算得到载体所处位置的经纬度信息。优选的，所述步骤(1)中日心方向矢量在地理坐标系的投影计算公式如下：其中，Sb表示通过中微子探测器测量得到的日心方向矢量在载体坐标系的投影，表示通过地平仪和指北仪测定的载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵，Sn表示日心方向矢量在地理坐标系的投影。优选的，通过地平仪和指北仪测定载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵的方法为：通过地平仪测量得到载体的俯仰角θ和横滚角γ，通过指北仪测量得到载体的航向角ψ，计算得到载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵优选的，所述载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵如下：优选的，所述步骤(2)中通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影具体为：其中，Si表示日心方向矢量在地心惯性系的投影，表示地心惯性系到地球固连系的转换矩阵，Se表示日心方向矢量在地球固连系的投影。优选的，通过太阳星历和时钟计算当前时刻日心方向矢量在地心惯性系的投影的方法为：根据太阳星历和时钟信息计算得到太阳的黄道经度λs和黄道纬度φs，计算日心方向矢量在地心惯性系的投影公式如下：其中：式中，ε为黄赤交角。优选的，地心惯性系到地球固连系的转换矩阵如下：式中，αG为格林威治赤经。优选的，所述步骤(3)中解析计算载体所处位置的经纬度信息的方法为：其中，表示地球固连系到地理坐标系的转换矩阵，其表达式如下：其中，L和λ分别表示载体的纬度和经度。优选的，在无线电信号缺失的情况下，采用基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法进行载体定位。同时提供一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统，隐蔽环境天文定位系统安装在待定位载体上，包括中微子探测器，地平仪、指北仪、时钟和处理器；中微子探测器用于测量日心方向矢量在载体坐标系的投影；地平仪和指北仪用于测量载体相对于地理坐标系的姿态；时钟为载体导航定位提供参考时间信息；处理器根据载体相对于地理坐标系的姿态获取载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵，将日心方向矢量在载体坐标系的投影通过坐标转换得到日心方向矢量在地理坐标系的投影；通过参考时间信息和太阳星历计算得到当前时刻日心方向矢量在地心惯性系的投影，并通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影；通过解析计算得到载体所处位置的经纬度信息。优选的，日心方向矢量在地理坐标系的投影计算公式如下：其中，Sb表示通过中微子探测器测量得到的日心方向矢量在载体坐标系的投影，表示通过地平仪和指北仪测定的载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵，Sn表示日心方向矢量在地理坐标系的投影。优选的，并通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影的方法为：其中，Si表示日心方向矢量在地心惯性系的投影，表示地心惯性系到地球固连系的转换矩阵，Se表示日心方向矢量在地球固连系的投影。优选的，解析计算载体所处位置的经纬度信息的方法为：其中，表示地球固连系到地理坐标系的转换矩阵，其表达式如下：其中，L和λ分别表示载体的纬度和经度。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)现有的用于替代或辅助GNSS的导航技术主要有惯性导航和天文导航等，尽管经过了多年的发展，但在长期导航或信号遮挡等应用条件下仍存在较大不足，如惯性导航系统受惯性器件自身特性限制，其误差随时间积累，制约了惯性系统的长期导航精度。传统天文导航敏感器对特定天体的光学信号实施观测，光学信号穿透海水传播的深度有限，难以满足水下用户导航定位的需求。基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法利用了中微子信号穿透力强和方向性好的优势，有助于解决传统GNSS和天文导航系统固有的脆弱性带来的问题，能够为隐蔽环境中的用户提供稳健的导航定位服务。(2)本专利技术计算方法能够在GNSS信号拒止的环境中实现导航定位，计算精度高，长期稳定性好，计算效率高，自主性好。单点定位精度可以达到km量级。(3)应用本专利技术的定位方法，使得处于隐蔽环境中的用户可以更安全可靠地运作战场资源、集中优势兵力、实现系统设备校准和突然实施精确打击，从而将准确有效的导航信息转变为作战优势。附图说明图1为本专利技术定位方法的流程图；图2为日心方向矢量观测示意图；图3为基于中微子信号的载体定位误差曲线，其中图3(a)为纬度误差曲线，图3(b)为经度误差本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特征在于，步骤如下：(1)通过固定在载体上的中微子探测器测量得到日心方向矢量在载体坐标系的投影，通过地平仪和指北仪测定载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵，通过坐标转换得到日心方向矢量在地理坐标系的投影；(2)通过太阳星历和时钟计算得到当前时刻日心方向矢量在地心惯性系的投影，并通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影；(3)根据步骤(1)中得到的日心方向矢量在地理坐标系的投影和步骤(2)中得到的日心方向矢量在地球固连系的投影解析计算得到载体所处位置的经纬度信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特征在于，步骤如下：(1)通过固定在载体上的中微子探测器测量得到日心方向矢量在载体坐标系的投影，通过地平仪和指北仪测定载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵，通过坐标转换得到日心方向矢量在地理坐标系的投影；(2)通过太阳星历和时钟计算得到当前时刻日心方向矢量在地心惯性系的投影，并通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影；(3)根据步骤(1)中得到的日心方向矢量在地理坐标系的投影和步骤(2)中得到的日心方向矢量在地球固连系的投影解析计算得到载体所处位置的经纬度信息。2.根据权利要求1所述的一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特征在于：所述步骤(1)中日心方向矢量在地理坐标系的投影计算公式如下：其中，Sb表示通过中微子探测器测量得到的日心方向矢量在载体坐标系的投影，表示通过地平仪和指北仪测定的载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵，Sn表示日心方向矢量在地理坐标系的投影。3.根据权利要求2所述的一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特征在于：通过地平仪和指北仪测定载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵的方法为：通过地平仪测量得到载体的俯仰角θ和横滚角γ，通过指北仪测量得到载体的航向角ψ，计算得到载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵4.根据权利要求3所述的一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特征在于：所述载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵如下：5.根据权利要求1所述的一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影具体为：其中，Si表示日心方向矢量在地心惯性系的投影，表示地心惯性系到地球固连系的转换矩阵，Se表示日心方向矢量在地球固连系的投影。6.根据权利要求5所述的一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特征在于：通过太阳星历和时钟计算当前时刻日心方向矢量在地心惯性系的投影的方法为：根据太阳星历和时钟信息计算得到太阳的黄道经度λs和黄道纬度φs，计算日心方向矢量在地心惯性系的投影公式如下：其中：式中，ε为黄赤交角。7.根据权利要求5所述的一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊凯，郭建新，石恒，魏春岭，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11