CN103575274A - 高性能星图匹配自主导航定位系统 - Google Patents

Abstract

一种星图匹配自主导航定位系统，包括星敏感器、倾角传感器、数据采集装置和终端计算机，由星敏感器获取星图，倾角传感器获得平台x轴与y轴的倾角信息，星敏感器和倾角传感器检测到的数据由数据采集装置同时采集数据送往终控解算计算机，由时序控制电路控制采集频率及同步，终控解算计算机负责发出指令以及最后的求解计算，终控解算计算机包含星图图像处理和质心坐标提取模块、像空间坐标转换模块、星体辨识模块、视位置计算模块和最优化求解计算模块。

Description

高性能星图匹配自主导航定位系统

技术领域

本发明涉及导航系统，特别是涉及船舶自主导航系统。

背景技术

包括全球卫星导航和区域卫星导航在内的卫星导航技术是现代导航的主要方式，其共同特征是由特定信标以特定频率发播特定格式的导航电文，其导航信号极其微弱。“三定一弱”的技术特征决定了卫星导航系统易受攻击和操控。地基无线电导航系统作用距离有限、存在服务盲区、远程导航精度较低、易于遭受攻击，其应用和发展受到局限。惯性导航作为一种自主导航方式，具有广阔的发展应用空间，但由于定位误差随时间积累，难以作为独立的高精度导航系统使用。

以天体为信标的导航技术自主性强、精度较高、设备简单可靠，不受地域、空域和时域的限制，定位定向误差不积累，导航信标的物理存在和天文导航技术应用不受人为因素干扰和破坏，隐蔽性好、可靠性高、战时应用有可靠保证等技术特征使其在航海、航空和航天导航与制导领域尤其是军事导航技术领域始终得到应用和发展。

迄今为止，我国现有天文导航自动化设备仍沿用传统的高度差法原理，其对水平基准的依赖使之成为一种依赖惯性导航系统的非独立导航方式。这不仅大大增加了系统的复杂性和工程造价，限制了系统的推广应用，水平基准精度也从根本上制约着导航精度的进一步提高，限制了天文导航技术的发展和应用。

现有导航技术存在的主要缺点有：

1)低精度

现有天文导航系统受水平基准精度等的制约，只能达到0.5到0.7海里动态定位精度，与国际先进水平存在1到2个数量级的差别。

2)非全天时

现有设备白天测星能力低，一般在2～3等，但由于+2.5等以上星体只有87颗，其半数在地平以下无法观测，太阳角距30度以内的地平以上星体也难以观测，按通常采用的星敏感器1度视场计算，只有0.005颗3等以上恒星进入视场。由于可用恒星数量过少，现有技术难以满足全天时天文导航实际需要。

3)非独立系统

迄今为止，我国现有天文导航自动化设备仍沿用传统的高度差法原理，其对水平基准的依赖使之成为一种依赖惯性导航系统的非独立导航方式。这不仅大大增加了系统的复杂性和工程造价，限制了系统的推广应用，水平基准精度也从根本上制约着导航精度的进一步提高，限制了天文导航技术的发展和应用。

4)非连续

由于支撑理论上的滞后，现有设备白天通常只能利用太阳测向，而单天体移线定位要求太阳方位变化30度以上，一次定位需历时两三个小时，因而难以保证定位的及时性，更难以实现连续定位，从而使天文导航这一优越的导航方式只能用作惯导的校正装置。

5)支撑技术不够完善

现有系统中的星历表只能解决太阳、恒星的视位置计算问题。个别小型化系统虽能解决太阳、月亮、行星及恒星的视位置计算(此项技术由海军大连舰艇学院提出并推广)，但存在精度不高、历元不统一等问题。高精度自动星历表技术研究相对滞后的局面，制约着天文导航自动化技术的发展。

6)理论研究与装备实现脱节

理论研究与工程实现脱节，资源配置不尽合理，严重影响着天文导航技术的发展。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种星图匹配自主导航定位系统和方法。

技术方案1：一种星图匹配自主导航定位系统，包括星敏感器、倾角传感器、数据采集装置和终端计算机，其特征在于：由星敏感器获取星图，倾角传感器获得平台x轴与y轴的倾角信息，星敏感器和倾角传感器检测到的数据由数据采集装置同时采集数据送往终控解算计算机，由时序控制电路控制采集频率及同步，终控解算计算机负责发出指令以及最后的求解计算，终控解算计算机包含星图图像处理和质心坐标提取模块、像空间坐标转换模块、星体辨识模块、视位置计算模块和最优化求解计算模块。

技术方案2：根据技术方案1所述的一种星图匹配自主导航定位系统，其特征在于：所述的星敏感器包括各个测量通道，各个测量通道采用相互独立的光学望远镜头与CCD相机构成，各个通道均在设备基平面以上仰起30°，在基平面的投影线互差120°。

技术方案3：根据技术方案1所述的一种星图匹配自主导航定位系统，其特征在于：

星图图像处理和质心坐标提取模块：完成星敏感器观测数据的获取和处理，首先，星敏感器的各个通道严格在同一时刻各自摄取一帧星图，然后，对星图进行图像处理和质心坐标提取，分别得到星像点在各自像平面上的质心坐标；

像空间坐标转换模块：完成两项工作，一是将各个通道的星像平面质心坐标转换为各自的像空间坐标；二是将各个通道星像的像空间坐标通过转换矩阵，转换为同一像空间坐标系中的坐标，全部保存在二维数组中；

星体辨识模块：根据已获取的星像间的坐标关系，构造星像三角形，并在预先载入的星库中进行查找比对，得到星像对应的恒星的相关信息，实现星像的识别，当星像识别成功后，在星库中得到其对应星体在天球上的赤道坐标；

视位置计算模块：对于成功识别出来的星体，通过导航星库得到的赤道坐标是其年中平位置，因为星敏感器解算的是观测时的姿态，所以需要进行年中平位置到观测历元视位置的转换，视位置计算的内容是：计算恒星的赤经自行和赤纬自行，修正岁差对恒星赤经赤纬的影响，修正章动对恒星赤经赤纬的影响，修正周年光行差对恒星赤经赤纬的影响，通过视位置计算对星体的赤道坐标进行精确修正后，再经转换，得到星体的站心地平坐标；

最优化求解计算模块：利用倾角传感器获得粗略双轴姿态信息以及当前预估姿态和位置信息，综合采用卡尔曼（Kalman）滤波和遗传算法进行最优化求解，使所确定导航参数的精度总是逼近最大可能精度，最后输出求解得到的舰船姿态及位置信息。

技术方案4：一种星图匹配自主导航定位方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)采集星图并处理

通过该步骤完成星敏感器观测数据的获取和处理，首先，星敏感器的各个通道严格在同一时刻各自摄取一帧星图，然后，对星图进行图像处理和质心坐标提取，分别得到星像点在各自像平面上的质心坐标；

(2)像空间坐标转换

通过该步骤完成两项工作，一是将各个通道的星像平面质心坐标转换为各自的像空间坐标；二是将各个通道星像的像空间坐标通过转换矩阵，转换为同一像空间坐标系中的坐标，全部保存在二维数组中；

(3)星体辨识

根据已获取的星像间的坐标关系，构造星像三角形，并在预先载入的星库中进行查找比对，得到星像对应的恒星的相关信息，实现星像的识别，当星像识别成功后，在星库中得到其对应星体在天球上的赤道坐标；

(4)视位置计算

对于成功识别出来的星体，通过导航星库得到的赤道坐标是其年中平位置，因为星敏感器解算的是观测时的姿态，所以需要进行年中平位置到观测历元视位置的转换，视位置计算的主要内容是：计算恒星的赤经自行和赤纬自行，修正岁差对恒星赤经赤纬的影响，修正章动对恒星赤经赤纬的影响，修正周年光行差对恒星赤经赤纬的影响。通过视位置计算对星体的赤道坐标进行精确修正后，再经转换，就得到星体的站心地平坐标；

(5)最优化求解计算

利用倾角传感器获得粗略双轴姿态信息以及当前预估姿态和位置信息，综合采用卡尔曼（Kalman）滤波和遗传算法进行最优化求解，使所确定导航参数的精度总是逼近最大可能精度，最后输出求解得到的舰船姿态及位置信息。

本发明的有益效果是：克服了现有技术的缺陷，提高了导航的精度和适应性。

附图说明

图1是系统组成结构图。

图2是系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，采用相互独立的光学望远镜头与CCD相机构成星敏感器的各个测量通道，各个通道均在设备基平面以上仰起一定角度，在基平面的投影线互差120°，每个通道的视场角相对较小，而角度分辨率相对很高。针对多孔径星敏感器的三组分立测量数据，基于坐标变换模型对数据进行融合，实现测量数据的一体化利用。倾角传感器获得平台双轴（x轴、y轴）姿态（倾角）信息。由数据采集装置同时采集数据送往终控解算计算机，由时序控制电路控制采集频率及同步。终控解算计算机负责发出指令以及最后的求解计算，终端计算机包含星图图像处理和质心坐标提取模块、像空间坐标转换模块、星体辨识模块、视位置计算模块和最优化求解计算模块。

其中：

（1）星图图像处理和质心坐标提取模块

主要完成星敏感器观测数据的获取和处理。首先，星敏感器的各个通道严格在同一时刻各自摄取一帧星图，然后，对星图进行图像处理和质心坐标提取，分别得到星像点在各自像平面上的质心坐标。

(2)像空间坐标转换模块

主要完成两项工作，一是将各个通道的星像平面质心坐标转换为各自的像空间坐标；二是将各个通道星像的像空间坐标通过转换矩阵，转换为同一像空间坐标系中的坐标，全部保存在二维数组中。

(3)星体辨识模块

根据已获取的星像间的坐标关系，构造星像三角形，并在预先载入的星库中进行查找比对，得到星像对应的恒星的相关信息，实现星像的识别，当星像识别成功后，在星库中得到其对应星体在天球上的赤道坐标。

(4)视位置计算模块

对于成功识别出来的星体，通过导航星库得到的赤道坐标是其年中平位置(构造星库时已经完成由星表历元平位置到年中平位置的转化)，因为星敏感器解算的是观测时的姿态，所以需要进行年中平位置到观测历元视位置的转换。视位置计算的主要内容是：计算恒星的赤经自行和赤纬自行，修正岁差对恒星赤经赤纬的影响，修正章动对恒星赤经赤纬的影响，修正周年光行差对恒星赤经赤纬的影响。通过视位置计算对星体的赤道坐标进行精确修正后，再经转换，就可以得到星体的站心地平坐标。

(5)最优化求解计算模块

利用倾角传感器获得粗略双轴姿态信息以及当前预估姿态和位置信息，综合采用卡尔曼（Kalman）滤波和遗传算法进行最优化求解，使所确定导航参数的精度总是逼近最大可能精度。最后输出求解得到的舰船姿态及位置信息。

考虑舰船使用的制约因素，在整体设计上，提出了成固定夹角的三通道观测方案。该方案不仅保证了星敏感器小视场观测的精度，而且有效解决了由于视场局限造成的观测星体数量较少，以及偏航角测量误差较大的缺陷。

系统工作流程：

(1)采集星图并处理

该步骤主要完成星敏感器观测数据的获取和处理。首先，星敏感器的各个通道严格在同一时刻各自摄取一帧星图，然后，对星图进行图像处理和质心坐标提取，分别得到星像点在各自像平面上的质心坐标。

(2)像空间坐标转换

该步骤主要完成两项工作，一是将各个通道的星像平面质心坐标转换为各自的像空间坐标；二是将各个通道星像的像空间坐标通过转换矩阵，转换为同一像空间坐标系中的坐标，全部保存在二维数组中。

(3)星体辨识

根据已获取的星像间的坐标关系，构造星像三角形，并在预先载入的星库中进行查找比对，得到星像对应的恒星的相关信息，实现星像的识别，当星像识别成功后，我们会在星库中得到其对应星体在天球上的赤道坐标。

(4)视位置计算

对于成功识别出来的星体，通过导航星库得到的赤道坐标是其年中平位置(构造星库时已经完成由星表历元平位置到年中平位置的转化)，因为星敏感器解算的是观测时的姿态，所以需要进行年中平位置到观测历元视位置的转换。视位置计算的主要内容是：计算恒星的赤经自行和赤纬自行，修正岁差对恒星赤经赤纬的影响，修正章动对恒星赤经赤纬的影响，修正周年光行差对恒星赤经赤纬的影响。通过视位置计算对星体的赤道坐标进行精确修正后，再经转换，就可以得到星体的站心地平坐标。

(5)最优化求解计算

利用倾角传感器获得粗略双轴姿态信息以及当前预估姿态和位置信息，综合采用卡尔曼（Kalman）滤波和遗传算法进行最优化求解，使所确定导航参数的精度总是逼近最大可能精度。最后输出求解得到的舰船姿态。

Claims (2)

1.一种星图匹配自主导航定位系统，包括星敏感器、倾角传感器、数据采集装置和终端计算机，其特征在于：由星敏感器获取星图，倾角传感器获得平台x轴与y轴的倾角信息，星敏感器和倾角传感器检测到的数据由数据采集装置同时采集数据送往终控解算计算机，由时序控制电路控制采集频率及同步，终控解算计算机负责发出指令以及最后的求解计算，终控解算计算机包含星图图像处理和质心坐标提取模块、像空间坐标转换模块、星体辨识模块、视位置计算模块和最优化求解计算模块。所述的星敏感器包括一个至多个测量通道，各个测量通道采用相互独立的光学望远镜头与CCD相机构成，各个通道均在设备基平面以上仰起一定角度，在基平面的投影线均匀分布。星图图像处理和质心坐标提取模块：完成星敏感器观测数据的获取和处理，首先，星敏感器的各个通道在同一时刻各自摄取一帧星图，然后，对星图进行图像处理和星像质心坐标提取，分别得到星像点在各自像平面上的质心坐标；像空间坐标转换模块：完成两项工作，一是将各个通道的星像平面质心坐标转换为各自的像空间坐标；二是将各个通道星像的像空间坐标通过转换矩阵，转换为同一像空间坐标系中的坐标，全部保存在二维数组中；星体辨识模块：根据已获取的星像间的坐标关系，构造星像三角形，并在预先载入的星库中进行查找比对，得到星像对应的恒星的相关信息，实现星像的识别，当星像识别成功后，在星库中得到其对应星体在天球上的赤道坐标；视位置计算模块：对于成功识别出来的星体，通过导航星库得到的赤道坐标是其年中平位置，因为星敏感器解算的是观测时的导航信息姿态，所以需要进行年中平位置到观测历元视位置的转换，视位置计算的内容是：计算恒星的赤经自行和赤纬自行，修正岁差对恒星赤经赤纬的影响，修正章动对恒星赤经赤纬的影响，修正周年光行差对恒星赤经赤纬的影响，通过视位置计算对星体的赤道坐标进行精确修正后，再经转换，得到星体的站心地平坐标；最优化求解计算模块：利用倾角传感器获得粗略双轴姿态信息以及当前预估姿态和位置信息，综合采用卡尔曼（Kalman）滤波和遗传算法进行最优化求解，使所确定导航参数的精度总是逼近最大可能精度，最后输出求解得到的舰船姿态及位置信息。

2.一种星图匹配自主导航定位方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)采集星图并处理

通过该步骤完成星敏感器观测数据的获取和处理，首先，星敏感器的各个通道在同一时刻各自摄取一帧星图，然后，对星图进行图像处理和质心坐标提取，分别得到星像点在各自像平面上的质心坐标；

(2)像空间坐标转换

通过该步骤完成两项工作，一是将各个通道的星像平面质心坐标转换为各自的像空间坐标；二是将各个通道星像的像空间坐标通过转换矩阵，转换为同一像空间坐标系中的坐标，全部保存在二维数组中；

(3)星体辨识

根据已获取的星像间的坐标关系，构造星像三角形，并在预先载入的星库中进行查找比对，得到星像对应的恒星的相关信息，实现星像的识别，当星像识别成功后，在星库中得到其对应星体在天球上的赤道坐标；

(4)视位置计算

对于成功识别出来的星体，通过导航星库得到的赤道坐标是其年中平位置，因为星敏感器解算的是观测时的姿态，所以需要进行年中平位置到观测历元视位置的转换，视位置计算的主要内容是：计算恒星的赤经自行和赤纬自行，修正岁差对恒星赤经赤纬的影响，修正章动对恒星赤经赤纬的影响，修正周年光行差对恒星赤经赤纬的影响，通过视位置计算对星体的赤道坐标进行精确修正后，再经转换，就得到星体的站心地平坐标；

(5)最优化求解计算

利用倾角传感器获得粗略双轴姿态信息以及当前预估姿态和位置信息，综合采用卡尔曼（Kalman）滤波和遗传算法进行最优化求解，使所确定导航参数的精度总是逼近最大可能精度，最后输出求解得到的舰船姿态及位置信息。

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