CN102261921B - 一种修正大气折射对星敏感器精度影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种修正大气折射对星敏感器精度影响的方法。步骤包括：根据星敏感器像的光轴指向计算星敏感器光轴指向的天顶距；采用星图识别算法，识别星敏感器视场内恒星星像坐标；计算星敏感器视场内已经识别恒星的天顶距；将大气折射值分解到星敏感器像空间坐标系下的X轴方向分量和Y轴方向的分量；利用所有成功识别恒星星像减去由于大气折射值带来的偏差ΔX和ΔY，计算姿态四元数。本发明消除大气折射影响后，使星敏感器为舰船、导弹、机载等低空飞行的飞行器提供高精度的导航信息，载体采用修正大气折射后高精度的导航信息后，为载体规划更优的导航路径提供了基础，从而进一步减少了载体的燃料消耗，提高了效率。

Description

一种修正大气折射对星敏感器精度影响的方法

(一)技术领域

本发明涉及空间科学，具体说就是一种修正大气折射对星敏感器精度影响的方法。

(二)背景技术

星敏感器是以已知准确空间位置、不可毁灭的恒星为基准，通过光电方式被动探测天体位置，经解算确定测量点所在平台的经度、纬度、航向和姿态等信息。具备的主要特点有：被动探测，隐蔽性好，不受电磁干扰，可靠性高；自主工作，不依赖其他导航手段；精度高，其中定向精度最高；可全天候工作。星敏感器作为一种隐蔽、可靠的导航手段，其主要用途有导航、校准惯导及为载体系统提供位置、航向和姿态信息等。星敏感器导航技术在潜艇和水面舰船上已得到了普遍应用，测量精度达到了较高水平。但是星敏感器导航技术在潜艇、水面舰船、机载平台以及弹载平台等应用中受地面大气影响较大，大气折射的影响降低了导航精度。为了修正由于大气折射引起的偏差，天文学很早就开始了研究与探索，约在公元前2世纪，希腊的波西东尼乌斯就发现了大气折射测量的影响，我国晋代的姜笈是最先提到大气折射的学者。十七世纪西尼首先建立了大气折射理论。随着对大气认识的逐步深入以及数学工具的逐步完善，天文学家提出了平面平行层模型、同心球层模型等多种大气简化模型，这些模型计算了大气折射值，取得了较好的结果。当在小天顶距进行观测时，大气折射计算值与实际值的差异约为±0.1″，并根据模型计算的结果编制了大气折射表，在相当长的一段时间内推广使用。

进入本世纪60年代以后，新一代空间测量技术迅速发展，随着测量精度不断提高和观测波段不断扩展，以前应用的大气折射理论和计算结果已经跟不上高精度测量的要求，地面光学仪器观测精度的进一步提高很大程度上受限于对大气折射的修正。为了进一步提高测量值的精度，天文学家们很早就注意到并开始了对大气折射的研究，但是大气中多种气象因素的复杂变化，尤其是大气中不稳定现象引起的反常折射的存在。长期以来，随着天文观测精度的提高，逐步提高了大气折射的计算精度，但至今尚远未达到彻底了解大气折射进而完全克服大气折射影响的要求，以至在一些高精度的天文观测中，只能采用不同的方法来回避大气折射的直接影响。为了能在一定程度上回避大气折射的直接影响，在天体测量的某些方法中，比如等高方法、太尔各特方法、照相天体测量方法都避免直接计算大气折射改进，天体测量卫星则在大气层外观测，完全避免了大气折射的影响。但是在地面上采用天体位置的信息进行导航时，大气折射的影响无法避免，所以研究和精确测定大气折射，是星敏感器导航中的一个重要的不容回避的课题。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种修正大气折射对星敏感器精度影响的方法。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤一：利用载体惯性器件，星敏感器像空间坐标系与载体本体系之间的关系，计算星敏感器在东-北-天坐标系下的光轴指向；

步骤二：根据星敏感器像的光轴指向计算星敏感器光轴指向的天顶距，即星敏感器光轴指向与天顶之间的夹角；

步骤三：利用气压计读取当地的气压计的直接读数以及气压计的温度；

步骤四：判断当地纬度是否大于45°，利用温度计读取当地空气温度；

步骤五：采用星图识别算法，识别星敏感器视场内恒星星像坐标；

步骤六：利用星敏感器识别结果，计算星敏感器视场内已经识别恒星与光轴指向的夹角；

步骤七：根据步骤六和步骤二的结果，计算星敏感器视场内已经识别恒星的天顶距；

步骤八：根据步骤三、步骤四、步骤七以及折射公式计算星敏感器视场内已经识别恒星的大气折射值；

折射公式：

其中R₀在标准大气状况：气温T＝0℃，气压P＝760mmHg，水银温度T′＝0℃，纬度45°的海平面处的大气折射，可以近似地表示为：

R₀＝60.1045″tgZ-0.06606″tg³Z+0.00001742tg⁵Z

Z为星光指向在天顶距的入射角；

步骤九：将步骤八的大气折射值分解到星敏感器像空间坐标系下的X轴方向分量和Y轴方向分量，这两个分量就是大气折射值对恒星在星敏感器像空间坐标系下X轴方向的偏差ΔX和Y轴方向偏差ΔY；

步骤十：将获得的恒星星像坐标X和Y，减去X轴方向的偏差ΔX和Y轴方向偏差ΔY；

步骤十一：对视场内所有识别成功恒星星像坐标重复步骤六到步骤十；

步骤十二：利用所有成功识别恒星星像减去由于大气折射值带来的偏差ΔX和ΔY，计算姿态四元数；

步骤十三：步骤十二得到的姿态四元数就是消除大气折射值后的姿态，把该姿态输出到导航计算机中。

本发明一种修正大气折射对星敏感器精度影响的方法，具有以下特点：根据大气折射原理，推导出了恒星离天顶距任意角度的大气折射数学模型，为消除大气折射带来的误差提供了参考；采用该模型消除大气折射后，能使星敏感器为舰船、导弹、机载等低空飞行的飞行器提供高精度的导航信息；载体采用修正大气折射后高精度的导航信息后，为载体规划更优的导航路径提供了基础，从而进一步减少了载体的燃料消耗，提高了效率。

(四)附图说明

图1为大气折射示意图；

图2为一种修正星敏感器大气折射工作流程图；

图3为一种大气折射验证半物理实验系统框图；

图4为修正大气折射前三轴姿态误差实时曲线图；

图5为修正大气折射前导航路径的经度和纬度误差实时曲线图；

图6为修正大气折射后三轴姿态误差实时曲线图；

图7为修正大气折射后导航路径的经度和纬度误差实时曲线图；

图8为修正大气折射前三轴姿态误差离线曲线图；

图9为修正大气折射前导航路径的经度和纬度误差离线曲线图；

图10为修正大气折射后三轴姿态误差离线曲线图；

图11为修正大气折射后导航路径的经度和纬度误差离线曲线图；

图12为一种星敏感器大气折射修正的实施方框图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图2，本发明一种修正大气折射对星敏感器精度影响的方法，步骤如下：

步骤一：利用载体惯性器件，星敏感器像空间坐标系与载体本体系之间的关系，计算星敏感器在东-北-天坐标系下的光轴指向；

步骤二：根据星敏感器像的光轴指向计算星敏感器光轴指向的天顶距，即星敏感器光轴指向与天顶之间的夹角；

步骤三：利用气压计读取当地的气压计的直接读数以及气压计的温度；

步骤四：判断当地纬度是否大于45°，利用温度计读取当地空气温度；

步骤五：采用星图识别算法，识别星敏感器视场内恒星星像坐标；

步骤六：利用星敏感器识别结果，计算星敏感器视场内已经识别恒星与光轴指向的夹角；

步骤七：根据步骤六和步骤二的结果，计算星敏感器视场内已经识别恒星的天顶距；

步骤八：根据步骤三、步骤四、步骤七以及折射公式计算星敏感器视场内已经识别恒星的大气折射值；

折射公式：

其中R₀在标准大气状况：气温T＝0℃，气压P＝760mmHg，水银温度T′＝0℃，纬度45°的海平面处的大气折射，可以近似地表示为：

R₀＝60.1045″tgZ-0.06606″tg³Z+0.00001742tg⁵Z

Z为星光指向在天顶距的入射角；

步骤九：将步骤八的大气折射值分解到星敏感器像空间坐标系下的X轴方向分量和Y轴方向分量，这两个分量就是大气折射值对恒星在星敏感器像空间坐标系下X轴方向的偏差ΔX和Y轴方向偏差ΔY；

步骤十：将获得的恒星星像坐标X和Y，减去X轴方向的偏差ΔX和Y轴方向偏差ΔY；

步骤十一：对视场内所有识别成功恒星星像坐标重复步骤六到步骤十；

步骤十二：利用所有成功识别恒星星像减去由于大气折射值带来的偏差ΔX和ΔY，计算姿态四元数；

步骤十三：步骤十二得到的姿态四元数就是消除大气折射值后的姿态，把该姿态输入到导航计算机中。

实施例2：结合图1、图3-图11，为了能在理论上对大气折射进行定量的分析，又考虑到大气自身的复杂情况，前人都以宁静的大气为基础建立一种简化的大气模型，并在模型的基础上建立相应的大气折射表，进一步开展大气折射的研究。鉴于目前对大气的了解程度和科技能力，较为现实的是建立一个符合观测点地理环境和气象特征的更为有效的大气折射模型，充分考虑大气倾斜等复杂情况，使之能达到更好的精度并能在大天顶距(＞70°)情况下仍然有较高的精度，还应考虑大气反常折射的测定其它修正方法，进一步考虑对大气折射的实时测定，也就是在观测恒星的同时同步测定大气实时折射值，这样从根本上解决大气的影响。从天体发出的光线到地球表面的光线，通过地球大气折射后并不保持原有方向，大气折射总使天体的天顶距减小，在天顶大气折射等于0，离天顶越远越大，折射角和入射角成以下关系：

ρ＝58.2″tgz    (1)

其中z为星光指向在天顶距的入射角，ρ为星光指向在天顶距的折射角。

但是这个公式只有在天顶距不超过70°时才正确，如果星敏感器视场内恒星指向在天顶距超过70°时，该模型无法修正大气折射带来的影响，因此该模型不能满足高精度的导航需要。

由于重力的影响，大气在不同的高度上有不同的密度分布从而造成光线通过大气层时产生折射，也就是大气折射，大气折射产生的影响主要有两个方向：光线传播方向的偏转以及传播时间滞后。对于天体测量的位置测定来说，光线偏转引起的位置偏移是影响观测精度的首要问题。如图1所示大气对光线的折射影响，从图1可以看出由于大气的影响，使得星光进入大气层后向观测者的天顶方向发生折射，使得实际的位置与实测位置之间有一个偏移。观测所得到的恒星天顶距小于恒星实际天顶距。大气对光线的折射作用的复杂性在于地球大气在高度方向分布的不均匀性和大气层的不稳定性。地球大气使光线沿着曲线方向连续偏转的折射作用主要是由于大气的密度随高度不断变化引起的，因此，还需要考虑大气的各气象要素的变化，比如气压ρ、气温T、湿度E以及风等。

折射公式为：

其中R₀在标准大气状况(气温T＝0℃，气压P＝760mmHg，水银温度T′＝0℃)下，纬度45°的海平面出的大气折射，可以近似地表示为：

R₀＝60.1045″tgZ-0.06606″tg³Z+0.00001742tg⁵Z

                                                           (3)

Z为星光指向在天顶距的入射角。

中国科学院南京紫金山天文台编制的中国天文年历中列出了天顶距从45°到76°的气温变差修正系数α。

其中：

$A=\frac{273}{273+T}-0.000163T-1---\left(4\right)$

式中：

H′为气压计的直接读数，T′为气压计的温度，为当地纬度，T为当地空气温度。

星敏感器主要性能指标：

视场：12°×9°

面阵：670×520

探测星等：6Mv

数据更新率：8Hz

根据上述推导的结果，利用实验室半物理仿真系统验证仿真结果、验证算法的有效性、准确性、鲁棒性等。本系统主要功能如下：设置地面载体从起始点到终端过程中，分别采用星敏感器修正大气折射前和大气折射后的信息进行导航，并统计采用星敏感器修正大气折射前和大气折射后输出的三轴姿态与实际姿态差，采用星敏感器修正大气折射前和大气折射后的信息载体导航路径经度和纬度与理想导航路径的精度和纬度差。半物理仿真系统的硬件组成主要包括以下部分：载体轨迹发生器、星空模拟系统、导航系统(包括星敏感器)、导航结果监控计算机。该系统以RS-422串口实现各计算机之间的数据交联，用以太网连接载体轨迹发生器与星空模拟系统，为了能进一步地直观显示修正大气折射前后对载体导航结果的影响，用轨迹发生器把载体理想的三轴姿态和载体导航路径的经度和纬度发送给导航监视计算机，导航监视计算机把轨迹发生器的姿态和导航路径真实值与导航计算机的修正前姿态、导航轨迹精度和纬度和修正后的姿态、导航轨迹精度和纬度作差，显示三轴姿态误差。系统硬件关系如图3所示。半物理验证系统由五个功能模块组成，分别如下：

A.轨迹发生器：根据用户输入的导航起始点和终点，计算最优的导航路径，并实时计算载体的理想三轴姿态，把理想的三轴姿态发送给星空模拟系统；

B.星空模拟系统：该系统收到轨迹发生器的理想三轴姿态后从星表中搜索视场内所有恒星，把这行恒星的赤经赤纬添加光行差的影响，利用添加大气折射后的恒星赤经和赤纬计算这些恒星在像平面的坐标，并把像平面坐标通过RS-422发送给星敏感器系统(为了降低传输时间，可以选取部分星像发送给星敏感器系统)

C.导航系统(包括星敏感器)：导航系统中的星敏感器收到星像坐标后对这些观测星进行识别，识别后分两步进行计算姿态，第一步就是直接计算姿态，第二步就是修正大气折射差后再计算姿态，并把两组姿态和导航系统其他信息都发送给导航计算机；

D.导航计算机：导航计算机接收到星敏感器和导航系统其他信息后进行计算，分别采用修正大气折射前和修正大气折射后的姿态信息进行导航计算，并把两组导航结果发送给导航监视计算机；

E.结果监控计算机：结果监控计算机收到导航计算机修正大气折射前后的姿态结果，与从轨迹发生器接收到的导航信息作差，并实时显示修正大气折射前和修正大气后的三轴姿态误差曲线和导航路径的赤经、赤纬的误差曲线，同时实时保存这两组误差，用户可以离线显示这些曲线。

半物理实验验证过程如下：轨道发生器根据用户输入载体的导航起始点和终点，计算最优的导航路径，并实时计算载体的理想三轴姿态，把理想的三轴姿态发送给星空模拟系统，该系统收到轨迹发生器的理想三轴姿态后从星表中搜索视场内所有恒星，把这行恒星的赤经赤纬添加光行差的影响，利用添加大气折射后的恒星赤经和赤纬计算这些恒星在像平面的坐标，并把像平面坐标通过RS-422发送给星敏感器系统，导航系统中的星敏感器收到星像坐标后对这些观测星进行识别，识别后分两步进行计算姿态，第一步直接计算姿态，第二步修正大气折射差后再计算姿态，并把两组姿态和导航系统其他信息都发送给导航计算机，导航计算机接收到星敏感器和导航系统其他信息后进行计算，分别采用修正大气折射前和修正大气折射后的姿态信息进行导航计算，并把两组导航结果发送给导航监视计算机，结果监控计算机收到导航计算机修正大气折射前后的姿态结果，与从轨迹发生器接收到的导航信息作差，并实时显示修正大气折射前的三轴姿态误差曲线和导航路径的赤经、赤纬的误差曲线(如图4是修正大气折射前三轴姿态误差实时曲线，图5是修正大气折射前导航路径的经度和纬度误差实时曲线)和修正大气后的三轴姿态误差曲线和导航路径的赤经、赤纬的误差曲线(如图6是修正大气折射后三轴姿态误差实时曲线，

图7是修正大气折射后导航路径的经度和纬度误差实时曲线)，同时实时保存这两组误差，用户可以离线显示这些曲线(如图8是修正大气折射前三轴姿态误差离线曲线，

图9是修正大气折射前导航路径的经度和纬度误差离线时曲线，

图10是修正大气折射后三轴姿态误差离线曲线，

图11是修正大气折射后导航路径的经度和纬度误差离线曲线)。从图4和图8中可以看出修正大气折射前三轴姿态误差出现“锯齿”波形状，从图5和

图9可以看出修正大气折射前载体路径的经度和纬度误差也是出现“锯齿”波形状。从图6和图10中可以看出修正大气折射后三轴姿态误差仅仅在0附近“振荡”，从

图7和

图11可以看出修正大气折射后载体路径的经度和纬度误差也是仅仅在0附近“振荡”。

实施例3：结合图12，GPS输出的当地经度和纬度实时地输出给星敏感器，星敏感器通过星图识别，识别出视场内所有星像坐标，此时由于大气折射的原因，所有恒星星像坐标都存在偏差，因此不能直接利用这些星像坐标计算姿态信息，而且由于恒星指向与天顶的夹角不同，造成的偏差也不同，因此首先必须利用当地气压、气压温度、当地纬度以及当地温度等计算出这些恒星星像坐标由于大气而造成的偏差。计算恒星星像坐标的偏差方法如下：根据载体陀螺的输出计算当前载体在东-北-天坐标系下的粗姿态，根据星敏感器与载体之间的安装夹角计算星敏感器的光轴指向，计算星敏感器光轴指向与当地天顶的夹角，根据恒星星像坐标识别信息计算识别恒星与光轴指向之间的夹角来计算识别恒星与当地天顶的夹角，最后利用当地气压、气压温度、当地纬度、当地温度以及识别恒星与当地天顶的夹角来计算识别恒星的大气折射偏差，最后利用大气折射偏差来计算相应恒星星像坐标的偏差，把恒星星像坐标减去相关偏差来计算姿态信息，该姿态信息就是修正大气折射后的导航信息。

实施例4：以某舰船的星敏感器为例计算修正大气折射后的姿态四元数和经度纬度：

步骤一：计算星敏感器在东-北-天坐标系下的光轴指向为：经度为：312.85°，纬度为：40.28°

步骤二：星敏感器光轴指向的天顶距为：49.72°；

步骤三：当地气压为：990.1，气压温度为：3.9℃；

步骤四：根据当地地理位置判断当地纬度小于45°，当地空气温度为：3.8℃；

再根据以上步骤分别计算视场内所有识别恒星的光行差修正参数，由于视场内识别的恒星数量较多，视场内每个识别星的光行差修正参数不一一列举，从步骤五到步骤十二的结果不一一列举；

步骤十三：消除大气折射后的姿态四元数为：姿态四元数，从第一个到最后一个为q0，q1，q2，q3(Q＝q0*i+q1*j+q2*k+q3)

-0.8713292927，0.3145670591，-0.3763178146，0.0147557223；

消除大气折射后计算的当地经度为：125.39812°纬度为：

43.84787°(采用GPS测量当地实际的经度为：125.40083°纬度为：43.84629°)

Claims (1)

1.一种修正大气折射对星敏感器精度影响的方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：利用载体惯性器件，星敏感器像空间坐标系与载体本体系之间的关系，计算星敏感器在东-北-天坐标系下的光轴指向；

步骤二：根据星敏感器像的光轴指向计算星敏感器光轴指向的天顶距，即星敏感器光轴指向与天顶之间的夹角；

步骤三：利用气压计读取当地的气压计的直接读数以及气压计的温度；

步骤四：判断当地纬度是否大于45°，利用温度计读取当地空气温度；

步骤五：采用星图识别算法，识别星敏感器视场内恒星星像坐标；

步骤六：利用星敏感器识别结果，计算星敏感器视场内已经识别恒星与光轴指向的夹角；

步骤七：根据步骤六和步骤二的结果，计算星敏感器视场内已经识别恒星的天顶距；

步骤八：根据步骤三、步骤四、步骤七以及折射公式计算星敏感器视场内已经识别恒星的大气折射值；

折射公式：

其中R₀标准大气状况：气温T＝0℃，气压P＝760mmHg，水银温度T′＝0℃，纬度45°的海平面处的大气折射，可以近似地表示为：

R₀＝60.1045″tgZ-0.06606″tg³Z+0.00001742″tg⁵Z

Z为星光指向在天顶距的入射角；α为气温变差修正系数；

步骤九：将步骤八的大气折射值分解到星敏感器像空间坐标系下的X轴方向分量和Y轴方向的分量，这两个分量就是大气折射值对恒星在星敏感器像空间坐标系下X轴方向的偏差ΔX和Y轴方向偏差ΔY；

步骤十：将获得的恒星星像坐标X和Y，减去X轴方向的偏差ΔX和Y轴方向偏差ΔY；

步骤十一：对视场内所有识别成功恒星星像坐标重复步骤六到步骤十；

步骤十二：利用所有成功识别恒星星像减去由于大气折射值带来的偏差ΔX和ΔY，计算姿态四元数；

步骤十三：步骤十二得到的姿态四元数就是消除大气折射值后的姿态，把该姿态输入到导航计算机中；

其中，

$A=\frac{273}{273+T}-0.000163T-1;$

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