基于人造卫星的星光定位导航方法与流程

1.本发明属于导航领域，涉及一种基于人造卫星的星光定位导航方法。


背景技术：

2.基于捷联惯性测量组合和星敏感器的“惯性 星光”复合导航方式综合了两种导航方式的优点,可以实现自主导航的高动态和高精度。星敏感器是一种体积小、重量轻、可靠性高，基于可见光成像原理工作的设备。传统星光导航是利用星敏感器对恒星进行测量，确定载体飞行姿态。虽然获取了很高精度的姿态信息，但无法实现对载体位置信息的测量，星光制导的应用因此有很大局限性。


技术实现要素：

3.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于人造卫星的星光定位导航方法。
4.本发明解决技术的方案是：
5.基于人造卫星的星光定位导航方法，包括如下步骤：
6.步骤1：采用星敏感器观测空间中三颗卫星，根据卫星星历获得所观测三颗卫星的位置坐标，并计算任意两颗卫星的相对距离；
7.步骤2：采用星敏感器测量三颗卫星相对星敏感器的单位方向矢量，并计算任意两颗卫星相对星敏感器的张角；
8.步骤3：根据任意两颗卫星间的相对距离及相对星敏感器的张角，计算星敏感器与每颗卫星之间的相对距离；
9.步骤4：根据三颗卫星位置坐标以及星敏感器与每颗卫星之间的相对距离，计算出星敏感器位置，即实现了飞行器的自主定位。
10.所述步骤1中，设采用星敏感器观测到空间中三颗卫星t1、t2、t3，通过卫星测轨建立的卫星星历数据库获取三颗卫星位置坐标为t
xyz
[1]、t
xyz
[2]、t
xyz
[3]，
[0011]
t
xyz
[1]＝[x
t1 y
t1 z
t1
]
t
[0012]
t
xyz
[2]＝[x
t2 y
t2 z
t2
]
t
[0013]
t
xyz
[3]＝[x
t3 y
t3 z
t3
]
t
。
[0014]
利用如下公式计算三颗卫星中任意两颗卫星的相对距离：
[0015]
p＝|t
xyz
[2]-t
xyz
[1]|
[0016]
q＝|t
xyz
[3]-t
xyz
[2]|
[0017]
r＝|t
xyz
[1]-t
xyz
[3]|
[0018]
其中，p为卫星t1与卫星t2之间的相对距离；q为卫星t2与卫星t3之间的相对距离；r为卫星t1与卫星t3之间的相对距离。
[0019]
所述步骤2的实现方式如下：
[0020]
采用星敏感器测量三颗卫星t1、t2、t3相对星敏感器的单位方向矢量采用星敏感器测量三颗卫星t1、t2、t3相对星敏感器的单位方向矢量
并计算每两颗卫星相对星敏感器的张角：
[0021][0022][0023][0024]
其中，a为卫星t1与t2相对星敏感器的张角，b为卫星t2与t3相对星敏感器的张角，c为卫星t1与t3相对星敏感器的张角，星敏感器记为o。
[0025]
所述步骤3的实现方式如下：
[0026]
通过如下数学模型计算星敏感器与每颗卫星之间的相对距离：
[0027]
a2 b
2-2a*b*cos a＝p2[0028]
b2 c
2-2b*c*cos b＝q2[0029]
c2 a
2-2c*a*cos c＝r2[0030]
其中，a为星敏感器与卫星t1之间的相对距离；b为星敏感器与卫星t2之间的相对距离；c为星敏感器与卫星t3之间的相对距离；
[0031]
p为卫星t1与卫星t2之间的相对距离；q为卫星t2与卫星t3之间的相对距离；r为卫星t1与卫星t3之间的相对距离；
[0032]
a为卫星t1与t2相对星敏感器的张角，b为卫星t2与t3相对星敏感器的张角，c为卫星t1与t3相对星敏感器的张角。
[0033]
所述步骤4的实现方式如下：
[0034]
星敏感器位置表示为[x
c y
c zc]
t
，
[0035]
星敏感器与卫星t1之间的相对距离a表示为
[0036]
(x
c-x
t1
)2 (y
c-y
t1
)2 (z
c-z
t1
)2＝a2[0037]
星敏感器与卫星t2之间的相对距离b表示为
[0038]
(x
c-x
t2
)2 (y
c-y
t2
)2 (z
c-z
t2
)2＝b2[0039]
星敏感器与卫星t3之间的相对距离c表示为
[0040]
(x
c-x
t3
)2 (y
c-y
t3
)2 (z
c-z
t3
)2＝c2[0041]
联立上述三个式子，求解得到星敏感器位置[x
c y
c zc]
t
；
[0042]
x
t1
,y
t1
,z
t1
为卫星t1的位置坐标，x
t2
,y
t2
,z
t2
为卫星t2的位置坐标，x
t3
,y
t3
,z
t3
为卫星t3的位置坐标。
[0043]
所述星敏感器与飞行器捷联安装。
[0044]
当空间中有n颗卫星能够被星敏感器观测时，n》3，选择三颗观测卫星的原则如下：
[0045]
从能够被星敏感器观测的n颗卫星中任选三颗卫星，共有组选择方案；
[0046]
对于每一组选择方案，计算三颗卫星相对星敏感器的平均张角d；
[0047]
利用如下公式计算位置几何精度因子pdop：
[0048][0049]
从所有选择方案中，选择使pdop最小的选择方案对应的三颗卫星作为观测卫星。
[0050]
三颗卫星相对星敏感器的平均张角其中a、b、c分别为任意两颗卫星相对星敏感器的张角。
[0051]
本发明可以极大提高长时飞行飞行器自主导航精度，对于采用星光制导设备的飞行器不需要额外的硬件改动，通过观测卫星自主获取高精度位置导航信息。其具体有益效果有：
[0052]
(1)将星敏感器功能进行扩展，在传统实现自主定姿的基础上，实现了自主定位，不增加额外设备，不占用额外空间，具有很高的经济性；
[0053]
(2)基于观测人造卫星实现自主定位，抗干扰性强、可靠性高，是一种高精度全新的自主定位导航方案。
附图说明
[0054]
图1为本发明基于人造卫星的星光定位导航示意图。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
[0056]
本发明通过使用星敏感器观测多颗卫星，结合卫星星历提供的卫星轨道数据，计算得到卫星间相对距离；采用星敏感器测量各颗卫星相对星敏感器的单位方向矢量，计算得到卫星间矢量夹角；计算星敏感器相对多颗卫星的相对距离；根据卫星轨道数据与相对卫星距离，计算得到星敏感器自身位置，从而实现自主定位。
[0057]
如图1所示为基于人造卫星的星光定位导航示意图。基于人造卫星的星光定位导航方法，通过以下工作步骤实现高精度自主测距。空间不少于3颗卫星t1、t2、t3，通过卫星测轨建立的卫星星历数据库可获取卫星位置，并计算得到星间相对距离p、q、r。采用星敏感器观测各颗卫星，计算得到每两颗卫星间的夹角a、b、c。建立计算模型，获得星敏感器相对各颗卫星的距离a、b、c，从而对星敏感器进行定位。
[0058]
本发明具体步骤如下：
[0059]
步骤1：采用星敏感器观测空间中三颗卫星，根据卫星星历获得三颗观测卫星的位置坐标，并计算各观测卫星间的相对距离。
[0060]
采用星敏感器观测到空间中三颗卫星t1、t2、t3，通过卫星测轨建立的卫星星历数据库可获取卫星位置坐标为t
xyz
[1]、t
xyz
[2]、t
xyz
[3]。
[0061]
t
xyz
[1]＝[x
t1 y
t1 z
t1
]
t
[0062]
t
xyz
[2]＝[x
t2 y
t2 z
t2
]
t
[0063]
t
xyz
[3]＝[x
t3 y
t3 z
t3
]
t
[0064]
计算出三颗卫星之间的相对距离大小p、q、r。
[0065][0066]
其中，p为卫星t1与卫星t2之间相对距离；q为卫星t2与卫星t3之间相对距离；r为
卫星t1与卫星t3之间相对距离。
[0067]
步骤2：采用星敏感器测量三颗卫星相对星敏感器的单位方向矢量，并计算任意两颗卫星相对星敏感器的张角。
[0068]
采用星敏感器测量三颗卫星t1、t2、t3相对星敏感器的单位方向矢量并计算每两颗卫星相对星敏感器的相对张角a、b、c。
[0069][0070]
其中，分别为卫星t1、t2、t3相对星敏感器的单位方向矢量；a为卫星t1与t2的张角，b为卫星t2与t3的张角，c为卫星t1与t3的张角。星敏感器记为o。
[0071]
步骤3：根据任意两颗卫星间的相对距离及相对星敏感器的张角，计算星敏感器与每颗卫星之间的相对距离。
[0072]
建立如下数学模型，
[0073]
根据三角形余弦定理，三角形t1、t2、o中，
[0074]
a2 b
2-2a*b*cos a＝p2………………
(3)
[0075]
同理，三角形t2、t3、o中，
[0076]
b2 c
2-2b*c*cos b＝q2………………
(4)
[0077]
同理，三角形t1、t3、o中，
[0078]
c2 a
2-2c*a*cos c＝r2………………
(5)
[0079]
联立式(3)～(5)，可以求解a、b、c。
[0080]
其中，a为星敏感器与卫星t1之间的距离；b为飞行器与卫星t2之间的距离；c为飞行器与卫星t3之间的距离。
[0081]
步骤4：根据三颗卫星位置以及星敏感器与每颗卫星之间的距离，计算出星敏感器位置，星敏感器与飞行器捷联安装，即实现了飞行器的自主定位。
[0082]
星敏感器位置表示为[x
c y
c zc]
t
。
[0083]
星敏感器与卫星t1之间的距离表示为
[0084]
(x
c-x
t1
)2 (y
c-y
t1
)2 (z
c-z
t1
)2＝a2………………
(6)
[0085]
星敏感器与卫星t2之间的距离表示为
[0086]
(x
c-x
t2
)2 (y
c-y
t2
)2 (z
c-z
t2
)2＝b2………………
(7)
[0087]
星敏感器与卫星t3之间的距离表示为
[0088]
(x
c-x
t3
)2 (y
c-y
t3
)2 (z
c-z
t3
)2＝c2………………
(8)
[0089]
联立式(6)～(8)，可以求解星敏感器位置[x
c y
c zc]
t
。
[0090]
星敏感器与飞行器捷联安装，即实现了飞行器的自主定位。
[0091]
当空间中有n颗卫星能够被星敏感器观测时，n》3，选择三颗观测卫星的原则如下：
[0092]
从能够被星敏感器观测的n颗卫星中任选三颗卫星，共有组选择方案；
[0093]
对于每一组选择方案，计算三颗卫星相对星敏感器的平均张角d；
[0094]
利用如下公式计算位置几何精度因子pdop：
[0095][0096]
从所有选择方案中，选择使pdop最小的选择方案对应的三颗卫星作为观测卫星。
[0097]
三颗卫星相对星敏感器的平均张角其中a、b、c分别为任意两颗卫星相对星敏感器的张角。
[0098]
本发明涉及有自主导航需求的长航时飞行的飞行器，通过采用星敏感器对多颗人造卫星进行测量，可实现采用星敏感器观测人造卫星实现自主导航定位，全程采用自主导航体制，不易受外界干扰，对于采用星光制导方案的飞行器不增加额外设备，不占用额外空间。
[0099]
本发明提出基于人造卫星的星光定位导航技术，将星光制导扩展为定姿 定位双模式的自主导航方法，实现了设备复用，简单经济，对有自主导航需求的长航时飞行的飞行器意义重大！
[0100]
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。