一种基于星光折射确定地心矢量的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于星光折射确定地心矢量的方法，该方法利用星敏感器通过确定星光的折射路径确定出过地心的平面，共采用了三个星敏感器，其中星敏感器A指向天顶方向，用于观测直射的恒星，星敏感器B和C指向接近水平方向，用于观测折射的恒星。根据星敏感器A获取的星图和三个星敏感器的安装矩阵可获得B和C的模拟直射星图，通过将所述模拟直射星图与B和C实际拍摄的折射星图进行匹配可确定星光折射前后的方向。由星光折射前后的方向可得到过地心的平面，通过求解两个过地心平面的交线可确定当地的地心矢量方向，由地心矢量方向可计算得到水平姿态。该发明专利技术可用于确定舰船、飞机、卫星等运动载体的地心矢量方向及水平姿态。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种导航方法，可用于舰船、飞机、卫星等运动载体导航所需的地心矢量的精确确定。特别涉及，利用星敏感器通过观测直射与折射星光实现地心矢量的计算，适用于舰船、飞机等运动载体的地心矢量计算、水平姿态获取和导航解算。
技术介绍
当前舰船、飞机和卫星等载体均需要获取自身的水平姿态，所获取的水平姿态精度直接影响导航定位的精度。地心矢量作为当地水平面的法线，是确定载体水平姿态的最直接和有效的量测信息。现有获取水平姿态的方法基本都是通过测量地心矢量方向，因此地心矢量方向的测量精度对于舰船、飞机等的导航定位非常重要。在载体静止时可利用倾角计、加速度计等测量仪器直接测量地心矢量方向，从而获得水平姿态。但在载体运动时，由于存在水平加速度，会导致上述测量仪器受水平加速度影响而无法提供正确的结果。因此当载体运动时，目前通常利用陀螺仪来获得地心矢量和水平姿态。由于陀螺的姿态基准是通过定轴性保证的，无法提供直接的地心矢量信息，因此其存在两个问题。一方面由于陀螺仪存在不可避免的常值漂移，会导致其提供的地心矢量和水平姿态误差随时间积累，必须利用其他导航系统，如天文导航、卫星导航等提供的信息对其进行校正，因此也就增加了成本和复杂性。另一方面，由于陀螺的姿态基准本质上是相对惯性坐标系的，而地心矢量和水平姿态是由当地地理坐标系决定的，当地地理坐标系又是由载体所在的位置决定的，因此如果载体存在位置误差，就会导致地理坐标系不准，此时，载体相对地理坐标系的地心矢量和水平姿态的误差将被其位置误差所影响。综上，目前基于倾角计、加速度计的地心矢量确定方法在载体运动时会受水平加速度影响，而基于陀螺测量的地心矢量和水平姿态获取方式，受其测量原理和敏感器精度的限制，存在姿态误差随时间累积并受位置误差影响的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是:克服现有基于倾角计、加速度计的地心矢量确定方法受水平加速度影响，基于陀螺的地心矢量获取方法误差随时间累积并受位置误差影响的问题的不足，提出一种不受水平加速度和位置误差影响，并且其测量误差也不会随时间累积的地心矢量确定方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案为:，包括:根据星敏感器A的实拍星图，计算星敏感器A的姿态矩阵；根据星敏感器A的所述姿态矩阵和星敏感器B和C相对于星敏感器A的安装矩阵，计算星敏感器B和C在惯性坐标系中的光轴指向；根据所述光轴指向、星敏感器B和C的视场和标准星表，生成星敏感器B和C视场内的模拟星图；将星敏感器B和C实拍星图与所述模拟星图进行匹配识别，确定折射前后的星光矢量；根据基于所述折射前后的星光矢量确定的两个过地心的平面，确定地心矢量，所述两个过地心的平面的法线向量互相不平行；所述方法包括以下步骤:(I)利用传统星图识别方法对星敏感器A的实拍星图进行星图匹配，确定星敏感器A的姿态矩阵Mi ,即从星敏感器A的本体坐标系到惯性坐标系的变换矩阵；(2)计算星敏感器B和C的光轴指向:根据星敏感器B相对于星敏感器A的安装矩阵和星敏感器A的姿态矩阵Mi，确定从星敏感器B本体坐标系到惯性系的坐标变换矩阵WΜ^ = Μ'Α.{Μ-- -星敏感器B的光轴指向Lb在其本体坐标系中为[O O 1]τ。根据所述坐标变换矩阵，确定星敏感器B的光轴Lb在惯性空间中的指向为:Lb = M111 - [O O 1]τ根据星敏感器C相对于星敏感器A的安装矩阵和所述姿态矩阵Mi，确定从星敏感器C本体坐标系到惯性系的坐标变换矩阵Mi,;星敏感器C的光轴指向L。在其本体坐标系中为[O O 1]τ。根据所述坐标变换矩阵Ml确定星敏感器C的光轴L。在惯性空间中的指向:Lc = Mi [O O If(3)生成星敏感器B和C的模拟直射星图:根据星敏感器B的所述光轴指向Lb、星敏感器B的视场和标准星表，生成星敏感器B所述视场内的模拟直射星图1B * ；根据星敏感器C的光轴指向L。、星敏感器C的视场和标准星表，生成星敏感器C所述视场内的模拟直射星图1C * ；(4)获取折射前后的星光矢量:将星敏感器B的实拍折射星图1B与所述模拟折射星图1B *进行匹配识别，确定恒星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点位置；根据所述第一星像点位置和星敏感器B的安装矩阵，确定所述恒星b的星光在卫星本体坐标系中折射前后的星光矢量Sb。和Sb ；将星敏感器C实拍折射星图1C与所述模拟直射星图1C ±进行匹配识别，确定恒星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点位置；根据所述第二星像点位置和星敏感器C的安装矩阵，确定所述恒星c的星光在卫星本体坐标系中折射前后的星光矢量S。。和S。；(5)地心矢量的确定:根据所述Sb。和所述Sb，确定过地心的第一平面，所述第一平面的法向量为nb =SbtjXSb;根据所述S。。和所述S。，确定过地心的第二平面，所述第二平面的法向量为η。=ScoXSc ;根据所述第一平面和所述第二平面的交线,确定地心矢量:r = nbXn。。本专利技术的原理在于:首先根据星敏感器A拍摄得到的直射星图，计算得到其姿态矩阵；其次根据星敏感器A的姿态矩阵，及星敏感器B和C相对于星敏感器A的安装矩阵，计算得星敏感器B和C在惯性坐标系中的光轴指向。接着利用星敏感器B和C的光轴指向和星敏感器的视场等参数，根据标准星表生成星敏感器B和C视场内的模拟直射星图。将星敏感器B和C实际拍摄的折射星图与模拟直射星图进行匹配识别，分别得到某颗恒星在本体坐标系中折射前后的星像点位置，从而确定两个过地心的平面。最后，求这两个平面的交线，确定该处的地心矢量的方向。具体包括以下步骤:1.根据星敏感器A的直射星图获得其姿态矩阵由于星敏感器A光轴近似指向天顶，进入其视场的星光将基本垂直进入大气层，因此星敏感器A拍摄的星图1A的形状与真实恒星在天区中的分布形状是一致的，可以利用传统星图识别方法对这些恒星进行匹配和识别。具体方法为从IA拍摄的星图中选取三颗星，通过质心提取技术得到这三颗星在星敏感器A坐标系中的位畀(T)义4，Ζ?)(卜I, 2, 3)，根据星图识别方法得到这三颗星在惯性空间中的位置(XL,YLZL) (/=1, 2, 3)。记星敏感器A坐标系的XA，\，Za三轴在惯性空间中的指向分别为(Χ[4,Υ:4,Ζ.4)、(?,?,?)、(Χ?Α,ΤΑ,Ζ?4),可得:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于星光折射确定地心矢量的方法，其特征包括：根据星敏感器A的实拍星图，计算星敏感器A的姿态矩阵；根据星敏感器A的所述姿态矩阵和星敏感器B和C相对于星敏感器A的安装矩阵，计算星敏感器B和C在惯性坐标系中的光轴指向；根据所述光轴指向、星敏感器B和C的视场和标准星表，生成星敏感器B和C视场内的模拟直射星图；将星敏感器B和C实拍折射星图与所述模拟直射星图进行匹配识别，确定折射前后的星光矢量；根据基于所述折射前后的星光矢量确定的两个过地心的平面，所述两个过地心平面的交线即为地心矢量，所述两个过地心的平面的法线向量互相不平行；所述方法包括以下步骤：（1）利用传统星图识别方法对星敏感器A的实拍星图进行星图匹配，确定星敏感器A的姿态矩阵即从星敏感器A的本体坐标系到惯性坐标系的变换矩阵；（2）计算星敏感器B和C的光轴指向：根据星敏感器B相对于星敏感器A的安装矩阵和星敏感器A的姿态矩阵确定从星敏感器B本体坐标系到惯性系的坐标变换矩阵MBi=MAi·(MAB)T;星敏感器B的光轴指向LB在其本体坐标系中为[0?0?1]T。根据所述坐标变换矩阵确定星敏感器B的光轴LB在惯性空间中的指向为：LB=MBi·001T根据星敏感器C相对于星敏感器A的安装矩阵和所述姿态矩阵确定从星敏感器C本体坐标系到惯性系的坐标变换矩阵星敏感器C的光轴指向LC在其本体坐标系中为[0?0?1]T。根据所述坐标变换矩阵确定星敏感器C的光轴LC在惯性空间中的指向：LC=MCi·001T（3）生成星敏感器B和C的模拟直射星图：根据星敏感器B的所述光轴指向LB、星敏感器B的视场和标准星表，生成星敏感器B所述视场内的模拟直射星图IB＊；根据星敏感器C的光轴指向LC、星敏感器C的视场和标准星表，生成星敏感器C所述视场内的模拟直射星图IC＊；（4）获取折射前后的星光矢量：将星敏感器B的实拍折射星图IB与所述模拟折射星图IB＊进行匹配识别，确定恒星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点位置；根据所述第一星像点位置和星敏感器B的安装矩阵，确定所述恒星b的星光在卫星本体坐标系中折射前后的星光矢量Sbo和Sb；将星敏感器C实拍折射星图IC与所述模拟直射星图IC＊进行匹配识别，确定恒星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点位置；根据所述第二星像点位置和星敏感器C的安装矩阵，确定所述恒星c的星光在卫星本体坐标系中折射前后的星光矢量Sco和Sc；（5）地心矢量的确定：根据所述Sbo和所述Sb，确定过地心的第一平面，所述第一平面的法向量为nb＝Sbo×Sb；根据所述Sco和所述Sc，确定过地心的第二平面，所述第二平面的法向量为nc＝Sco×Sc；根据所述第一平面和所述第二平面的交线，确定地心矢量：r＝nb×nc。FDA0000432504360000011.jpg,FDA0000432504360000012.jpg,FDA0000432504360000013.jpg,FDA0000432504360000014.jpg,FDA0000432504360000016.jpg,FDA0000432504360000018.jpg,FDA0000432504360000019.jpg,FDA00004325043600000110.jpg,FDA00004325043600000111.jpg...

【技术特征摘要】
1.一种基于星光折射确定地心矢量的方法，其特征包括:根据星敏感器A的实拍星图，计算星敏感器A的姿态矩阵；根据星敏感器A的所述姿态矩阵和星敏感器B和C相对于星敏感器A的安装矩阵，计算星敏感器B和C在惯性坐标系中的光轴指向；根据所述光轴指向、星敏感器B和C的视场和标准星表，生成星敏感器B和C视场内的模拟直射星图；将星敏感器B和C实拍折射星图与所述模拟直射星图进行匹配识别，确定折射前后的星光矢量；根据基于所述折射前后的星光矢量确定的两个过地心的平面，所述两个过地心平面的交线即为地心矢量，所述两个过地心的平面的法线向量互相不平行； 所述方法包括以下步骤: (1)利用传统星图识别方法对星敏感器A的实拍星图进行星图匹配，确定星敏感器A的姿态矩阵Mi，即从星敏感器A的本体坐标系到惯性坐标系的变换矩阵； (2)计算星敏感器B和C的光轴指向: 根据星敏感器B相对于星敏感器A的安装矩阵W和星敏感器A的姿态矩阵Ma确定从星敏感器B本体坐标系到惯性系的坐标变换矩阵Μ?: Μ^=Μ1.(Μ?)τ; 星敏感器B的光轴指向Lb在其本体坐标系中为[O O 1]τ。根据所述坐标变换矩阵W确定星敏感器B的光轴Lb在惯性空间中的指向为: Lb =Mn-[O O 1]τ 根据星敏感器C相对于星敏感器A的安装矩阵和所述姿态矩阵Mih，确定从星敏感器C本体坐标系到惯性系的坐标变换矩阵I 星敏感器C的光轴指向L。在 其本体坐标系中为[O ...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁晓琳，徐勇志，王龙华，郑帅，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：