一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法，包括以下几个步骤：步骤一，按照最佳安装角度将星敏感器安装在卫星上；步骤二，星敏感器拍摄星图后，使用三角形算法识别星图中的正常星；步骤三，利用识别的正常星计算星敏感器光轴指向和卫星姿态；步骤四，根据星敏感器光轴指向从星表中选星生成模拟折射星图；步骤五，利用模拟折射星图识别折射星，根据识别结果计算星光折射角；步骤六，将星光折射角代入系统模型，星载计算机利用最优估计方法得到卫星的导航信息。本发明提高了星光折射卫星自主导航的精度、降低了设计成本。
【专利说明】一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法，属于卫星自主导航和星图识别的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]由于星光折射间接敏感地平的方法是一种低成本、高精度的自主导航方法。美国对于星光折射法自主导航的研究工作可以追溯到60年代。在实施Apollo计划的过程中，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.1975年由美国海军研究局和美国国防部高级研究计划局共同投资，麻省理工学院Draper实验室对星光折射/星光色散自主导航方案进行了研究和论证，结果表明在一个轨道周期可观测40颗折射星的理想条件下，导航精度可以达到100m。90年代初投入使用的MADAN(mult1-mission attitude determination and autonomous navigation)导航系统(多任务姿态确定和自主导航系统)便利用了星光折射原理。二十世纪80年代初期，法国也进行了星光折射法自主导航的研究。1985年和1986年，CNES多次释放平流层气球对星光折射进行了实际测量，在此基础上，对大气折射的精确模型、测量方案、自然环境对系统观测的约束、误差分配和系统性能优化等方面进行了深入的分析和仿真试验，当时预计该系统导航精度为300m。
[0003]基于星光折射间接敏感地平的方法是一种低成本、高精度的自主导航方法。传统的星光折射方法中使用了两个星敏感器，一个用来敏感非折射星，另一个用来观测折射星，多个星敏感器的使用不仅增加了设计成本，而且增加了初始校准中安装矩阵的校准负担。针对这种情况，本发明公开了一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法。由于星敏感器的安装角度决定了卫星在一个周期内观测到的折射星数目，从而影响到导航的精度。因此，本发明利用球面几何原理给出了一种计算星敏感器最佳安装角度范围的方法。在量测信息的获取过程中，折射角的求取是最重要的一环，而折射星的识别是折射角计算的前提。本发明依据折射星和非折射星的区别，给出了一种只使用一个星敏感器就可以进行折射星识别的方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了提高星光折射卫星自主导航的精度、降低设计成本，提出了一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法
[0005]一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法，包括以下几个步骤:
[0006]步骤一:按照最佳安装角度将星敏感器安装在卫星上；
[0007]步骤二:星敏感器拍 摄星图后，使用三角形算法识别星图中的正常星；
[0008]步骤三:利用识别的正常星计算星敏感器光轴指向和卫星姿态；
[0009]步骤四:根据星敏感器光轴指向从星表中选星生成模拟折射星图；
[0010]步骤五:利用模拟折射星图识别折射星，根据识别结果计算星光折射角；[0011]步骤六:将星光折射角代入系统模型，星载计算机利用最优估计方法得到卫星的导航信息。
[0012]一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法，还包括:
[0013](I)星敏感器的最佳安装角度的范围是:
[0014]0 G (a4，a3)
[0015]其中，
【权利要求】
1.一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法，其特征在于，包括以下几个步骤: 步骤一:按照最佳安装角度将星敏感器安装在卫星上； 步骤二:星敏感器拍摄星图后，使用三角形算法识别星图中的正常星； 步骤三:利用识别的正常星计算星敏感器光轴指向和卫星姿态； 步骤四:根据星敏感器光轴指向从星表中选星生成模拟折射星图； 步骤五:利用模拟折射星图识别折射星，根据识别结果计算星光折射角； 步骤六:将星光折射角代入系统模型，星载计算机利用最优估计方法得到卫星的导航信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法，其特征在于，所述的最佳安装角度的范围是:
3.根据权利要求1或2所述的一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法，其特征在于，所述的模拟折射星图的具体生成方法是: 利用星敏感器的光轴指向和星敏感器参数从星表中选择落在星敏感器视场中星光矢量为s的折射星，将折射星投影到星敏感器像平面上；
4.根据权利要求1或2所述的一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法，其特征在于，所述的星光折射角是:
5.根据权利要求3所述的一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法，其特征在于，所述的星光折射角是:
R = arccos(5'l5',) 其中，
6.根据权利要求1或2所述的一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法，其特征在于，所述的系统模型包括状态模型和量测方程，系统的状态模型是:
7.根据权利要求2所述的一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法，其特征在于，星敏感器的最佳安装角度为:
8.根据权利要求7所述的一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法，其特征在于，星敏感器能够观测到的折射星数目为:
9.根据权利要求1或2所述的一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法，其特征在于，所述的卫星的轨道高度为686km，轨道长半轴为7064.14km，偏心率为0，轨道倾角为98.1358°，升交点赤经为254.145°，近升角距为0，星敏感器精度为3 "，星敏感视场0fqv=12° X12°，像平面分辨率为1024X1024，星敏感器的最佳安装角度的范围边界a 4=64.77。，a 3=65.36。。
10.根据权利要求7所述的一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法，其特征在于，所述的卫星的轨道高度为686km，轨道长半轴为7064.14km，偏心率为0，轨道倾角为98.1358°，升交点赤经为254.145°，近升角距为0，星敏感器精度为3 "，星敏感视场0Fov=12° X12°，像平面分辨率为1024X1024，星敏感器的最佳安装角度0 =65.06°。
【文档编号】G01C21/24GK103616028SQ201310624874
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】钱华明, 孙龙, 蔡佳楠, 黄蔚, 王大伟, 徐健雄 申请人:哈尔滨工程大学