基于星光三维折射重构的星敏感器自主定位方法和系统

1.本发明涉及星敏感器技术领域，特别涉及一种基于星光三维折射重构的星敏感器自主定位方法和系统。


背景技术：

2.作为星敏感器在地球大气层内最为主要的应用目的之一，星敏感器的自主定位技术一直是世界各国不断研究，探索和寻求突破的一项关键性技术。这项技术可以解决卫星导航拒止或干扰情况下高精度载体位置信息的获取问题。
3.当前，由于缺乏位置信息与星敏感器观测恒星之间的量测关系，为了实现星敏感器的高精度自主定位，现有的星敏感器自主定位导航方法多依赖于其他设备如地平仪、磁强计、重力摆、惯导系统或倾角仪提供星敏感器与地面之间的水平基准量测信息。文献《一种用星敏感器自主定位方法的精度分析》，利用星敏感器和地平仪测量星光与地平之间的“星光仰角”作为观测量实现对航天器观测位置的自主定位。专利号为cn105180928b中提出了一种基于惯性系重力特性的船载星敏感器定位方法利用gps与加速度计组合船载星敏感器解算船体位置经纬度信息。专利号为2020103979457中提出一种船载白昼星敏感器定位算法，利用惯导系统给星敏感器提供水平基准，实现对船体位置信息的解算。
4.然而，现有这些依赖于外部水平基准信息的理论方法存在以下问题：首先航向姿态中的各项误差（如大气折射误差、成像定位误差、姿态解算误差等）都将耦合到其定位结果中；其次，外部水平测量仪器，如倾角仪、磁强计等，不仅引入水平测量系统误差，还耦合了水平测量系统安装误差以及星敏感器安装误差；最后，水平仪器（如惯导系统或者倾角仪）多基于加速度计实现，运动载体的定位精度动态条件下更低。
5.基于上述分析，现有星敏感器自主定位方法缺乏位置信息与星敏感器观测恒星之间的量测关系，其自主定位的实现需依赖外部仪器提供水平基准信息，亟需突破外部水平基准仪器对于星敏感器自主定位的限制，实现星敏感器自身无依赖的定位方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于星光三维折射重构的星敏感器自主定位方法和系统，克服现有星敏感器自主定位技术的实现需依赖外部仪器提供水平基准信息的问题，本发明的方法可以在不依赖外部水平基准仪器的条件下，实现星敏感器高精度自主定位，解决当前大气层内星敏感器自主定位的实现需要依赖外部仪器提供水平基准的问题。
7.本发明由下述技术方案实现：本发明的第一方面公开了一种基于星光三维折射重构的星敏感器自主定位方法，包括以下步骤：步骤s100，基于星图识别结果，对恒星进行三维折射重构，建立观测恒星与其位置信息之间的三维折射量测方程；步骤s200，根据观测星图中所有恒星的三维折射量测方程，建立位置信息优化求
解模型，得到初级经纬度信息；步骤s300，基于所得到的初级经纬度信息，对观测星图中恒星成像位置进行大气折射校正，获得实时观测姿态信息；步骤s400，利用姿态转换矩阵，进行定位优化估计求解并进行地球椭球经纬度校正，得到最终观测位置经纬度信息。
8.进一步的，所述步骤s100包括：步骤s110，根据观测星图，通过与参考星表进行识别匹配，确定观测恒星与参考恒星之间的匹配关系；步骤s120，在观测坐标系下，根据观测恒星坐标a与b，利用恒星对应的三维折射平面建立三维折射重构模型；步骤s130，基于国际天文学恒星位置估计模型，在导航坐标系下得到参考恒星的方位角；步骤s140，基于星光三维折射重构理论，得到观测恒星a和b对应的方位角；步骤s150，观测恒星与位置信息之间的三维折射量测方程中存在待求解的位置信息，应用三维折射量测方程对位置信息进行求解。
9.进一步的，所述步骤s200包括：步骤s210，观测星图中识别到的恒星两两之间组成一个位置信息量测方程，假设星图识别后存在m颗识别恒星，那么他们之间组成个量测方程，式中q为量测方程序号；步骤s220，当位置信息量测方程的个数大于四个时，也就是存在三颗以上恒星时可以联立求解经纬度，对于观测星图中识别到的m颗恒星组成的位置信息量测方程而言，建立观测位置经纬度的优化求解模型。
10.进一步的，所述步骤s300包括：步骤s310，将优化求解得到的观测位置经纬度信息代入坐标系转换模型，计算得到参考恒星在导航n系下的方位角与天顶角；步骤s320，根据每颗观测恒星的几何关系，建立恒星成像位置补偿校正模型，获得校正后的恒星观测矢量；步骤s330，基于加权最小二乘优化估计方法，计算得到星敏观测坐标系s系与导航坐标系n系之间的姿态转换矩阵。
11.进一步的，所述步骤s400包括：步骤s410，基于加权最小二乘优化估计方法，计算得到星敏观测坐标系s系与地球坐标系e系之间的转换矩阵；步骤s420，由步骤s330中星敏感器观测坐标系s系与导航坐标系n系之间的姿态转换矩阵，根据姿态转换计算n系与e系之间的转换矩阵，并由解析得到观测位置的经纬度信息；
步骤s430，根据地球的椭球度对求解得到的观测位置经纬度信息的纬度进行椭球校正，得到最终观测位置经纬度信息。
12.本发明还涉及一种基于星光三维折射重构的星敏感器自主定位系统，包括：重构模块，用于基于星图识别结果，对恒星进行三维折射重构，建立观测恒星与其位置信息之间的三维折射量测方程；初级经纬度信息获取模块，用于根据观测星图中所有恒星的三维折射量测方程，建立位置信息优化求解模型，得到初级经纬度信息；大气折射校正模块，用于基于所得到的初级经纬度信息，对观测星图中恒星成像位置进行大气折射校正，获得实时观测姿态信息；最终经纬度信息获取模块，用于利用姿态转换矩阵，进行定位优化估计求解并进行地球椭球经纬度校正，得到最终观测位置经纬度信息。
13.本发明还涉及一种电子设备，所述电子设备包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述的方法。
14.本发明还涉及一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使该计算机执行所述的方法。
15.现有技术的缺点主要在于其依赖外部仪器提供水平基准信息，从而限制了星敏感器自主定位方法的实现与定位精度。首先，航向姿态中的各项误差（如大气折射误差、成像定位误差、姿态解算误差等）都将耦合到其定位结果中；其次，外部水平测量仪器，如倾角仪、磁强计等，不仅引入水平测量系统误差，还耦合了水平测量系统安装误差以及星敏感器安装误差；最后，水平仪器（如惯导系统或者倾角仪）多基于加速度计实现，运动载体的定位精度动态条件下更低。本发明的技术方案能实现如下有益的技术效果：1、本发明不依赖外部仪器提供水平基准信息；2、本发明自主定位与星敏感器的安装矩阵误差无关；3、本发明适用于动态环境下具有高自主定位精度需求的军用或民用载体。
附图说明
16.图1为本发明的一种基于星光三维折射重构的星敏感器自主定位方法的流程图；图2为本发明的一种基于星光三维折射重构的星敏感器自主定位方法的设计图。
具体实施方式
17.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
18.下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
19.本发明提供了一种基于星光三维折射重构的星敏感器自主定位方法，该方法通过
星光三维折射重构，将所有二维观测星矢量通过天顶方向结合为一个整体。
20.本发明的方法包括如下步骤：步骤s100，基于星图识别结果，对恒星进行三维折射重构，建立观测恒星与位置信息之间的三维折射量测方程。
21.具体的，所述步骤s100包括：步骤s110，根据观测星图，通过与参考星表进行识别匹配，确定观测恒星与参考恒星之间的匹配关系；步骤s120，在观测系下，根据观测恒星坐标a与b，建立三维折射重构模型，即利用恒星对应的三维折射平面建立，恒星平面之间的法线夹角，式中
‘’
为矢量内积，
‘’
为矢量叉乘，为天顶方向，与分别为观测恒星a与b的观测星单位矢量，与分别为观测恒星a与b的三维折射平面，与分别为三维折射平面与的单位法向量，为矢量取模；步骤s130，在导航坐标系n系下，参考恒星的方位角可以根据国际天文学联合会(iau)基础天文学标准(sofa)估计得到：，式中，为恒星在地球坐标系e系下的单位矢量,和分别为观测位置的经纬度信息；步骤s140，基于星光三维折射重构理论，方位角在进入大气层前后不发生改变，因此有，式中为三维折射重构方程，和分别为观测恒星a和b对应的方位角；步骤s150，观测恒星与位置信息之间的三维折射量测方程中存在三个待求解的未知参数，即天顶矢量与观测位置经纬度和。因此至少需要4个量测方程才能对位置信息进行求解。
22.具体的，在本发明的实施例中，假设星敏感器成像面上观测恒星的位置坐标为。根据星敏感器的光学参数即像元尺寸大小、焦距和主点，获得观测恒星a在星敏感器坐标系s系下的观测恒星矢量为：（1）式中，为星敏感器的主点，为星敏感器的焦距，为星敏感器坐标系的原点。
23.在星敏感器中，基于观测星矢量以及参考星表中的参考星矢量，通过星图识别匹配阈值，完成观测星与参考星之间对应关系的确定：
（2）式中，为观测时间，为观测星组成的观测角距，为参考星表中参考星组成的参考角距，为角距匹配阈值。
24.假设地球天顶方向在星敏感器成像面上的理论位置坐标为。在s系下，地球天顶方向矢量为：（3）在观测系下，假设观测恒星a的单位矢量为，天顶方向为，可以建立三维折射重构模型，（4）式中，
‘’
为矢量叉乘，为观测恒星a的三维折射平面。
25.对于不同的观测恒星a与b，它们之间由天顶方向建立二者之间的三维联系关系为：（5）式中，
‘’
为矢量内积，与分别为观测恒星a与b的观测星单位矢量，与分别为观测恒星a与b的三维折射平面，与分别为三维折射平面与的单位法向量，为矢量取模。
26.另一方面，对于观测恒星a对应的参考星矢量而言，基于国际天文学联合会(iau)基础天文学标准(sofa)，那么参考星矢量从参考星表坐标系转换到地固坐标系e系下进入大气层之前的参考矢量为：（6）式中，为观测时刻地球力学时，为hipparcos天文星表参考历元时间,为参考星在参考星表中的位置矢量，为恒星自行速度（角秒/年），为地球星历，为重力光偏折函数，为光行差函数，为岁差-章动转换矩阵，为地球自转角度,为地球的极移矩阵参数，,与分别表示绕x，y和z轴的单位旋转角矩阵。
27.假设观测时刻t的观测位置经纬度为，恒星在地理坐标系n系下进入大气层之前的参考矢量为：
（7）式中，和分别为导航坐标系n系下的天顶距和方位角，为地球坐标系e系与导航坐标系n系之间的转换矩阵。
28.因此，恒星在n系的参考方位角以及天顶距表示为：（8）式中，为观测恒星的序号。
29.基于星光三维折射重构理论，方位角在进入大气层前后不发生改变，因此有（9）式中，和分别为观测恒星a和b对应的方位角。
30.步骤s200，根据观测星图中所有恒星组成的三维折射量测方程，建立位置信息优化求解模型，得到初级经纬度信息；所述步骤s200包括：步骤s210，观测星图中识别到的恒星两两之间组成的一个位置信息量测方程，假设星图识别后存在m颗识别恒星，那么他们之间组成个量测方程，式中q为量测方程序号；步骤s220，当位置信息量测方程的个数大于四个时，也就是存在三颗恒星时可以联立求解经纬度，对于观测星图中识别到的m颗恒星组成的量测方程而言，建立观测位置经纬度的优化求解模型：。
31.具体的，观测星图中识别到的恒星两两之间组成的一个位置信息量测方程。假设星图识别后存在m颗识别恒星，那么他们之间组成个量测方程。当位置信息量测方程的个数大于四个时，也就是存在三颗恒星时可以联立求解经纬度。对于观测星图中识别到的m颗恒星组成的量测方程而言，建立观测位置经纬度的优化求解模型：
（10）s300，基于步骤s200中所得到的初级经纬度信息，对星图中恒星成像位置进行大气折射校正，获得实时观测姿态信息。
32.具体的，所述步骤s300包括：步骤s310，将所述优化求解得到的观测位置经纬度信息代入坐标系转换模型，计算得到参考恒星在导航坐标系n系下的方位角与天顶角；具体的，将式（10）的观测位置优化求解结果代入式（7）中，计算得到参考恒星在n系下的方位角与天顶角。
33.步骤s320，根据每颗观测恒星的几何关系，建立恒星成像位置补偿校正模型，获得校正后的恒星观测矢量；具体的，根据每颗观测恒星的几何关系，建立恒星成像位置补偿校正模型，获得校正后的恒星观测矢量：（11）式中，为观测理论位置、为（10）中优化求解结果，os为观测坐标系原点，为向量的模，为(8)中计算结果。
34.步骤s330，基于加权最小二乘优化估计方法，计算得到星敏感器观测坐标系s系与导航坐标系n系之间的姿态转换矩阵：，式中，、和分别为观测恒星ai的观测星矢量、参考星矢量和最小二乘加权系数。
35.基于式（11）计算得到的理论观测成像位置，利用加权最小二乘优化估计方法，计算得到星敏感器坐标系s系与地理坐标系n系之间的转换矩阵：（12）式中，式中，、和分别为观测恒星i的理论观测星矢量、参考星矢量和最小二乘加权系数。
36.s400，利用姿态转换，对位置信息进行第二次优化估计求解并进行地球椭球经纬度校正，得到最终观测位置经纬度信息。
37.步骤s410，基于加权最小二乘优化估计方法，计算得到s系与地球坐标系e系之间
的转换矩阵:，式中，为观测恒星i在e系的参考星矢量；步骤s420，由第三步中s系与n系之间的转换矩阵，根据姿态转换计算n系与e系之间的转换矩阵，即：，由解析得到观测位置的经纬度信息；步骤s430，根据地球的椭球度对求解得到的观测位置经纬度信息的纬度进行椭球校正，得到最终观测位置经纬度信息，即，式中与分别为地球的极地半径与赤道半径。
38.具体的，利用加权最小二乘优化估计方法，计算得到星敏感器坐标系s系与地固坐标系e系之间的转换矩阵：（13）联立式（12）与（13），计算地理坐标系(n系)与地固坐标系（e系）之间的转换矩阵：（14）由式（14）得到观测位置的经纬度信息。同时，根据地球的椭球度对位置经纬度信息进行椭圆校正：（15）式中，为校正后的纬度信息，为地球极半径，为赤道半径。
39.本发明还涉及一种基于星光三维折射重构的星敏感器自主定位系统，包括：重构模块，用于基于星图识别结果，对恒星进行三维折射重构，建立观测恒星与其位置信息之间的三维折射量测方程；初级经纬度信息获取模块，用于根据观测星图中所有恒星的三维折射量测方程，建立位置信息优化求解模型，得到初级经纬度信息；大气折射校正模块，用于基于所得到的初级经纬度信息，对观测星图中恒星成像位置进行大气折射校正，获得实时观测姿态信息；最终经纬度信息获取模块，用于利用姿态转换矩阵，进行定位优化估计求解并进行地球椭球经纬度校正，得到最终观测位置经纬度信息。
40.本发明还涉及一种电子设备，所述电子设备包括：至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述的方法。
41.本发明还涉及一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使该计算机执行所述的方法。
42.综上所述，本发明提供了一种基于星光三维折射重构的星敏感器自主定位方法，包括：基于星图识别结果，对恒星进行三维折射重构，建立观测恒星与位置信息之间的三维折射量测方程；根据观测星图中所有恒星组成的三维折射量测方程，建立位置信息优化求解模型，得到初级经纬度信息；基于初级经纬度信息，对星图中恒星成像位置进行大气折射校正，获得实时观测姿态信息；利用姿态转换，进行第二次定位优化估计求解并进行地球椭球经纬度校正，得到最终观测位置经纬度信息。本发明克服现有星敏感器自主定位技术的实现需依赖外部仪器提供水平基准信息的问题，可以在不依赖外部水平基准仪器的条件下，实现星敏感器高精度自主定位。
43.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。