一种不依赖水平基准和卫星信号的天文卫星组合导航定位系统及方法与流程

技术特征：
1.一种不依赖水平基准和卫星信号的天文卫星组合导航定位系统，其特征在于，包括观测系统、观测控制系统及数据处理系统；所述观测系统用于对自然天体和卫星的观测，其包括搭载于舰艇上的地平空间稳定观测平台，以及固定于地平空间稳定观测平台上的恒星观测设备和卫星观测设备；所述观测控制系统用于控制观测系统和天体识别解算，包括观测控制模块、恒星识别解算模块和卫星识别解算模块；所述数据处理系统主要用于测者位置的解算，包括误差修正模块、投影点解算模块和位置解算模块。2.如权利要求1所述的一种不依赖水平基准和卫星信号的天文卫星组合导航定位系统，其特征在于，所述地平空间稳定观测平台通过地平伺服系统固定于舰船平台上，地平伺服系统通过观测控制系统发送的舰艇航向姿态信息控制地平空间稳定观测平台到达水平稳定状态；所述恒星观测设备通过恒星观测伺服系统固定于地平空间稳定观测平台，根据观测控制系统所发送的方位角和高度角将恒星观测设备指向预定空间角度，对预定恒星进行搜索识别；所述卫星观测设备通过卫星观测伺服系统固定于地平空间稳定观测平台，根据观测控制系统发送的方位角和高度角将卫星观测设备指向预定空间角度，对预定卫星进行搜索识别；所述恒星观测设备和卫星观测设备设置一组或者多组，其采用光学设备，或者采用红外/射电探测设备。3.如权利要求1所述的一种不依赖水平基准和卫星信号的天文卫星组合导航定位系统，其特征在于，所述观测控制模块包括控制数据计算模块和拍摄控制模块；所述控制数据计算模块用于计算选用恒星和卫星的方位和高度，并连同舰船航向姿态信息一起发送给观测系统，用于稳定地平空间稳定观测平台和为观测设备提供观测引导数据；拍摄控制模块用于向观测系统发送拍摄触发时刻、触发脉冲间隔和触发脉冲个数，观测系统根据指令完成星图拍摄，并根据时统信息锁存拍摄时刻；所述恒星识别模块包括星表数据库和星图匹配模块；星表数据库用于存储自然天体的位置、运动及星数据；星图匹配模块用于利用星图匹配算法对星敏感器或其他观测设备拍摄的星图进行匹配识别，筛选出角距测量参考星；所述卫星识别模块包括卫星数据库和卫星识别模块；卫星数据库模块用于存储所有在轨卫星的相关数据，并可通过通信系统对卫星数据进行更新；卫星识别模块首先计算卫星星等和角速度信息，连同星图匹配模块共同用于卫星识别。4.如权利要求1所述的一种不依赖水平基准和卫星信号的天文卫星组合导航定位系统，其特征在于，所述误差修正模块用于对探测数据进行误差修正，包括传感器内部误差修正和外部误差修正；内部误差包括相机装配误差、热变形误差和像元分辨率，而外部误差包括大气折射和光行差；所述投影点解算模块包括伪方位高度解算模块、天体角距解算模块和赤经赤纬解算模
块；伪方位高度解算模块用于对参考星和卫星在观测平台坐标系的方位和高度进行解算；天体角距模块根据参考星和卫星的伪方位和伪高度数据，解算出卫星和参考星的角距，赤经赤纬解算模块根据卫星和参考星的角距进一步解算出卫星在第二赤道坐标系中的赤经和赤纬；所述位置解算模块用于对测者经纬度信息进行求解，包括实时位置解算模块和平滑滤波模块；实时位置解算模块根据卫星赤经赤纬和卫星实时位置建立视线方程，同地球椭球体方程共同组成方程组，求解该方程组即可求解出测者地心惯性坐标系中的三维坐标，并可转换成经纬度坐标；平滑滤波模块针对实时更新的测者位置坐标，结合实时推算舰位进行平滑滤波，获得更加精确地测者经纬度信息。5.一种基于权利要求1-4所述系统的不依赖水平基准和卫星信号的天文卫星组合导航定位方法，其特征在于，包括：系统基于获取的舰艇航向及姿态信息，将地平空间稳定观测平台稳定至水平状态；系统基于获取的卫星轨道数据，对卫星识别模块的卫星数据库作实时数据更新；系统获取舰艇推算位置数据和时统信息，并结合星表数据和卫星数据，筛选出参考星和卫星并确定所述参考星和卫星的所在方位及高度数据；恒星观测设备和卫星观测设备分别指向参考星和卫星所在方位，恒星观测设备捕捉星图并通过星图匹配完成参考星的识别跟踪；卫星观测设备对卫星进行识别跟踪；系统获取拍摄触发时刻、触发脉冲间隔和触发脉冲个数，并根据指令完成星图拍摄，根据时统信息锁存拍摄时刻，将观测数据和拍摄时间数据进行误差修正；对修正后的观测数据进行解算，得到各时刻参考星和卫星之间的角距信息，并进一步利用参考星和卫星之间的角距信息解算出卫星相对于测者各时刻在第二赤道坐标系中的赤经值和赤纬值；基于卫星赤经赤纬值连同地球椭球体方程建立方程组，解算出各时刻测者地心惯性坐标系坐标值。6.如权利要求5所述的一种不依赖水平基准和卫星信号的天文卫星组合导航定位方法，其特征在于，还包括：对最终解算得到的测者地心惯性坐标系坐标值进行平滑滤波，以获得更加准确的测者位置信息。7.如权利要求5所述的一种不依赖水平基准和卫星信号的天文卫星组合导航定位方法，其特征在于，所述对修正后的观测数据进行解算，得到各时刻参考星和卫星之间的角距信息，具体解算过程如下：(1)根据球面三角形公式，设参考星为两个自然天体a、b，则a、b两个自然天体的角距为：其中h
′
a
、h
′
b
为a、b两个自然天体在观测平台地平坐标系中的伪高度角，a
′
a
、a
′
b
为a、b两个自然天体在观测平台地平坐标系中的伪方位角，另外a、b两个自然天体的角距也通过航天天文历数据库中的赤经赤纬值进行解算:
其中，δ
a
、δ
b
为a、b两个自然天体的赤纬值，α
a
、α
b
为a、b两个自然天体的赤经值；(2)自然天体a的与卫星s的角距为：其中h
′
a
、h
′
s
为自然天体a和卫星s在观测平台地平坐标系中的伪高度角，a
′
a
、a
′
s
为自然天体a和卫星s在观测平台地平坐标系中的伪方位角；由于观测平台包含方位和水平基准误差，将观测平台地平坐标系中的方位角和高度角称为伪方位角和伪高度角；(3)自然天体b的与卫星s的角距为：其中h
′
b
、h
′
s
为自然天体b和卫星s在观测平台地平坐标系中的高度角，a
′
b
、a
′
s
为自然天体b和卫星s在观测平台地平坐标系中的方位角。8.如权利要求5所述的一种不依赖水平基准和卫星信号的天文卫星组合导航定位方法，其特征在于，所述利用参考星和卫星之间的角距信息解算出卫星相对于测者各时刻在第二赤道坐标系中的赤经值和赤纬值，具体解算过程包括：(1)球面角∠pab的求解根据球面三角形公式其中，其中，(2)球面角∠sab的求解(2)球面角∠sab的求解(3)球面角∠pas的求解∠pas＝∠pab-∠sab(4)∠aps的求解(4)∠aps的求解(5)卫星视赤经α
s
的求解α
s
＝α
a
∠aps(6)卫星视赤纬δ
s
的求解的求解
9.如权利要求5所述的一种不依赖水平基准和卫星信号的天文卫星组合导航定位方法，其特征在于，所述各时刻测者地心惯性坐标系坐标值的解算过程如下：(1)求解测者地心惯性坐标系坐标测者坐标满足下列方程组其中，x、y、z为测者在地心惯性坐标系中的坐标，x、y、z为卫星在地心惯性坐标系中的坐标，α
s
、δ
s
为卫星相对于测者的赤经和赤纬值，a为地球椭球体的长轴长度，b为地球椭球体的短轴长度；(2)求解测者经纬度将测者地心惯性坐标系坐标x、y、z，转换成经纬度坐标λ、ф。

技术总结
本发明涉及一种不依赖水平基准和卫星信号的天文卫星组合导航定位系统及方法，其特征在于，系统包括观测系统、观测控制系统及数据处理系统；方法包括：确定参考星和卫星的所在方位及高度数据；获取拍摄触发时刻、触发脉冲间隔和触发脉冲个数，完成星图拍摄，根据时统信息锁存拍摄时刻，将观测数据和拍摄时间数据进行误差修正；对修正后的观测数据进行解算，得到各时刻参考星和卫星之间的角距信息，利用角距信息解算出卫星相对于测者各时刻在第二赤道坐标系中的赤经值和赤纬值；解算出各时刻测者地心惯性坐标系坐标值。本发明突破传统天文定位理论，消除方向和水平基准误差，具有较强的抗干扰性，定位精度较高且实现全时段连续定位。定位。定位。


技术研发人员：张有志
受保护的技术使用者：烟台赤乌科技有限公司
技术研发日：2022.08.10
技术公布日：2022/11/15