一种基于分区平流层大气折射模型的星光定位方法技术

本发明专利技术涉及一种基于分区平流层大气折射模型的星光定位方法，属于导航技术领域。折射模型的建立基础为大气密度模型，而参与折射建模的大气密度值越接近星光路径上的大气密度，折射模型的精度越高。基于该原理，发明专利技术中对三维大气密度水平分区并忽略小区域内的大气密度变化；再结合星光路径的估计，可以得到星光路径上的大气密度，最后以此为基础建立精度更高的折射模型。本发明专利技术中给出了三维大气密度水平分区的依据以及估计星光传播路径的方法。基于分区平流层大气建立的折射模型更接近星光的真实折射过程，减小了折射模型误差，为高精度的星光折射导航提供了良好的模型基础。度的星光折射导航提供了良好的模型基础。度的星光折射导航提供了良好的模型基础。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分区平流层大气折射模型的星光定位方法


[0001]本专利技术涉及一种基于分区平流层大气折射模型的星光定位方法，属于导航


技术介绍

[0002]基于星光折射间接敏感地平的自主天文导航方法研究最早开始于上世纪60年代，美国Draper实验室(Charles Stark Draper Laboratory，CSDL)在Apollo计划实施之前，就对利用天体掩星、星光在大气中的折射、星光穿越大气时的衰减等实现自主导航的方案进行了研究。间接敏感地平的定位方法利用星敏感器敏感经过地球大气层发生折射的恒星星光，测量星光发生折射后的方位角变化，即折射角，再结合大气折射模型，计算折射光线的视高度，从而根据几何关系，计算载体当前的位置，避免了直接敏感地平方法中星敏感器和地平仪精度不匹配的问题，具有更高的定位精度。
[0003]在星光折射间接敏感地平的自主天文导航方法中，精确的大气折射模型是基础，而大气中星光的折射率由大气密度确定，但是大气密度的变化十分复杂，很难用数学方程解析精确表示，所以当前应用的大气折射模型，一方面都进行了球形大气假设、等温假设等诸多假设，另一方面采用了近似积分的数学手段，因此，引入了较大的折射模型误差。例如，传统的折射模型和经验折射模型
[2
‑
6]，都是基于球形大气假设近似得到的，即认为在同一海拔高度，不同经纬度处的大气密度是相同的。但是，实际的大气密度不仅随海拔高度变化，也随经纬度波动，而且还随昼夜和季节等时间变化。在同一海拔高度，不同纬度处大气密度甚至能相差30％，由忽略大气密度的水平变化带来的导航误差也在千米量级。
[0004]参考文献：
[0005][1]R.L.Littestrand,J.E.Carrol.Horizon
‑
based Satellite Navigation Systems[J].IEEE Transactions on Aerospace and Navigational Electronics,1963,9(1):247
‑
268.
[0006][2]王国权,金声震,孙才红,等.卫星自主导航中25～60公里星光大气折射模型研究[J].科技通报,2005,21(1):106
‑
109.
[0007][3]X.L.Wang,S.Ma A Celestial Analytic Positioning Method by Stellar Horizon Atmospheric Refraction[J].Chinese Journal ofAeronautics,2009,22(3):293
‑
300.
[0008][4]章仁为.卫星轨道姿态动力学与控制(第一版)[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998:129～132.
[0009][5]周凤岐,赵黎平,周军.基于星光大气折射的卫星自主轨道确定[J].宇航学报,2002,3(04):20
‑
23.
[0010][6]X.L.Ning,L.H.Wang,X.B.Bai,et al.Autonomous satellite navigation using starlight refraction angle measurements[J].Advances in Space Research,2013,51(9):1761
‑
1772.

技术实现思路

[0011]本专利技术技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于分区平流层大气折射模型的星光定位方法，以三维大气密度模型为基础，建立分区平流层大气折射模型，减小因大气密度水平变化带来的导航定位误差，达到提升星光折射导航精度的目的。
[0012]本专利技术技术解决方案：一种基于分区平流层大气折射模型的星光定位方法，包括以下步骤：
[0013](1)根据导航任务的需求，确定大气密度水平分区的大小，按照该水平分区大小将全球三维大气密度划分网格，由此得到分区大气密度模型；
[0014](2)利用载体携带的惯性导航系统或者状态模型对其当前位置进行估计，得到载体估计位置；
[0015](3)利用星图处理算法对星敏感器拍摄星图进行处理获得折射前后的星光矢量方向；
[0016](4)确定一条通过步骤(2)载体估计位置的直线，该直线与折射后的星光矢量方向平行，以此直线作为估计的星光传播路径；
[0017](5)利用步骤(4)估计的星光传播路径及步骤(1)得到的分区大气密度模型，判断星光在不同高度穿过的分区，该分区的大气密度作为折射建模所需的密度数据；
[0018](6)以步骤(5)获取的密度数据为基础，对折射方程进行拟合，建立折射模型；
[0019](7)利用步骤(3)获得的折射前后的星光矢量方向，计算折射角的大小，将折射角代入折射模型求解折射高度；
[0020](8)对每颗可利用的折射星重复步骤(4)～步骤(7)；
[0021](9)当观测的折射星不少于三颗时，基于步骤(7)得到的折射高度，利用最小二乘法或者Kalman滤波方法进行导航解算，完成载体的位置确定。
[0022]所述步骤(1)中的分区大气密度模型的获取步骤：
[0023](10)利用当前的大气密度探测方法，得到全球三维的大气密度数据，这些数据不均匀的分布在全球的不同经纬、不同高度；
[0024](11)在获取步骤(10)中数据的基础上进行水平分区，得到水平分区的最小值，即再缩小分区会导致某块区域内没有密度数据；
[0025](12)根据给定的导航精度需求确定分区的最大值，即再增大分区会导致导航精度低于要求；
[0026](13)从获取步骤(12)获得的最大分区和获取步骤(11)获得的最小分区之间选择分区大小；
[0027](14)分区确定后，以此分区对三维大气密度划分网格，并计算每个网格内密度的平均值，作为该区域的密度值，由此得到分区大气密度模型。
[0028]所述步骤(1)中，分区的区域大约为1
°×1°
。
[0029]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0030]本专利技术与现有的星光折射导航方法的不同之处在于使用了分区平流层大气折射模型。由于模型建立时进行了大气水平分区、星光路径估计，使用星光传播路径上的大气密度作为折射模型建立的数据基础，因此该模型可以充分反映真实星光在大气中的折射关系，也使得导航精度得到了极大的提升。
附图说明
[0031]图1为大气水平分区示意图；
[0032]图2为星光穿越分区大气的过程；
[0033]图3为本专利技术的实施流程图。
具体实施方式
[0034]在星光折射导航技术中，通过星敏感器获得星光穿越平流层大气时发生的折射角，然后利用大气折射模型，进行载体的位置解算。传统的折射模型中，只考虑了大气密度随海拔高度的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分区平流层大气折射模型的星光定位方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据导航任务的需求，确定大气密度水平分区的大小，按照该水平分区大小将全球三维大气密度划分网格，由此得到分区大气密度模型；(2)利用载体携带的惯性导航系统或者状态模型对其当前位置进行估计，得到载体估计位置；(3)利用星图处理算法对星敏感器拍摄星图进行处理获得折射前后的星光矢量方向；(4)确定一条通过步骤(2)载体估计位置的直线，该直线与折射后的星光矢量方向平行，以此直线作为估计的星光传播路径；(5)利用步骤(4)估计的星光传播路径及步骤(1)得到的分区大气密度模型，判断星光在不同高度穿过的分区，该分区的大气密度作为折射建模所需的密度数据；(6)以步骤(5)获取的密度数据为基础，对折射方程进行拟合，建立折射模型；(7)利用步骤(3)获得的折射前后的星光矢量方向，计算折射角的大小，将折射角代入折射模型求解折射高度；(8)对每颗可利用的折射星重复步骤(4)～步骤(7)；(9)当观测的折射星不少于三颗时，基于步骤(7)得到的折...

【专利技术属性】
技术研发人员：王可东，李振南，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：