基于捷联惯导与星敏感器的组合导航系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于捷联惯导与星敏感器的组合导航系统及方法，组合导航系统包括用于测量载体的姿态信息并根据状态误差项的最优估计修正姿态信息的捷联惯导；用于获取被成像恒星在星敏感器坐标系下的经纬度以及与被成像恒星匹配的基准恒星在地心惯性坐标系下的方向单位矢量、在星敏感器坐标系下的经纬度的星敏感器；在星敏感器观测的恒星数量为1颗或2颗时，用于根据构建的以由基准恒星与被成像恒星在星敏感器坐标系下的经度差值、纬度差值构成的经纬位置差为状态量，以预先构建的捷联惯导的误差方程为状态方程的观测方程，得到捷联惯导的状态误差项的最优估计的滤波器。应用本发明，可以提高组合导航系统的应用范围。
【专利说明】 基于捷联惯导与星敏感器的组合导航系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及卫星姿态测量【技术领域】，尤其涉及一种基于捷联惯导与星敏感器的组合导航系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着空间技术的深入发展，对长寿命、高精度的卫星姿态测量系统的需求日益强烈。目前，在航空航天领域中，主要采用高精度、高可靠性、强自主性的导航系统作为卫星姿态测量系统来提供飞行器载体的运动参数信息。
[0003]目前常用的导航手段有惯性导航、卫星导航和天文导航等；其中，惯性导航具有全自主、可连续提供全部运动参数信息，短时间内精度高等特点，但受其安装在载体上的惯性器件(包括陀螺仪和加速度计)误差的影响，导致惯性导航的测量误差随工作时间累积，难以长时间独立工作；卫星导航系统具有全天时、全天候、高精度定位和测速等优点，但其易受大气、电磁干扰以及人为等干扰影响；而天文导航具有全自主式，不需要地面设备，不受人工或自然形成的电磁场的干扰，不向外福射电磁波，隐蔽性好，定向、定位精度高，定位误差与时间无关等特点，但其数据更新频率低，导致输出飞行器载体的运动参数信息不连续。
[0004]由上可见，单一的导航手段难以满足现代长寿命、高精度导航的要求。现有提出通过组合导航技术进行取长补短，为导航系统提供更高的导航精度，同时，可降低对于子导航系统精度的要求，尤其是对捷联惯导中的惯性器件的要求，从而降低了组合导航系统的成本。
[0005]图1为现有基于捷联惯导与星敏感器的松组合导航系统结构示意图。如图1所示，松组合导航系统包括捷联惯导01、星敏感器02以及卡尔曼滤波器03。
[0006]松组合导航系统中，捷联惯导01用于根据安装在飞行器载体(后述可简称为载体)上的惯性器件，测得飞行器载体在地心惯性坐标系下的第一位置信息和第一姿态信息；其中，位置信息是指飞行器载体在地心惯性坐标系下的经纬度信息，姿态信息是指载体坐标系到地心惯性坐标系的姿态转换矩阵。
[0007]星敏感器02包括光学成像模块021、CCD (Charge Coupled Device，电荷耦合元件)图像传感器022、星点提取模块023、星图识别模块024以及姿态解算模块025 ;其中，
[0008]光学成像模块021用于根据星敏感器固有的更新频率，定期将星敏感器最大视角内的被成像恒星成像至CCD图像传感器022中的CCD敏感面阵上，形成光学图像；
[0009]CCD图像传感器022用于将成像至CCD敏感面阵的光学图像转变成灰度数字图像数据，并将灰度数字图像数据传输至星点提取模块023 ；
[0010]星点提取模块023用于通过星点与背景分离、连通分析及内插细分定位等算法，对接收的灰度数字图像数据进行星点提取，获取与被成像恒星对应的星点像元在CCD成像平面坐标系下的坐标信息；
[0011]星图识别模块024用于根据自星点提取模块023接收的星点像元的坐标信息，按照预设的基于轨道动力学的定位方法或基于几何法的定位方法与基准恒星库中的基准恒星进行特征匹配，从预先存储有基准恒星在地心惯性坐标系下的赤经、赤纬的基准恒星库中查找与被成像恒星匹配的基准恒星在地心惯性坐标系下的赤经、赤纬信息，并根据获得到的匹配的基准恒星在地心惯性坐标系下的赤经、赤纬信息，确定被成像恒星在地心惯性坐标系下的赤经、赤纬位置信息；
[0012]姿态解算模块025用于利用自星图识别模块024接收的被成像恒星在地心惯性坐标系下的赤经、赤纬位置信息，自星点提取模块023接收的与被成像恒星对应的星点像元在CXD成像平面坐标系下的坐标信息，CXD成像平面坐标系与星敏感器坐标系的几何关系以及星敏感器坐标系与载体坐标系的转换矩阵，解算出星敏感器所固连的载体相对于地心惯性坐标系的第二位置信息和第二姿态信息。
[0013]卡尔曼滤波器03，计算由捷联惯导01输出的第一姿态信息与由星敏感器02中的姿态解算模块025输出的第二姿态信息之间的差值；以捷联惯导的误差方程作为松组合导航系统的状态方程，构建以第一和第二姿态信息之间的差值为状态量的观测方程，通过卡尔曼滤波估计，获得捷联惯导的状态误差项的最优估计；其中捷联惯导的状态误差项包括:位置误差、姿态角误差、速度误差等。
[0014]捷联惯导01，进一步用于根据自卡尔曼滤波器03接收的状态误差项的最优估计，对捷联惯导的数学平台进行误差校正，对测得的飞行器载体的位置信息和姿态信息进行修正。捷联惯导输出的已修正的飞行器载体的位置和姿态信息为松组合导航系统的运动参数信息输出信息。
[0015]由上可见，根据星敏感器固有的更新频率，现有基于惯性导航与星敏感器的松组合导航系统通过星敏感器定期对捷联惯导的数学平台进行校正，定期提高捷联惯导的精度，使得整个松组合导航系统的精度水平能够在长时间保持与星敏感器的精度水平相当，实时提供飞行器载体的运动参数信息。
[0016]但是，根据星敏感器的工作原理可知，星敏感器通过观测到的被成像恒星的坐标信息以及基准恒星库中与被成像恒星匹配的基准恒星，来确定飞行器飞行器载体的第二位置信息和第二姿态信息。由于飞行器载体的姿态信息主要由三个欧拉角所表征，当被成像恒星的观测数量小于3颗时，此时根据被成像恒星的坐标信息建立的姿态求解方程组为不定方程组，无法求解出载体唯一的第二姿态信息，继而也就无法解算出飞行器载体在地心惯性坐标系下的第二位置信息。当被成像恒星的观测数量大于或等于3颗时，则可以根据被成像恒星提供的坐标信息建立超定方程组，继而求解求出载体唯一的第二姿态信息。因此，在基于惯性导航与星敏感器的松组合导航系统中，星敏感器进行姿态解算过程中要求观测到的被成像恒星的数量必须大于或等于3颗，否则星敏感器无法提供飞行器载体的第二位置信息和第二姿态信息，继而无法与捷联惯导提供的第一位置信息和第一姿态信息进行信息融合，得到捷联惯导的状态误差项的最优估计，也就无法对捷联惯导测得的位置和姿态信息进行修正，使得松组合导航系统的精度无法得到提高。
[0017]进一步地，研究表明，在星敏感器能探测到的最低星等为6.5和视场为12° X 12°情况下，在整个天球域内星敏感器视场内存在3颗以上恒星的概率为90.4%，也就是说星敏感器有9.6%的区域不能工作，特别是在北天极附近(70°?90°，220°?240° )，由于恒星比较稀疏，星敏感器不能工作的概率大大增加，因此在I颗或2颗的寡星条件下，现有基于惯性导航与星敏感器的松组合导航系统无法通过星敏感器来保持高精 度，姿态误差将随时间漂移越来越大，限制了松组合导航系统的应用范围。
【发明内容】
[0018]本发明实施例提供一种基于捷联惯导与星敏感器的组合导航系统，可以提高组合导航系统的应用范围。
[0019]本发明的实施例还提供一种基于捷联惯导与星敏感器的组合导航系统的导航方法，可以提高组合导航系统的应用范围。
[0020]本发明实施例提供一种基于捷联惯导与星敏感器的组合导航系统，该组合导航系统包括:捷联惯导、星敏感器以及滤波器；其中，
[0021]所述捷联惯导用于测量载体的姿态信息，并根据来自滤波器的状态误差项的最优估计，修正所述载体的姿态信息；
[0022]所述星敏感器用于根据预先设置的更新频率获取最大视角内的被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一经纬角；利用第一经纬角、来自所述捷联惯导的姿态信息和预先存储有基准恒星在地心惯性坐标系下赤经纬角的基准恒星库，确定出与被成像恒星匹配的基准恒星在地心惯性坐标系下的第二方向单位矢量；基于第二方向单位矢量以及所述姿态信息，确定所述基准恒星在载体坐标系下的第三方向单位矢量以及在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度；
[0023]所述滤波器用于利用来自所述捷联惯导的姿态信息，以及来自所述星敏感器的第一经纬角、第二经度、第二纬度和第二方向单位矢量，确定基准恒星与被成像恒星在星敏感器坐标系下的经纬角差值；将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以经纬角差值为状态量的观测方程；对构建的观测方程进行卡尔曼滤波，得到捷联惯导的状态误差项的最优估计。
[0024]较佳地，
[0025]所述姿态信息为姿态转换矩阵；
[0026]所述第一经纬角包括:第一经度、第一纬度以及第一方向单位矢量；
[0027]所述赤经纬角包括:赤经、赤纬以及方向单位矢量。
[0028]较佳地，
[0029]所述经纬角差值包括:经度差值、纬度差值以及姿态角误差；
[0030]所述构建以经纬角差值为状态量的观测方程包括:根据经度差值和纬度差值，获取经纬位置差，构建以经纬位置差为状态量的观测方程，或构建以姿态角误差为状态量的观测方程。
[0031]较佳地，所述星敏感器包括光学成像模块、CXD图像传感器、星点提取模块以及星图识别模块；其中，
[0032]所述光学成像模块用于根据星敏感器预先设置的更新频率，将最大视角内的被成像恒星成像至CCD图像传感器中的CCD敏感面阵上，形成光学图像；
[0033]所述CCD图像传感器用于将来自所述光学成像模块的光学图像转变成灰度数字图像数据；
[0034]所述星点提取模块用于对来自所述CXD图像传感器的灰度数字图像数据进行星点提取，获取提取的星点中被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一经度、第一纬度以及第一方向单位矢量，并从第一方向单位矢量中获取星敏感器光轴指向在星敏感器坐标系下的第四方向单位矢量；
[0035]所述星图识别模块用于利用所述第一方向单位矢量、来自所述捷联惯导的姿态转换矩阵和预先存储有基准恒星在地心惯性坐标系下赤经纬角的基准恒星库，确定出与被成像恒星匹配的基准恒星在地心惯性坐标系下的第二方向单位矢量；基于所述第二方向单位矢量以及所述姿态转换矩阵，确定基准恒星在载体坐标系下的第三方向单位矢量以及在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度。
[0036]较佳地，所述对来自所述CXD图像传感器的灰度数字图像数据进行星点提取，获取提取的星点中被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一经度、第一纬度以及第一方向单位矢量包括:
[0037]所述星点提取模块通过包括但不限于星点与背景分离、连通分析及内插细分定位算法，对接收的灰度数字图像数据进行星点提取，获取与被成像恒星对应的星点像元以及星点像元在CXD成像平面坐标系下的二维坐标，其中，星敏感器光轴指向在CXD成像平面坐标系下的二维坐标为(0，O)；
[0038]根据获取的二维坐标以及星敏感器坐标系与CXD成像平面坐标系的坐标原点间距，得到被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一经度、第一纬度；
[0039]根据得到的第一经度、第一纬度以及星敏感器坐标系与CXD成像平面坐标系之间的几何关系，解算得到被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一方向单位矢量，其中，得到的第一方向单位矢量包含星敏感器光轴指向在星敏感器下的第四方向单位矢量。
[0040]较佳地，所述星图识别模块包括光轴识别单元、基准恒星搜索单元、基准恒星匹配单元、预测星点坐标单元；其中，
[0041]所述光轴识别单元用于根据来自所述捷联惯导的姿态转换矩阵，以及来自星点提取模块的第四方向单位矢量，解算得到第二赤经、第二赤纬；
[0042]所述基准恒星搜索单元，用于以所述光轴识别单元输出的第二赤经、第二赤纬表示的星点为中心，从所述基准恒星库中搜索得到最大视角内的各基准恒星的第五方向单位
矢量;
[0043]所述基准恒星匹配单元用于根据来自所述基准恒星搜索单元的第五方向单位矢量，以及来自所述捷联惯导的姿态转换矩阵，确定所述最大视角内的各基准恒星在星敏感器坐标系下的第六方向单位矢量；计算第六方向单位矢量与第一方向单位矢量的差值，获取小于或等于预先设置的判定阈值的差值对应的第二方向单位矢量；
[0044]所述预测星点坐标单元用于根据来自所述基准恒星匹配单元的第二方向单位矢量，以及来自所述捷联惯导的姿态转换矩阵，确定基准恒星在载体坐标系下的第三方向单位矢量以及在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度。
[0045]较佳地，所述根据来自所述捷联惯导的姿态转换矩阵，以及来自星点提取模块的第四方向单位矢量，解算得到第二赤经、第二赤纬包括:
[0046]所述光轴识别单元根据来自所述捷联惯导的姿态转换矩阵，以及来自所述星点提取模块的第四方向单位矢量，得到星敏感器光轴指向在地心惯性坐标系下的第七方向单位
矢量;
[0047]根据得到的第七方向单位矢量，以及地心惯性坐标系下的方向单位矢量与赤经、赤纬的几何关系，解算得到第二赤经、第二赤纬。
[0048]较佳地，所述根据来自所述基准恒星匹配单元的第二方向单位矢量，以及来自所述捷联惯导的姿态转换矩阵，确定基准恒星在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度包括:
[0049]所述预测星点坐标单元根据来自所述基准恒星匹配单元的第二方向单位矢量，以及来自所述捷联惯导的姿态转换矩阵，确定与被成像恒星匹配的基准恒星在载体坐标系下的第三方向单位矢量；
[0050]根据确定的第三方向单位矢量，以及载体坐标系与星敏感器坐标系的几何关系，得到基准恒星在星敏感器坐标系下的第八方向单位矢量；
[0051]根据得到的第八方向单位矢量，以及星敏感器坐标系下的方向单位矢量与经度、纬度的几何关系，得到匹配的基准恒星在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度。
[0052]较佳地，
[0053]当星敏感器观测的被成像恒星的数量为I颗或2颗时，所述将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以经纬角差值为状态量的观测方程包括:
[0054]所述滤波器根据被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一经度、第一纬度，以及与被成像恒星匹配的基准恒星在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度，得到基准恒星与被成像恒星在星敏感器坐标系下的经度差值、纬度差值；并将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以由经度差值、纬度差值构成的经纬位置差为状态量的观测方程;
[0055]当星敏感器观测的被成像恒星的数量大于或等于3颗时，所述将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以经纬角差值为状态量的观测方程包括:
[0056]所述滤波器利用由预设在所述捷联惯导中的数学平台系到地心惯性坐标系的第一转换矩阵、地心惯性坐标系到地球固连坐标系的第二转换矩阵、地球固连坐标系到捷联惯导中的数学平台系的第三转换矩阵构造的姿态转换矩阵，以及来自所述星敏感器的第一经度、第一纬度、第二经度、第二纬度和第二方向单位矢量，构建基准恒星与被成像恒星在载体坐标系下的方向单位矢量误差方程；利用最小二乘方法解算方向单位矢量误差方程，得到姿态角误差；将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以得到的姿态角误差为状态量的观测方程。
[0057]根据本发明的另一方面，本发明实施例还提供了一种基于捷联惯导与星敏感器的组合导航方法，该方法包括:
[0058]捷联惯导测量并输出载体的姿态信息；
[0059]星敏感器根据预先设置的更新频率获取最大视角内的被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一经纬角；利用第一经纬角、来自捷联惯导的姿态信息和预先存储有基准恒星在地心惯性坐标系下赤经纬角的基准恒星库，确定出与被成像恒星匹配的基准恒星在地心惯性坐标系下的第二方向单位矢量；基于第二方向单位矢量以及所述姿态信息，确定所述基准恒星在载体坐标系下的第三方向单位矢量以及在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度；
[0060]滤波器利用来自所述捷联惯导的姿态信息，以及来自星敏感器的第一经纬角、第二经度、第二纬度和第二方向单位矢量，确定基准恒星与被成像恒星在星敏感器坐标系下的经纬角差值；将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以经纬角差值为状态量的观测方程；对构建的观测方程进行卡尔曼滤波，得到捷联惯导的状态误差项的最优估计；
[0061]捷联惯导根据来自滤波器的状态误差项的最优估计，修正载体的姿态信息。
[0062]较佳地，
[0063]所述姿态信息为姿态转换矩阵；
[0064]所述第一经纬角包括:第一经度、第一纬度以及第一方向单位矢量；
[0065]所述赤经纬角包括:赤经、赤纬以及方向单位矢量。
[0066]较佳地，
[0067]所述经纬角差值包括:经度差值、纬度差值以及姿态角误差；
[0068]所述构建以经纬角差值为状态量的观测方程包括:根据经度差值和纬度差值，获取经纬位置差，构建以经纬位置差为状态量的观测方程，或构建以姿态角误差为状态量的观测方程。
[0069]较佳地，所述星敏感器根据预先设置的更新频率获取最大视角内的被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一经纬角包括:
[0070]根据星敏感器预先设置的更新频率，将最大视角内的被成像恒星成像至CXD图像传感器中的CCD敏感面阵上，形成光学图像；
[0071]将所述光学图像转变成灰度数字图像数据；
[0072]对灰度数字图像数据进行星点提取，获取被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一经度、第一纬度以及第一方向单位矢量。
[0073]较佳地，所述对灰度数字图像数据进行星点提取，获取被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一经度、第一纬度以及第一方向单位矢量包括:
[0074]通过包括但不限于星点与背景分离、连通分析及内插细分定位算法，对灰度数字图像数据进行星点提取，获取与被成像恒星对应的星点像元以及星点像元在CXD成像平面坐标系下的二维坐标，其中，星敏感器光轴指向在CXD成像平面坐标系下的二维坐标为(0，O)；
[0075]根据获取的二维坐标以及星敏感器坐标系与CXD成像平面坐标系的坐标原点间距，得到被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一经度、第一纬度；
[0076]根据得到的第一经度、第一纬度以及星敏感器坐标系与CXD成像平面坐标系之间的几何关系，解算得到被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一方向单位矢量，其中，得到的第一方向单位矢量包含星敏感器光轴指向在星敏感器坐标系下的第四方向单位矢量。
[0077]较佳地，所述利用第一经纬角、来自捷联惯导的姿态信息和预先存储有基准恒星在地心惯性坐标系下赤经纬角的基准恒星库，确定出与被成像恒星匹配的基准恒星在地心惯性坐标系下的第二方向单位矢量；基于第二方向单位矢量以及所述姿态信息，确定所述基准恒星在载体坐标系下的第三方向单位矢量以及在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度包括:
[0078]根据第四方向单位矢量以及姿态转换矩阵，得到星敏感器坐标系光轴指向在地心惯性坐标系下的第二赤经、第二赤纬；
[0079]以得到的第二赤经、第二赤纬表示的星点为中心，从预先存储有基准恒星在地心惯性坐标系下的赤经纬角的基准恒星库中，查询得到所述最大视角内的各基准恒星的第五方向单位矢量；
[0080]根据得到的第五方向单位矢量及姿态转换矩阵，得到最大视角内的各基准恒星在星敏感器坐标系下的第六方向单位矢量；
[0081]计算第六方向单位矢量与第一方向单位矢量的差值，获取小于或等于预先设置的判定阈值的差值对应的第二方向单位矢量；
[0082]根据第二方向单位矢量以及姿态转换矩阵，得到匹配的基准恒星在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度。
[0083]较佳地，所述根据第四方向单位矢量以及姿态转换矩阵，得到星敏感器坐标系光轴指向在地心惯性坐标系下的第二赤经、第二赤纬包括:
[0084]根据姿态转换矩阵，以及星敏感器光轴指向在星敏感器坐标系下的第四方向单位矢量，得到星敏感器光轴指向在地心惯性坐标系下的第七方向单位矢量；
[0085]根据得到的第七方向单位矢量，以及地心惯性坐标系下的方向单位矢量与赤经、赤纬的几何关系，解算得到星敏感器光轴指向在地心惯性坐标系下的第二赤经、第二赤纬。
[0086]较佳地，所述根据第二方向单位矢量以及姿态转换矩阵，得到匹配的基准恒星在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度包括:
[0087]根据第二方向单位矢量，以及姿态转换矩阵，得到匹配的基准恒星在载体坐标系下的第三方向单位矢量；
[0088]根据得到的第三方向单位矢量，以及载体坐标系与星敏感器坐标系的几何关系，得到匹配的基准恒星在星敏感器坐标系下的第八方向单位矢量；
[0089]根据得到的第八方向单位矢量，以及星敏感器坐标系下的方向单位矢量与经度、纬度的几何关系，得到匹配的基准恒星在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度。
[0090]较佳地，
[0091]当星敏感器观测的被成像恒星的数量为I颗或2颗时，所述将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以经纬角差值为状态量的观测方程包括:
[0092]所述滤波器根据被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一经度、第一纬度，以及与被成像恒星匹配的基准恒星在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度，得到基准恒星与被成像恒星在星敏感器坐标系下的经度差值、纬度差值；并将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以由经度差值、纬度差值构成的经纬位置差为状态量的观测方程;
[0093]当星敏感器观测的被成像恒星的数量大于或等于3颗时，所述将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以经纬角差值为状态量的观测方程包括:
[0094]所述滤波器利用由预设在所述捷联惯导中的数学平台系到地心惯性坐标系的第一转换矩阵、地心惯性坐标系到地球固连坐标系的第二转换矩阵、地球固连坐标系到捷联惯导中的数学平台系的第三转换矩阵构造的姿态转换矩阵，以及来自所述星敏感器的第一经度、第一纬度、第二经度、第二纬度和第二方向单位矢量，构建基准恒星与被成像恒星在载体坐标系下的方向单位矢量误差方程；利用最小二乘方法解算方向单位矢量误差方程，得到姿态角误差；将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以得到的姿态角误差为状态量的观测方程。[0095]由上述技术方案可见，本发明的技术方案中，星敏感器获取被成像恒星在星敏感器坐标系下的经度、纬度信息，并借助基准恒星，在观测到I颗或2颗恒星时，结合捷联惯导提供的姿态转换矩阵，得到与被成像恒星匹配的基准恒星在星敏感器坐标系下的经度、纬度信息；继而，以捷联惯导的误差方程作为组合导航系统的状态方程，结合被成像恒星及基准恒星分别在星敏感器坐标系下的经度、纬度信息之间的差值，构建以由经度差值、纬度差值构成的经纬位置差为状态量的观测方程，通过卡尔曼滤波器得到捷联惯导的位置误差、姿态角误差等状态误差项的最优估计；继而根据状态误差项的最优估计修正捷联惯导测得的位置信息和姿态信息。通过本发明提供的技术方案可以保证在寡星条件下组合导航系统能够保持高精度，提高了组合导航系统的应用范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0096]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
[0097]图1为现有基于捷联惯导与星敏感器的松组合导航系统结构示意图。
[0098]图2为本发明实施例基于捷联惯导与星敏感器的组合导航系统结构示意图。
[0099]图3为本发明实施例星敏感器成像原理示意图。
[0100]图4为本发明实施例星图识别模块结构示意图。
[0101]图5为本发明实施例基于捷联惯导与星敏感器的组合导航方法流程示意图。【具体实施方式】
[0102]以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
[0103]现有基于惯性导航与星敏感器的松组合导航系统，将星敏感器提供的第二位置信息和第二姿态信息，与捷联惯导提供的第一位置信息和第一姿态信息进行数据融合，得到捷联惯导的状态误差项的最优估计，校正捷联惯导的数学平台，继而修正捷联惯导测得的位置信息和姿态信息，使得组合导航系统能够提供与星敏感器的精度水平相当的位置信息和姿态信息。但是，在恒星观测数量小于3颗时，由于星敏感器不能正常提供姿态信息，也就无法对捷联惯导的姿态误差进行校正，进而导致松组合导航系统的姿态信息随时间漂移，限制了组合导航系统的应用范围。
[0104]在本发明实施例提供的基于捷联惯导与星敏感器的组合导航系统中，星敏感器获取被成像恒星在星敏感器坐标系下的经度、纬度信息，并借助基准恒星，在观测到I颗或2颗恒星时，结合捷联惯导提供的姿态转换矩阵，得到与被成像恒星匹配的基准恒星在星敏感器坐标系下的经度、纬度信息；继而，以捷联惯导的误差方程作为组合导航系统的状态方程，结合被成像恒星及基准恒星分别在星敏感器坐标系下的经度、纬度信息之间的差值，构建以由经度差值、纬度差值构成的经纬位置差为状态量的观测方程，通过卡尔曼滤波器得到捷联惯导的位置误差、姿态角误差等状态误差项的最优估计；继而根据状态误差项的最优估计修正捷联惯导测得的位置信息和姿态信息；
[0105]在观测到3颗或3颗以上的恒星时，则根据捷联惯导提供的姿态转换矩阵以及被成像恒星在星敏感器坐标系下的经度、纬度信息，得到与被成像恒星匹配的基准恒星在星敏感器坐标系下的经度、纬度信息之后，可以根据最小二乘方法得到捷联惯导的姿态角误差，并以捷联惯导的误差方程作为组合导航系统的状态方程，构建以姿态角误差为状态量的观测方程，通过卡尔曼滤波器，进行捷联惯导的位置误差、姿态角误差等状态误差项的最优估计；并根据状态误差项的最优估计对捷联惯导的数学平台进行校正，使得捷联惯导根据已校正的数学平台能够提供具有高精度的位置和姿态信息。
[0106]这样，本发明实施例提供的基于捷联惯导与星敏感器的组合导航系统，在观测恒星为I颗或2颗的情况下，能够将星敏感器与捷联惯导分别提供的信息进行融合，保证了在寡星条件下也能够保持高精度，提高了组合导航系统的应用范围。而且，本发明实施例提供的基于捷联惯导与星敏感器的组合导航系统中星敏感器采用的星图识别方法比现有基于轨道动力学定位方法或基于几何法的定位方法的特征匹配方法更为简单，有利于提高星敏感器的姿态更新频率。
[0107]图2为本发明实施例基于捷联惯导与星敏感器的组合导航系统结构示意图。如图2所示，基于捷联惯导与星敏感器的组合导航系统包括捷联惯导11、星敏感器12以及滤波器13。
[0108]基于捷联惯导与星敏感器的组合导航系统中，捷联惯导11用于测量载体的姿态信息，并根据来自滤波器13的状态误差项的最优估计，修正测得的载体的姿态信息。
[0109]本发明实施例中，捷联惯导11通过安装在飞行器载体(可简称为载体)上的惯性器件(包括陀螺仪、加速度计)，可以实时测得飞行器载体在地心惯性坐标系(可用i表示)下的位置信息；根据测得的飞行器载体的位置信息并结合捷联惯导的数学平台，构造出当前导
航时刻载体坐标系(可用b表示)到地心惯性坐标系的姿态转换矩阵(?。
[0110]本发明实施例中，捷联惯导11，进一步还可以根据自滤波器13接收的状态误差项的最优估计，对测得的飞行器载体的位置信息和姿态信息进行修正，并将修正的飞行器载体的位置信息和姿态信息作为组合导航系统的载体运动参数输出信息。
[0111]关于捷联惯导如何根据接收的状态误差项的最优估计进行位置信息和姿态信息的修正为本领域技术人员所公知的技术，在此不再详述。
[0112]星敏感器12用于根据星敏感器预先设置的更新频率，定期获取最大视角内的被成像恒星在星敏感器坐标系(可用s表示)下的第一经纬角，其中，第一经纬角包括经度αc」(可称为第一经度)、纬度Scj (可称为第一纬度)以及方向单位矢量Ssj (可称为第一方向单位矢量)(j=0，1，2...，η，η为自然数)；利用获取的被成像恒星在星敏感器坐标系下的方向
单位矢量来自捷联惯导11接收的当前导航时刻的姿态转换矩阵^，和预先存储有基
准恒星及基准恒星在地心惯性坐标系下赤经纬角的基准恒星库，确定出与被成像恒星匹配
的基准恒星及该匹配的基准恒星在地心惯性坐标系下的方向单位矢量^ (可称为第二方
向单位矢量)；基于得到的第二方向单位矢量X以及姿态转换矩阵?确定与被成像恒星匹配的基准恒星在载体坐标系下的方向单位矢量^ (可称为第三方向单位矢量)在星敏感
器坐标系下的经度式,_ (可称为第二经度)、纬度 < (可称为第二纬度)，其中，赤经纬角包括基准恒星在地心惯性坐标系下的赤经、赤纬及方向单位矢量。
[0113]本发明实施例中，具体地，根据星敏感器预先设置的更新频率，星敏感器定期将最大视角内的被成像恒星成像，并获得被成像恒星在星敏感器坐标系下的经度α。」、纬度Scj以及方向单位矢量Ssj (j=0, 1，2...，η，η为自然数);并从方向单位矢量Ssj中获取星敏感器光轴指向在星敏感器坐标系下的方向单位矢量Sstl (可称为第四方向单位矢量)。
[0114]根据星敏感器光轴指向在星敏感器坐标系下的方向单位矢量Sstl，以及来自捷联惯
导11的当前导航时刻的姿态转换矩阵C得到星敏感器光轴指向在地心惯性坐标系下的赤经(可称为第二赤经)、赤纬δ 0 (可称为第二赤纬)。
[0115]以得到的星敏感器光轴指向在地心惯性坐标系下的赤经a C1、赤纬δ ^表示的星点为中心，从预先存储有基准恒星及基准恒星在地心惯性坐标系下的赤经、赤纬及方向单位矢量的基准恒星库中，查询得到星敏感器最大视角内的各基准恒星以及各基准恒星在地心
惯性坐标系下的方向单位矢I S (可称为第五方向单位矢量)。
[0116]根据得到的各基准恒星在地心惯性坐标系下的方向单位矢量^，及自捷联惯导11接收的姿态转换矩阵C得到最大视角内的各基准恒星在星敏感器坐标系下的方向单位矢量(可称为第六方向单位矢量)。
[0117]计算各基准恒星在星敏感器坐标系下的方向单位矢量5分别与被成像恒星在星敏感器坐标系下的方向单位矢量Ssj的差值，并将差值与预先设置的判定阈值进行比较，获取小于或等于判定阈值的差值对应的基准恒星在地心惯性坐标系下的方向单位矢量&，其中，与小于或等于判定阈值的差 值对应的基准恒星为与被成像恒星匹配的基准恒星。
[0118]根据匹配的基准恒星在地心惯性坐标系中的方向单位矢量S以及来自捷联惯
导11的姿态转换矩阵g，获取与被成像恒星匹配的基准恒星在载体坐标系下的方向单位矢量4以及在星敏感器坐标系下的经度、纬度么。
[0119]本发明实施例中，星敏感器12包括光学成像模块201、CXD图像传感器202、星点提取模块203以及星图识别模块204。
[0120]在星敏感器中，光学成像模块201用于根据星敏感器预先设置的更新频率，将当前导航时刻最大视角内的被成像恒星成像至CCD图像传感器202中的CCD敏感面阵上，形成光学图像。
[0121]CXD图像传感器202用于将成像至CXD敏感面阵上的来自光学成像模块201的光学图像转变成灰度数字图像数据，并将灰度数字图像数据传输至星点提取模块203。
[0122]星点提取模块203用于对来自CXD图像传感器的灰度数字图像数据进行星点提取，获取提取的星点中被成像恒星在星敏感器坐标系下的经度α。」、纬度δ。」以及方向单位矢量Ssj (其中j=0，I, 2...，n，n为自然数);并从第一方向单位矢量Ssj中获取星敏感器光轴指向在星敏感器坐标系下的方向单位矢量SsQ。
[0123]本发明实施例中，假设星敏感器坐标系与载体坐标系重合，且地心惯性坐标系i表示为OiXiYiZi,载体坐标系b表示为0bxbybzb ;星敏感器坐标系s表示为osxsyszs,而星敏感器中的CXD成像平面坐标系(可用c表示)表示为0Α^ζ。，其中，01、0b、0s、0。分别为地心惯性坐标系、载体坐标系、星敏感器坐标系及CXD成像平面坐标系的坐标原点；同时，星敏感器坐标系OsWs与CXD成像平面坐标系WW平行且坐标原点Os与O。之间的距离用f表不。
[0124]作为可选实施例，由于星敏感器固定在飞行器载体上，存在固定的几何关系，因此，当不假设星敏感器坐标系与载体坐标系重合时，星敏感器坐标系与载体坐标系之间可通过固定的转换矩阵进行切换，也就是说，根据载体坐标系到地心惯性坐标系坐标系的姿态转换矩阵，即可通过固定的星敏感器坐标系到载体坐标系的转换矩阵，得到星敏感器坐标系到地心惯性坐标系的转换矩阵；根据被成像恒星(或基准恒星)在星敏感器坐标系下的经度、纬度及方向单位矢量，均可通过星敏感器坐标系与载体坐标系之间的几何关系，得到被成像恒星在载体坐标系下的经度、纬度及方向单位矢量，反之亦然。
[0125]本发明实施例中，星点提取模块203可以通过包括但不限于星点与背景分离、连通分析及内插细分定位算法，对接收的灰度数字图像数据进行星点提取，获取与被成像恒星对应的星点像元Pj以及星点像元Pj (j=0, I, 2，L, η)在(XD成像平面坐标系下的二维坐标(y。」，z。」),其中，Ptl表示星敏感器光轴指向在CCD成像平面坐标系下的星点像元,星敏感器光轴指向在CXD成像平面坐标系下的二维坐标可表示为(y。。，z。。)，其中，yc0=0, 2。。=0。
[0126]接着，根据星点像元Pj在CXD成像平面坐标系下的二维坐标(^」，ζ。」)以及星敏感器坐标系与CXD成像平面坐标系的坐标原点间距f，得到被成像恒星在星敏感器坐标系下的经度α Cj、讳度δ cJO
[0127]然后，根据得到的被成像恒`星在星敏感器坐标系下的经度α、纬度δ cJ,以及星敏感器坐标系s与CXD成像平面坐标系c的几何关系，解算得到被成像恒星在星敏感器坐标系的方向单位矢量Ssj，其中，得到的被成像恒星在星敏感器坐标系的方向单位矢量Ssj包含星敏感器光轴指向在星敏感器下的方向单位矢量SsQ。
[0128]具体地，图3为本发明实施例星敏感器成像原理的示意图。如图3所示，在当前导航时刻，将被成像恒星经过星敏感器12的光学成像模块201成像在C⑶面阵上的星点像元表示为Pj，Pj在CCD成像平面坐标系OcXJcIc中的二维可测量坐标为(y。」，Zcj), Pyj为点Pj在CCD成像平面坐标系中I轴的映射点。
[0129]定义pj0s与pyj0s的夹角为δ cJ, OcOs与PyjOs的夹角为α，其中a cJ和δ cJ分别为被成像恒星在星敏感器坐标系下的经度和纬度。则根据几何关系，acJ, 6[^与)^、、之间的关系可表示为:
[0130]tan ari = 了
JV I /
[0131]lani>'/ =,、."cosa(/(2)[0132]而被成像恒星在星敏感器坐标系下的方向单位矢量Ssj可表示为:
【权利要求】
1.一种基于捷联惯导与星敏感器的组合导航系统，其特征在于，该组合导航系统包括:捷联惯导、星敏感器以及滤波器；其中， 所述捷联惯导用于测量载体的姿态信息，并根据来自滤波器的状态误差项的最优估计，修正所述载体的姿态信息； 所述星敏感器用于根据预先设置的更新频率获取最大视角内的被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一经纬角；利用第一经纬角、来自所述捷联惯导的姿态信息和预先存储有基准恒星在地心惯性坐标系下赤经纬角的基准恒星库，确定出与被成像恒星匹配的基准恒星在地心惯性坐标系下的第二方向单位矢量；基于第二方向单位矢量以及所述姿态信息，确定所述基准恒星在载体坐标系下的第三方向单位矢量以及在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度； 所述滤波器用于利用来自所述捷联惯导的姿态信息，以及来自所述星敏感器的第一经纬角、第二经度、第二纬度和第二方向单位矢量，确定基准恒星与被成像恒星在星敏感器坐标系下的经纬角差值；将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以经纬角差值为状态量的观测方程；对构建的观测方程进行卡尔曼滤波，得到捷联惯导的状态误差项的最优估计。
2.如权利要求1所述的组合导航系统，其特征在于， 所述姿态信息为姿态转换矩阵； 所述第一经纬角包括:第一经度、第一纬度以及第一方向单位矢量； 所述赤经纬角包括:赤经、赤纬以及方向单位矢量。
3.如权利要求2所述的组合导航系统，其特征在于， 所述经纬角差值包括:经度差值、纬度差值以及姿态角误差； 所述构建以经纬角差值为状态量的观测方程包括:根据经度差值和纬度差值，获取经纬位置差，构建以经纬位置差为状态量的观测方程，或构建以姿态角误差为状态量的观测方程。
4.如权利要求3所述的组合导航系统，其特征在于，所述星敏感器包括光学成像模块、CXD图像传感器、星点提取模块以及星图识别模块；其中， 所述光学成像模块用于根据星敏感器预先设置的更新频率，将最大视角内的被成像恒星成像至CCD图像传感器中的CCD敏感面阵上，形成光学图像； 所述CCD图像传感器用于将来自所述光学成像模块的光学图像转变成灰度数字图像数据； 所述星点提取模块用于对来自所述CCD图像传感器的灰度数字图像数据进行星点提取，获取提取的星点中被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一经度、第一纬度以及第一方向单位矢量，并从第一方向单位矢量中获取星敏感器光轴指向在星敏感器坐标系下的第四方向单位矢量； 所述星图识别模块用于利用所述第一方向单位矢量、来自所述捷联惯导的姿态转换矩阵和预先存储有基准恒星在地心惯性坐标系下赤经纬角的基准恒星库，确定出与被成像恒星匹配的基准恒星在地心惯性坐标系下的第二方向单位矢量；基于所述第二方向单位矢量以及所述姿态转换矩阵，确定基准恒星在载体坐标系下的第三方向单位矢量以及在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度。
5.如权利要求4所述的组合导航系统，其特征在于，所述星图识别模块包括光轴识别单元、基准恒星搜索单元、基准恒星匹配单元、预测星点坐标单元；其中， 所述光轴识别单元用于根据来自所述捷联惯导的姿态转换矩阵，以及来自星点提取模块的第四方向单位矢量，解算得到第二赤经、第二赤纬； 所述基准恒星搜索单元，用于以所述光轴识别单元输出的第二赤经、第二赤纬表示的星点为中心，从所述基准恒星库中搜索得到最大视角内的各基准恒星的第五方向单位矢量; 所述基准恒星匹配单元用于根据来自所述基准恒星搜索单元的第五方向单位矢量，以及来自所述捷联惯导的姿态转换矩阵，确定所述最大视角内的各基准恒星在星敏感器坐标系下的第六方向单位矢量；计算第六方向单位矢量与第一方向单位矢量的差值，获取小于或等于预先设置的判定阈值的差值对应的第二方向单位矢量； 所述预测星点坐标单元用于根据来自所述基准恒星匹配单元的第二方向单位矢量，以及来自所述捷联惯导的姿态转换矩阵，确定基准恒星在载体坐标系下的第三方向单位矢量以及在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度。
6.如权利要求3至5任一项所述的组合导航系统，其特征在于， 当星敏感器观测的被成像恒星的数量为I颗或2颗时，所述将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以经纬角差值为状态量的观测方程包括: 所述滤波器根据被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一经度、第一纬度，以及与被成像恒星匹配的基准恒星在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度，得到基准恒星与被成像恒星在星敏感器坐标系下的经度差值、纬度差值；并将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以由经度差值、纬度差值构成的经纬位置差为状态量的观测方程；` 当星敏感器观测的被成像恒星的数量大于或等于3颗时，所述将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以经纬角差值为状态量的观测方程包括: 所述滤波器利用由预设在所述捷联惯导中的数学平台系到地心惯性坐标系的第一转换矩阵、地心惯性坐标系到地球固连坐标系的第二转换矩阵、地球固连坐标系到捷联惯导中的数学平台系的第三转换矩阵构造的姿态转换矩阵，以及来自所述星敏感器的第一经度、第一纬度、第二经度、第二纬度和第二方向单位矢量，构建基准恒星与被成像恒星在载体坐标系下的方向单位矢量误差方程；利用最小二乘方法解算方向单位矢量误差方程，得到姿态角误差；将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以得到的姿态角误差为状态量的观测方程。
7.一种基于捷联惯导与星敏感器的组合导航方法，该方法包括: 捷联惯导测量并输出载体的姿态信息； 星敏感器根据预先设置的更新频率获取最大视角内的被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一经纬角；利用第一经纬角、来自捷联惯导的姿态信息和预先存储有基准恒星在地心惯性坐标系下赤经纬角的基准恒星库，确定出与被成像恒星匹配的基准恒星在地心惯性坐标系下的第二方向单位矢量；基于第二方向单位矢量以及所述姿态信息，确定所述基准恒星在载体坐标系下的第三方向单位矢量以及在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度； 滤波器利用来自所述捷联惯导的姿态信息，以及来自星敏感器的第一经纬角、第二经度、第二纬度和第二方向单位矢量，确定基准恒星与被成像恒星在星敏感器坐标系下的经纬角差值；将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以经纬角差值为状态量的观测方程；对构建的观测方程进行卡尔曼滤波，得到捷联惯导的状态误差项的最优估计； 捷联惯导根据来自滤波器的状态误差项的最优估计，修正载体的姿态信息。
8.如权利要求7所述的组合导航方法，其中， 所述姿态信息为姿态转换矩阵； 所述第一经纬角包括:第一经度、第一纬度以及第一方向单位矢量； 所述赤经纬角包括:赤经、赤纬以及方向单位矢量。
9.如权利要求8所述的组合导航方法，其中， 所述经纬角差值包括:经度差值、纬度差值以及姿态角误差； 所述构建以经纬角差值为状态量的观测方程包括:根据经度差值和纬度差值，获取经纬位置差，构建以经纬位置差为状态量的观测方程，或构建以姿态角误差为状态量的观测方程。
10.如权利要求9所述的组合导航方法，其中， 当星敏感器观测的被成像恒星的数量为I颗或2颗时，所述将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以经纬角差值为状态量的观测方程包括: 所述滤波器根据被成像恒星在星敏感器坐标系下的第一经度、第一纬度，以及与被成像恒星匹配的基准恒星在星敏感器坐标系下的第二经度、第二纬度，得到基准恒星与被成像恒星在星敏感器坐标系下的经度差值、纬度差值；并将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以由经度差值、纬度差值构成的经纬位置差为状态量的观测方程； 当星敏感器观测的被成像恒星的数量大于或等于3颗时，所述将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以经纬角差值为状态量的观测方程包括: 所述滤波器利用由预设在所述捷联惯导中的数学平台系到地心惯性坐标系的第一转换矩阵、地心惯性坐标系到地球固连坐标系的第二转换矩阵、地球固连坐标系到捷联惯导中的数学平台系的第三转换矩阵构造的姿态转换矩阵，以及来自所述星敏感器的第一经度、第一纬度、第二经度、第二纬度和第二方向单位矢量，构建基准恒星与被成像恒星在载体坐标系下的方向单位矢量误差方程；利用最小二乘方法解算方向单位矢量误差方程，得到姿态角误差；将预先构建的捷联惯导的误差方程作为状态方程，构建以得到的姿态角误差为状态量的观测方程。
【文档编号】G01C21/16GK103674021SQ201310603083
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】伊国兴, 李清华, 奚伯齐, 谢阳光, 祁子洋 申请人:哈尔滨工业大学