个人导航装置、导航系统及相关方法与流程

1.本公开整体涉及一种个人导航装置，并且特别地，涉及一种能够在不使用来自卫星的信号的情况下确定纬度和经度的个人导航装置。


背景技术：

2.诸如全球定位系统(gps)的全球导航卫星系统(gnss)被广泛使用。然而，gnss信号易于受外部干扰的影响。具体地，gps信号与其他gnss信号的功率较低，由此使得其易于受到甚至非常低的功率干扰的破坏。例如，gps拒绝可能由被称为“拥堵”的干扰引起。因此，当gnss系统(例如，美国的gps)不可用时，可以使用诸如基于视觉的导航、天体导航、地形参考导航、基于机会信号的pnt等的其他定位、导航及跟踪(pnt)方案作为可替代或互补的方案。
3.天体导航使用天体(例如，星星、太阳、月亮、行星)的角度测量来确定姿态、位置以及时间。天体导航已经广泛用于海洋导航以及飞行器和导弹的导航。当gps作为低成本、高准确性以及高可用性的导航方法而变得完全可操作并且可用时，有时对天体导航的需求较低。然而，因为gps包括一些缺点，诸如可用性有限以及易受干扰和欺骗的影响，所以对于天体导航的关注又重新变得强烈起来。
4.基于光学传感器的方案是确定航天器姿态的主要方案。早期的航天器使用太阳传感器和地球传感器进行姿态确定。然而，由于相对低成本的星体跟踪器的高准确性和可用性，基于星体跟踪器的系统现在是多数航天器的选择方案。然而，尽管天体导航为卫星提供了独立于gps的导航解决方案的前景，但是，在个人导航装置中尚未采用天体导航技术。


技术实现要素：

5.在下面一些细节中公开的主体涉及一种能够在不使用gnss(例如，gps)信号的情况下确定静止时(相对于地球表面)的经度和纬度的个人导航装置。确实，个人导航装置具有静止时通过测量相对于诸如由天体限定的eci(地球中心惯性)的坐标系的局部垂直和姿态而确定纬度和经度的能力。更具体地，个人导航装置被配置为测量相对于局部重力的方向的倾斜度(以下称“局部垂直测量”)以及相对于天体的姿态(以下称“天体导航”)。
6.此处使用的术语“导航”在广泛意义上指确定(例如，计算)个人导航装置(可以由人、车辆、或机器人承载)静止时的位置(纬度和经度)。如此处使用的，术语“局部垂直”指个人导航装置的位置处的重力方向、在个人导航装置的本体的参考系中所测量的重力的方向。
7.根据一些实施例，当使用星体跟踪器执行天体导航时，使用倾斜仪测量局部垂直。根据所提出的一个实现方式，个人导航装置被配置为：如果gnss可用，则使用gnss接收器来确定经度和纬度，或者如果gnss不可用，则使用能够“看到”星体的摄像机(例如，能够实现日间星体跟踪能力的短波红外摄像机)及三个加速计来确定经度和纬度。在后者情况下，在个人导航装置静止时，进行图像和加速计数据的采集。
8.尽管将在下面一些细节中将描述配备有星体跟踪器和倾斜仪的个人导航装置的
各个实施例，然而，一个或多个这些个人导航装置可以通过下面一个或多个实施例表征。
9.下面详细公开的主题的一个实施例是个人导航装置，包括：本体；星体跟踪器；倾斜仪；时钟；以及位置计算模块，位置计算模块被配置为基于来自星体跟踪器、倾斜仪以及时钟的相应输出而计算本体的纬度和经度。所有这些元件可以容纳在手持式壳体中。个人导航装置可以进一步包括eci至ecef(地球中心惯性至地球中心、地球固定的参考系)变换矩阵计算模块(这通常是软件模块)，其：(a)连接为从时钟接收时钟信号；(b)被配置为基于时钟信号计算eci至ecef变换矩阵；并且(c)连接为向位置计算模块提供eci至ecef变换矩阵，以在计算纬度和经度时使用。
10.根据紧接前一段落所描述的个人导航装置的一个提出的实现方式：(a)星体跟踪器包括：摄像机；和姿态计算模块，被配置为基于由摄像机捕获的天体的图像而计算本体在eci参考系中的姿态；并且(b)倾斜仪包括：在本体的参考系中具有非共面轴的第一加速计、第二加速计以及第三加速计；以及局部垂直计算模块，被配置为基于由第一加速计、第二加速计以及第三加速计输出的加速计数据而计算本体的参考系中的局部垂直。
11.下面详细公开的主体的另一实施例是导航系统，包括：传感器头，包括本体、安装至本体的摄像机(例如，短波红外摄像机)以及安装至本体的第一加速计、第二加速计以及第三加速计；通信装置，用于从摄像机接收图像数据并且从第一加速计、第二加速计以及第三加速计接收加速计数据；以及手持式计算/显示装置，连接为经由通信装置接收图像数据和加速计数据。手持式计算/显示装置包括：时钟；姿态计算模块，被配置为基于由摄像机捕获的天体的图像而计算本体在eci参考系中的姿态；局部垂直计算模块，被配置为基于由第一加速计、第二加速计以及第三加速计输出的加速计数据而计算本体的参考系中的局部垂直；以及位置计算模块(该模块通常是软件模块)，被配置为基于来自姿态计算模块、局部垂直计算模块以及时钟的相应输出而计算本体的纬度和经度。
12.下面详细公开的主体的又一实施例是一种用于确定静止时的导航装置的本体相对于地球的位置的方法，方法包括：(a)捕获从多个天体发出的光，多个天体出现在安装至静止的本体的摄像机的视野内；(b)基于由摄像机捕获的天体的图像而计算本体在eci参考系中的姿态；(c)使用具有非共面轴、安装至本体的加速计测量导航装置由于地球重力而产生的加速度；(d)基于所测量的加速度而计算包括本体的参考系中的局部垂直的天体导航方案；(e)基于由时钟输出的时钟信号而计算eci至ecef变换矩阵；并且(f)基于所计算的姿态、所计算的局部垂直以及eci至ecef变换矩阵而计算本体的纬度和经度。
13.下面详细公开的主体的又一实施例是一种个人导航装置，包括：本体；星体跟踪器；倾斜仪；时钟；第一位置计算模块，被配置为基于来自星体跟踪器、倾斜仪以及时钟的相应输出而计算本体的纬度和经度；gnss接收器；以及第二位置计算模块，被配置为基于由gnss接收器接收的卫星信号而计算本体的纬度和经度。根据一个实施例，个人导航装置进一步包括：显示装置；显示引擎，被配置为在显示装置上呈现指示个人导航装置的纬度和经度的符号；以及用户界面，被配置为能够选择在个人导航装置位于gnss拒绝的环境中时通过第一位置计算模块或在个人导航装置位于gnss可用的环境中时通过第二位置计算模块所计算的纬度和经度。
14.下面公开了配备有星体跟踪器和倾斜仪的个人导航装置的其他实施例。
附图说明
15.前述部分中所讨论的特征、功能以及优点可以在各个实施例中独立地实现或可以结合一些其他的实施例实现。出于示出上述及其他实施例之目的，下面将参考附图对各个实施例进行描述。该部分中简要描述的示图都不按比例进行绘制。
16.图1是识别配备有获取图像数据短波红外(swir)摄像机和获取加速度计数据的加速度计的个人导航装置的部件的框图，这些数据用于确定个人导航装置的纬度和经度。
17.图2是识别包括星体跟踪器、倾斜仪、时钟以及位置计算模块的个人导航装置的部件的框图，位置计算模块被配置为基于来自星体跟踪器、倾斜仪以及时钟的信息而计算纬度和经度。
18.图3是根据一些实施例的识别能够测量相对于天体的局部垂直和姿态的手持式个人导航装置的硬件部件的框图。
19.图4是表示根据可替代的实施例的由经由电缆通信地耦接至移动装置(诸如蜂窝电话)的传感器头构成的个人导航装置的三维视图的示图。
20.下面将参考其中不同附图中的相似元件具有相同参考标号的附图。
具体实施方式
21.在下面一些细节中描述了配备有星体跟踪器和倾斜仪的个人导航装置的示出性实施例。然而，本说明书中并未描述实际实现方式的全部特征。本领域技术人员应当认识到，在开发任意这种实际的实施例中，必须做出多个实现方式指定的决策，以实现开发人员的具体目标，诸如与从一个实现方式至另一实现方式变化的系统有关和业务有关的约束条件的兼容。而且，应当认识到，这种开发努力可能是复杂并且耗时的，但无需多言，将是具有本公开的益处的领域的普通技术人员的例行工作。
22.图1是识别根据一个实施例的个人导航装置10(以下称“pnd 10”)的部件的框图。pnd 10包括多个传感器1、时钟31以及计算机6。如此处使用的，术语“计算机”包括硬件(例如，处理器)和软件(例如，由表示处理数据的算法的可执行代码构成的软件模块)。计算机6经由接口电子件4从传感器1接收数据信号并且经由接口电子件4从时钟31接收时钟信号。
23.传感器1包括短波红外(swir)摄像机11(以下称“swir摄像机11”)和三个(或多个)加速计21。当星体在摄像机的视野内时，swir摄像机11获取图像数据。加速计21测量pnd 10由于地球的重力而产生的三轴加速度。加速计21被固定至pnd 10的本体，其中，轴是非共面的。在所提出的一个实现方式中，加速计轴相互正交并且限定pnd 10的本体的坐标系(参考系)。在所提出的一个实现方式中，使用从霍尼韦尔国际公司(morristown,nj)可商购的qa-2000单轴石英加速度计。
24.计算机6包括天体导航软件50。天体导航软件50被配置为基于分别由swir摄像机11和加速计21获取的图像和加速计数据而确定静止时的pnd 10的纬度和经度。如下面参考图2的一些细节中描述的，天体导航软件50包括图像数据处理路径(图2中的星体跟踪器3)和加速计数据处理路径(图2中的倾斜仪5)。每个处理路径包括在下面一些细节中描述的算法形式的一系列软件模块。
25.再次参考图1，pnd 10进一步包括显示装置61和显示引擎8，显示引擎8被配置为控制显示装置61，以呈现指示pnd 10的纬度和经度的符号(如由计算机6计算的)。根据一些实
施例，将传感器1、计算机6以及显示装置61集成在被配置为由人手持的pnd 10的壳体内(图1中未示出)。可选地，pnd 10可以配备有附接至壳体的外部的迷你三脚架，从而能够实现pnd 10相对于地球的表面的静态放置。电子部件可以与位于壳体内的印刷电路板(pcb)集成或安装至位于壳体内的印刷电路板(pcb)。在这种情况下，pcb的基板可以被视为pnd 10的“本体”，而安装至pcb的加速计21的轴限定该本体的参考系。
26.可选地，图1中所描绘的实施例可以包括一个或多个陀螺仪。然而，当目标是建立最低廉并且低swap实现的天体导航能力时，可以通过省去陀螺仪而降低pnd 10的成本和尺寸、重量、以及功率(swap)。
27.pnd 10的能力能够扩展至包括gnss导航、机会信号(soop)pnt、安全5g通信以及用于电子战的威胁地理位置。图1描绘了包括gnss接收器41和gnss导航软件42的实施例，gnss导航软件42被配置为基于由gnss接收器41接收的卫星信号而计算pnd 10的本体的纬度和经度。pnd 10可以进一步包括校准软件43，校准软件43被配置为使得当gnss可用并且装置静止地放置时，可以使用基于gnss的方案与天体导航方案之间的差异对基于天体/加速计的方案的误差参数进行校准。pnd 10可以进一步包括soop接收器51和soop导航软件52，soop导航软件52被配置为基于由soop接收器51从soop源接收的信号而计算本体的纬度和经度。可以将gnss接收器41与soop接收器51连接至单个带宽天线。在可替代的方案中，多个天线能够用于感兴趣的多个频带。每个天线将是小贴片天线。
28.图2是识别根据所提出的一个实现方式的pnd 10的部件的框图。图1中所描绘的pnd 10包括：星体跟踪器3，被配置为计算相对于星体的姿态；倾斜仪5，被配置为计算局部垂直；时钟31，eci至ecef变换矩阵计算模块32，连接为从时钟31接收时钟信号；以及位置计算模块26，被配置为基于姿态、局部垂直以及eci至ecef变换矩阵而确定纬度和经度。
29.星体跟踪器3包括swir摄像机11、摄像机接口12、星体目录17以及由被整合到计算机6中的各种软件模块构成的图像数据处理路径。这些软件模块包括实现下面所描述的图像数据处理算法的计算机代码。通过使由swir摄像机11捕获的图像中的星体图案与星体目录17匹配，计算机6能够确定pnd 10的本体在eci参考系中的姿态。
30.与大多数的数码相机和被整合到蜂窝电话中的相机相似，swir摄像机11可以基于电荷耦合装置(ccd)或互补金属氧化物半导体(cmos)技术。将由swir摄像机11捕获的图像数据输入至摄像机接口12。摄像机接口12是允许将由swir摄像机11生成的图像数据传送至计算机6的硬件和软件。
31.星体跟踪器3进一步包括摄像机抽象模块(camera abstraction module)13，其为将数据格式和内容专用的相机变换成通用相机的软件。该模块的目的是即使使用不同类型的摄像机，也屏蔽图像数据处理路径的右手侧上的软件的其余部分使其余部分不发生改变。
32.星体跟踪器3还包括平均和运动补偿模块14，其被配置为随时间平均摄像机的输出，以减少噪音的影响。在该级，还可以应用其他摄像机校正。然后，通过星体跟踪和质心模块15对平均后且运动补偿的图像数据进行处理。星体跟踪和质心模块15执行图像处理，以识别明亮像素的集群、跟踪其在多个摄像机帧上的一致性、并且然后决定像素集群是否应被视为“备选星体”。如果确定像素集群表示星体，则使用质心处理来确定备选星体在摄像机视野内的“位置”。质心算法如同计算集群中的每个明亮像素的位置的加权平均一样简
单。此外，计算像素集群的总能量，以确定星体的大小(光强度)。
33.星体跟踪器3进一步包括接收来自星体跟踪和质心模块15的输出的“迷失太空”星状姿态计算模块16。“迷失太空”星状姿态计算模块16被配置为搜索星体目录17来获得与由星体跟踪和质心模块15提供的已处理图像数据所表示的星体图案匹配的已知星体图案。(在美国专利号6,470,270b1中描述了使用多个星体跟踪器的“迷失太空”星状姿态获取)。结果是计算机6能够确定本体的参考系(以下称“本体系”)相对于表示为四元组q_b_eci或方向余弦矩阵c_b_eci的eci参考系(以下称“eci系”)的姿态，其可以用于将向量从eci系变换成本体系，或反之亦然。将所计算的姿态提供至位置计算模块26。将星体目录17存储在与计算机6分离的非易失性有形计算机可读存储介质中。
34.倾斜仪5包括加速计21、加速计接口22以及由被整合到计算机6中的各种软件模块构成的加速计数据处理路径。加速计数据处理路径包括实现下面所描述的加速计数据处理算法的计算机代码。加速计数据处理路径被配置为确定本体参考系中的局部垂直的方向。
35.加速计21具有与pnd 10的本体参考系中的已知方向对准的相应轴。在不损失一般性的情况下，本领域技术人员能够假设沿着本体系的三个轴安装三个加速计21(当不是时，能够使用数学变换来建立等同的测量)。将通过加速计21获取的加速计数据输入至加速计接口22。加速计接口22指允许将加速计的输出传送至计算机6的硬件和软件。
36.倾斜仪5进一步包括加速计抽象模块(accelerometer abstraction module)23，其为将数据格式和内容专用的加速计变换成通用加速计的软件。该模块的目的是即使使用不同类型的加速计，也屏蔽加速计数据处理路径的右手侧上的软件的其余部分使其余部分不发生改变。
37.倾斜仪5还包括平均模块24，其被配置为随时间平均加速计21的输出，以减少噪音的影响。在该级，能够应用其他加速计校正，诸如偏置校正、缩放因子校正以及工厂校准过程中所估计的未对准校正。然后，通过局部垂直计算模块25对平均后的加速计数据进行处理。局部垂直计算模块25被配置为基于由加速计21输出的加速计数据而计算本体的参考系中的局部垂直。将所计算的局部垂直提供至位置计算模块26。
38.根据图2中所描绘的实施例，pnd 10进一步包括：时钟31，时钟31输出表示绝对时间的时钟信号；和eci至ecef变换(方向余弦)矩阵计算模块32，其从时钟31接收时钟信号。eci至ecef变换(方向余弦)矩阵计算模块32，其利用广泛可用的等式使用时间来计算ecef帧与eci帧之间的变换(例如，见题为“eci(cis,epoch 52000.0)坐标至wgs84(cts,ecef)坐标的变换”的未更新附件)。将所计算的eci至ecef变换矩阵提供至位置计算模块26。
39.如之前所述，计算机6进一步包括位置计算模块26，其被配置为使用来自模块16、25以及32的结果来计算pnd 10就纬度和经度方面而言的当前位置。根据所提出的一个实现方式，局部垂直计算模块25使用下列等式计算本体参考系中的局部重力方向：
[0040][0041]
其中，u是单位向量并且g是总重力向量。当无运动时，从所测量的具体源f计算总重力向量g。左侧上标“b”指示在本体参考系中表示向量。
[0042]
之后，位置计算模块26从姿态知识中计算当地水平(north-east-down，nde)参考系中的局部重力方向；
[0043][0044]
其中，(或)是将向量从eci系变换成本体系的变换矩阵。通过“迷失太空”星状姿态计算模块16计算变换矩阵此外，(或)是将向量从ecef系变换成eci系的变换矩阵。变换矩阵仅是时间的函数并且由eci至ecef变换矩阵计算模块32计算。变换矩阵是将向量从ned系变换成ecef系的变换矩阵。
[0045]
使等式(1)和(2)相等产生下列等式：
[0046][0047]
然后，位置计算模块26计算pnd10的位置如下：
[0048]
lat＝sin-1
(-m
ecef
ug(3))
[0049][0050]
图3是识别具有被设计成人手持的壳体30的pnd10的硬件部件的框图。如上面参考图2所描述的，图3中所描绘的pnd10可以配置有测量相对于pnd本体的局部垂直的软件模块和测量pnd本体相对于天体的姿态的软件模块。pnd10至少包括下列硬件部件：处理器60、显示装置61、存储器62(非临时性有形计算机可读存储介质形式)、输入装置66、传感器1以及gnss接收器41。
[0051]
处理器60通常是能够执行处理数据的计算机程序的任意一件计算机硬件。处理器60可以包括电子电路，其中一些电子电路可以被封装成集成电路(例如，芯片)或多个互连集成电路。处理器60可以被配置为执行计算机程序，计算机程序可以存储在处理器上或作为计算机可读程序代码而另行存储在存储器62上。在可替代的实施例中，处理器60可以涵盖或另行包括一个或多个专用集成电路、场可编程门阵列等。
[0052]
存储器62通常是能够存储数字数据和计算机程序(例如，计算机可读程序代码、星体目录以及变换矩阵)的任意一件计算机硬件。存储器62可以包括易失性和非易失性存储器、并且可以是固定或可移动的。合适的存储器的实例包括随机访问存储器、只读存储器以及拇指驱动。
[0053]
pnd10进一步包括一个或多个输入装置66。输入装置66可以是有线或无线的、并且可以被配置为将来自用户的信息接收到设备中，诸如用于处理、存储和/或显示。合适的用户输入装置的实例包括鼠标、麦克风、图像或视频捕获装置、键盘或键区、操纵杆，触敏表
面(与触摸屏分离或被集成到触摸屏中)、生物识别传感器等。
[0054]
处理器60还连接至显示装置61。显示引擎8(图1中所识别的)被配置为渲染指示由位置计算模块26计算的纬度和经度的符号，以在显示装置61上显示。例如，符号可以包括地图上表示地球表面的部分的点。显示装置61可以被配置为将信息呈现或另外显示给用户。合适的实例包括液晶显示器、发光二极管显示器、等离子体显示面板等。
[0055]
图3中所描绘的pnd 10进一步包括传感器1(包括如之前所述的swir摄像机11和加速计21)和gnss接收器41。处理器60可以在两种模式的任一种模式下操作：作为第一位置计算模块，被配置为基于来自传感器1的相应局部垂直和姿态输出而计算本体的纬度和经度，或作为第二位置计算模块，被配置为基于由gnss接收器41接收的卫星信号而计算本体的纬度和经度。输入装置66被配置为能够实现处理器60的操作模式的选择。更具体地，装置用户可以选择使用gnss(当pnd 10位于其中gnss可用的环境中时)或天体导航(当pnd 10位于其中gnss不可用的环境中是)来确定纬度和经度。
[0056]
图4是表示根据可替代的实施例的由经由电缆44通信地耦接至手持式计算/显示装置40(诸如蜂窝电话或个人数据助理)的传感器头2构成的个人导航装置10a(以下称“pnd 10a”)的三维视图的示图。手持式计算/显示装置40包括用于将所计算的纬度和经度视觉地通知给用户的显示屏幕46。手持式计算/显示装置40还可以包括诸如防篡改、加密、代码保护等的其他安全特征。此外，手持式计算/显示装置40可以包括宽带多通道软件定义的无线电。该设计产生能够仅基于所使用的软件而接收并且发送各种不同的无线电协议(有时被称为波形)的无线电。
[0057]
传感器头2包括平台34和固定至平台34的传感器头本体36。pnd 10a进一步包括耦接至平台34的多个支腿38，这些支腿允许传感器头2以稳定的方式静止地放置。支腿38在尺寸上能够与蜂窝电话保持器相似。传感器头2进一步包括具有透镜56的swir摄像机11、具有非共面轴的一组三个加速计21以及陀螺仪54，全部传感器安装至本体36。pnd 10a进一步包括安装至传感器头2的相控阵天线。图4中所描绘的相控阵天线是多个小贴片天线58的形式。通过按照特定的方式对来自这些天线的输出进行组合，手持式计算/显示装置40能够降低干扰方向的增益，以提供抗干扰的能力。
[0058]
手持式计算/显示装置40通过电缆44而通信地耦接以从swir摄像机11接收图像数据、从加速计21接收加速计数据、并且从陀螺仪54接收陀螺仪数据。手持式计算/显示装置40进一步包括时钟模块、姿态计算模块、局部垂直计算模块以及位置计算模块(图4中未示出的模块)，位置计算模块被配置为基于来自姿态计算模块、局部垂直计算模块以及时钟模块的相应输出而计算本体的纬度和经度。
[0059]
此处，将特定的系统、设备、应用、或过程描述为包括多个模块。模块可以是区分在软件、硬件、或其组合中实现的功能的单元，但优选被实现为能够执行如此处所公开的流式计算的硬件或固件的这些模块除外。当通过软件在任意零部件中执行模块的功能时，模块能够包括非临时性的有形计算机可读存储介质。
[0060]
尽管已经参考各个实施例对配备有星体跟踪器和倾斜仪的个人导航装置进行了描述，然而，本领域技术人员应当理解的是，在不偏离此处的教导的情况下，可以做出各种改变并且等同物可以取代其元件。此外，可以做出多种修改而使实现此处所公开的构思和精简适配于具体的情形。相应地，其旨在使由权利要求覆盖的主体并不局限于所公开的实
施例。
[0061]
上面公开的“计算机”可以包括一个或多个处理或计算装置。该装置通常包括处理器或控制器，诸如通用中央处理单元、微控制器、精简指令集计算机处理器、专用集成电路、可编程逻辑电路、场可编程门阵列、数字信号处理器、和/或能够执行此处所述的功能的任意其他数据处理电路。此处所述的方法可以被编码成涵盖在非易失性的有形计算机可读存储介质中的可执行指令，包括但不限于存储装置和/或记忆装置。当由处理装置执行时，该指令使处理装置执行此处所述的方法的至少一部分。
[0062]
在此处所附的方法权利要求中，步骤的阿拉伯字母顺序仅用于实现随后对引用步骤的短暂引用之目的并且并不用于需要按照阿拉伯字母顺序执行方法步骤而限制权利要求的范围的目的。
[0063]
执行所附权利要求中所述的“通信设备”的功能的结构包括电缆(有线连接)、无线连接(例如，通信范围内的发送器和接收器)以及其结构等同物。
[0064]
本公开包括下列项中所描述的主题：
[0065]
项1.一种个人导航装置，包括本体、星体跟踪器、倾斜仪、时钟以及位置计算模块，位置计算模块被配置为基于来自星体跟踪器、倾斜仪以及时钟的相应输出而计算本体的纬度和经度。
[0066]
项2.根据项1所述的个人导航装置，进一步包括：eci至ecef变换矩阵计算模块，连接为从时钟接收时钟信号，被配置为基于时钟信号计算eci至ecef变换矩阵、并且连接为向位置计算模块提供eci至ecef变换矩阵，以在计算纬度和经度时使用。
[0067]
项3.根据项1或项2所述的个人导航装置，其中，星体跟踪器包括摄像机。
[0068]
项4.根据项3所述的个人导航装置，其中，星体跟踪器进一步包括：姿态计算模块，被配置为基于由摄像机捕获的天体的图像而计算本体在eci参考系中的姿态。
[0069]
项5.根据项3所述的个人导航装置，其中，倾斜仪包括具有能够被变换成本体的参考系中的三个相互正交的轴的非平面轴的第一加速计、第二加速计以及第三加速计。
[0070]
项6.根据项5所述的个人导航装置，其中，倾斜仪进一步包括：局部垂直计算模块，被配置为基于由第一加速计、第二加速计以及第三加速计输出的加速计数据而计算本体的参考系中的局部垂直。
[0071]
项7.根据项5和项6中任一项所述的个人导航装置，其中，摄像机是短波红外摄像机。
[0072]
项8.根据上述条项中任一项所述的个人导航装置，进一步包括：壳体，容纳本体、星体跟踪器、倾斜仪、时钟以及位置计算模块。
[0073]
项9.根据项8所述的个人导航装置，进一步包括：gnss接收器和gnss导航软件，gnss导航软件被配置为基于由gnss接收器接收的卫星信号而计算本体的纬度和经度。
[0074]
项10.根据项8所述的个人导航装置，进一步包括：soop接收器和soop导航软件，soop导航软件被配置为基于由soop接收器从soop源接收的信号而计算本体的纬度和经度。
[0075]
项11.根据项10所述的个人导航装置，其中，soop接收器包括软件定义的无线电。
[0076]
项12.一种导航系统，包括：
[0077]
传感器头，包括本体、安装至本体的摄像机以及安装至本体的第一加速计、第二加速计以及第三加速计；
[0078]
通信设备，耦接为从摄像机接收图像数据并且从第一加速计、第二加速计以及第三加速计接收加速计数据；以及
[0079]
手持式计算/显示装置，连接为经由通信设备接收图像数据和加速计数据，手持式计算/显示装置包括：
[0080]
时钟；
[0081]
姿态计算模块，被配置为基于由摄像机捕获的天体的图像而计算本体在eci参考系中的姿态；
[0082]
局部垂直计算模块，被配置为基于由第一加速计、第二加速计以及第三加速计输出的加速计数据而计算本体的参考系中的局部垂直；以及
[0083]
位置计算模块，被配置为基于来自姿态计算模块、局部垂直计算模块以及时钟的相应输出而计算本体的纬度和经度。
[0084]
项13.根据项12所述的导航系统，其中，第一加速计、第二加速计以及第三加速计具有非共面轴。
[0085]
项.14根据项12或项13所述的导航系统，其中，摄像机包括短波红外摄像机。
[0086]
项15.根据项12至项14中任一项所述的导航系统，其中，手持式计算/显示装置进一步包括eci至ecef变换矩阵计算模块，eci至ecef变换矩阵计算模块：
[0087]
连接为从时钟接收时钟信号；
[0088]
被配置为基于时钟信号计算eci至ecef变换矩阵；并且
[0089]
连接为向位置计算模块提供eci至ecef变换矩阵，以在计算纬度和经度时使用。
[0090]
项16.一种用于确定静止时的导航装置的本体相对于地球的位置的方法，方法包括：
[0091]
(a)捕获从多个天体发出的光，多个天体出现在安装至静止的本体的摄像机的视野内；
[0092]
(b)基于由摄像机捕获的天体的图像而计算本体在eci参考系中的姿态；
[0093]
(c)使用具有非共面轴的安装至本体的加速计测量导航装置由于地球重力而产生的加速度；
[0094]
(d)基于所测量的加速度而计算本体的参考系中的局部垂直；
[0095]
(e)基于由时钟输出的时钟信号而计算eci至ecef变换矩阵；并且
[0096]
(f)基于所计算的姿态、所计算的局部垂直以及eci至ecef变换矩阵而计算包括本体的纬度和经度的天体导航方案。
[0097]
项17.根据项16所述的方法，进一步包括：显示指示纬度和经度的符号。
[0098]
项18.根据项16或项17所述的方法，其中，当gnss可用时，可以使用基于gnss的方案与天体导航方案之间的差异对误差参数进行校准。
[0099]
项19.一种个人导航装置，包括：本体；星体跟踪器；倾斜仪；时钟；第一位置计算模块，被配置为基于来自星体跟踪器、倾斜仪以及时钟的相应输出而计算本体的纬度和经度；gnss接收器；以及第二位置计算模块，被配置为基于由gnss接收器接收的卫星信号而计算本体的纬度和经度。
[0100]
项20.根据项19所述的个人导航装置，其中，星体跟踪器包括摄像机并且倾斜仪包括在本体的参考系中具有非共面轴的第一加速计、第二加速计以及第三加速计。
[0101]
项21.根据项19或项20所述的个人导航装置，进一步包括：
[0102]
显示装置；
[0103]
显示引擎，被配置为在显示装置上呈现指示个人导航装置的纬度和经度的符号；以及
[0104]
输入装置，被配置为能够实现选择性地在个人导航装置位于其中gnss不可用的环境中时通过第一位置计算模块或在个人导航装置位于其中gnss可用的环境中时通过第二位置计算模块计算纬度和经度。