CN105424034B - 一种船载全天时星光惯导组合导航系统 - Google Patents

Abstract

一种船载全天时星光惯导组合导航系统，包括星光导航系统、惯性导航系统、授时系统，其中，星光导航系统包括光学系统、探测电路、图像处理模块。惯性导航系统为星光导航系统提供粗姿态，可降低星光导航系统的误匹配概率和匹配速度；授时系统提供世界时和秒脉冲，用于ITRS坐标系和ICRS坐标系转换，秒脉冲用于组合导航系统工作周期的同步；星光导航系统解算高精度的导航信息并输出。本发明通过星光导航系统和惯性导航系统组合的方式，选用近红外波段作为工作波段，使组合导航系统能够在全天时条件下工作，在实现导航系统的小型化的同时，还保证了导航系统的高精度。

Description

一种船载全天时星光惯导组合导航系统

技术领域

本发明涉及全天时船载自主导航技术，属于导航控制领域，特别是一种船载全天时星光惯导组合导航系统。

背景技术

传统的导航是将运载体按预定的计划与要求，从起始点引导到目的地的过程。用来完成上述引导任务的设备统称为导航系统。现有的导航系统包括惯性导航(INS)、卫星导航、星光导航(CNS)、地形辅助导航(TAN)等，每一种导航方式均有其优势和不足。

惯导系统的优点是完全自主、隐蔽性好、导航信息完备、短时精度高、数据输出率高等，但其误差随时间发散，只能达到短时间的高精度。导航卫星提供的GPS导航服务存在抗电磁干扰能力弱的问题，并且在战时GPS的使用很可能受限。TAN是完全自主、隐蔽性好、抗干扰能力强的导航系统，但不适用于大范围、长航程的导航任务。星光导航是一种古老而又现代的导航方式，它通过光电探测设备实时检测星体，通过星图识别等处理可以解算航行体的位置与航向，是一种自主式被动无源的导航方法，具有精度高、误差不随时间积累、自主性强、不受地域限制可实现全球导航、战争时可用性高等优点，但在天气恶劣的情况下，导航性能会受影响。

由此可见，单一的导航手段无法满足复杂的导航要求。惯性导航系统与星光导航系统组合是一种常用的可自主工作的导航系统。星光导航系统采用星光导航具有精度高、可全天时工作等优点。现有的星光惯导组合导航系统均是采用以惯导为主，星光导航辅助的工作方式，星光导航系统探测单颗恒星并跟踪，修正惯导的漂移。此种组合导航方式的应用较为成熟，但是该组合系统的精度依赖于惯性导航系统的精度，高精度的惯性导航系统重量较大，因此组合导航系统重量也较大，另外传统的星光导航系统受太阳散射光影响，很难全天时工作，多用于完成近空间的导航任务。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种船载全天时星光惯导组合导航系统。

本发明的技术解决方案是：一种船载全天时星光惯导组合导航系统，包括星光导航系统、惯性导航系统、授时系统，其中

星光导航系统，包括光学系统、探测电路、图像处理模块；

光学系统，接收不同角度入射星光并汇聚到探测电路中成像器件单元的感光面上；

探测电路，包括成像器件单元、模数转换单元；成像器件单元在曝光时刻接收入射星光后成像，进行光电转换得到模拟电信号并送至模数转换单元；模数转换单元，对模拟电信号进行模数转换得到数字图像，按行下传到图像处理模块；

图像处理模块，对数字图像进行低通滤波，采用直方图法计算数字图像中各行的星点阈值，保存各行中超过星点阈值的像素，并记录像素的灰度值、坐标，直至遍历数字图像中每一行，对数字图像中所有超过星点阈值的像素使用聚类方法得到数字图像中的导航星星点，根据星点面积、星点形状剔除导航星星点中的伪星，计算各个导航星星点质心角距，得到观测模板；获取导航星表，接收惯性导航系统发送的姿态，筛选导航星表中位于姿态设定范围内的导航星作为导航模板，根据导航星表、姿态计算导航模板中各个导航星的高度角，使用各个导航星的高度角根据蒙气差原理修正导航模板中各个导航星之间的角距关系，使用QUEST方法匹配观测模板、修正后的导航模板，得到组合导航系统的导航信息，接收秒脉冲后计算成像器件的曝光时刻相对于秒脉冲的偏移量，将偏移量、导航信息输出，其中，i的初值为1；所述的导航模板为从导航星表中选取的一组导航星、各个导航星之间的角距关系；所述的观测模板为通过光学成像的方式观测得到的各个导航星、各个导航星之间的角距关系；所述姿态包括地平面、初始位置、初始姿态；所述的伪星为导航星星点中明显偏离各个导航星星点构成导航星面积形状的导航星星点，其中，导航星形状为圆形或椭圆形；

惯性导航系统，测量组合导航系统当前的姿态，并送至星光导航系统中的图像处理模块；

授时系统，产生并发送秒脉冲至星光导航系统中图像处理模块。

所述的设定范围为星光导航系统视场，星光导航系统视场为1.5°。

所述的光学系统采用反射式结构

所述的授时系统采用恒温晶振。

所述的导航星表为2MASS星表。

所述的光学系统的工作波段为900～1700nm。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明组合导航系统的工作波段为900～1700nm，包含了近红外波段的J波段和H波段，克服了现有的组合导航系统受太阳散射光影响很难全天时工作，多用于完成近空间的导航任务的缺陷，使导航系统可在大气层内使用；

(2)本发明组合导航系统通过星光导航系统和惯性导航系统组合的方式，星光导航系统选用近红外波段作为工作波段，使组合导航系统能够在全天时条件下工作，当天气状况无法进行恒星观测时，可以利用惯性导航系统的姿态给出导航信息；

(3)本发明组合导航系统使用星光导航系统作为主要导航部件，星光导航系统本身具有高精度、不随时间漂移的优点；

(4)本发明组合导航系统设计了一种星光导航系统和惯性导航系统的导航数据融合方式，对星光导航系统和惯性导航系统的指标要求降低，在实现导航系统的小型化的同时，还保证了导航系统的精度。

附图说明

图1为本发明一种船载全天时星光惯导组合导航系统结构框图。

具体实施方式

本发明提出一种船载全天时星光惯导组合导航系统结构框图，通过对星光导航系统的改进，具有在全天时下至少探测两颗恒星的能力，工作方式以星光导航为主，惯性导航辅助提供地平信息和粗姿态。下面结合附图对本发明组合导航系统进行详细说明。

如图1所示本发明组合导航系统包括：星光导航系统、惯性导航系统、授时系统，其中，星光导航系统包括光学系统、探测电路、图像处理模块。

光学系统的作用是接收不同角度入射星光并汇聚到探测器的感光面上。光学系统采用多光路设计，每条探测光路对应一套探测电路，以此方式来提高探头部分的探测能力。星光导航系统的工作波段为900～1700nm，包含了近红外波段的J波段和H波段，光学系统的设计和选定探测器的光谱范围都包含此波段。光学系统采用反射式结构，在主镜和次镜周围都设计了内遮光罩消除大气散射光的影响。

探头电路首先由探测器接收入射星光并完成光电转换，然后通过模数转换电路把图像从模拟信号转换成数字信号，最后按照一定的格式按行下传到图像处理电路。探测器为红外面阵成像芯片，使用一级半导体致冷器控制探测器的温度，降低图像噪声，同时探头电路采用了低噪声设计，在供电设计、信号保护、电磁隔离等方面采取了措施。

图像处理模块，对数字图像按行进行低通滤波，采用直方图法计算数字图像中当前行的星点阈值，保存当前行中超过星点阈值的像素，记录像素灰度值、坐标，遍历数字图像中每一行，对超过星点阈值的像素使用聚类方法得到数字图像中的星点，根据星点面积、星点形状筛选星点，计算各个星点质心角距，生成观测模板；获取导航星表，接收惯性导航系统发送的粗姿态，筛选导航星表中位于粗姿态设定阈值内的导航星作为导航模板，根据导航星表、粗姿态计算导航模板中各个导航星的高度角，使用各个导航星的高度角，根据蒙气差原理修正导航模板，根据星数不同使用角距匹配或者QUEST方法匹配导航模板与观测模板，得到组合导航系统的导航信息，接收秒脉冲后计算成像器件的曝光时刻相对于秒脉冲的偏移量，将偏移量、导航信息输出；所述的导航模板为从导航星表中选取的一组导航星、各个导航星之间的角距关系；所述的观测模板为通过光学成像的方式观测得到的各个导航星、各个导航星之间的角距关系；所述的导航星表为2MASS星表；所述粗姿态包括地平面、初始位置、初始姿态；

按照组合导航系统的设计方案，星光导航系统需至少观测两颗恒星来计算导航信息，其探测的极限星等设计值为6.5等，经过对星表的分析，星光导航系统视场内至少出现两个导航星的概率为97.8％,在大气能见度良好的白昼条件下，探测6.5等星的信噪比为3.4，图像处理模块所使用的方法可以满足对星图处理的要求。星光导航系统中存储的星表建立在ICRS坐标系下，蒙气差修正在ITRS坐标系下完成，星光导航系统可完成两个坐标系的相互转换。

惯性导航系统的作用是为星光导航系统提供粗姿态，并根据星光导航系统的输出对修正自身的漂移，与星光导航系统之间采用捷联式安装，内部采用光纤陀螺及加速度计建立三轴坐标系。组合导航系统对惯性导航系统提供的初始信息精度要求很低，只需要高于星光导航系统的视场大小即可，确保星光导航系统生成的观测模板包含在星表生成的导航模板之中，惯性导航系统的地平信息要求具有高精度，此部分误差无衰减的影响导航精度。本发明对惯性导航系统的水平信息误差无修正措施。惯性导航系统的数据均采用ITRS坐标系。

授时系统采用高精度的时钟参考源，内部采用低噪声、低频率漂移高稳定度的恒温晶振，产生并发送时间和频率信号，通过RS422串口电平输出。该系统的时间精度水平优于10^-9秒，在导航系统全寿命周期内无校准可满足组合导航系统的精度要求。

下面结合具体实施例对本发明整机工作过程作进一步详细地描述，组合导航系统的工作过程如下：

1)组合导航系统在工作过程中，完全处于被动状态，外部可以在任何时刻向组合导航系统发出取数指令，导航系统以中断方式接收，除此之外外部向组合导航系统发送秒脉冲信号，同步组合导航系统的工作周期；

2)组合导航系统中，星光导航系统负责与外部进行数据交换，完成包括接收外部取数指令、同步脉冲、参数修改指令、发送导航数据等工作；

3)组合导航系统内部的工作周期以星光导航系统的曝光帧周期为单位，每一帧以星光导航系统的曝光起始，曝光起始时刻受秒脉冲同步信号控制。星光导航系统产生的姿态数据为曝光时间中心时刻的姿态数据，当星光导航系统收到外部同步指令后，在导航系统内完成的操作包括：控制星光导航系统按照设定的积分时间产生曝光控制信号；在曝光中心时刻通过外部中断锁存惯性导航系统数据；在曝光中心时刻通过外部中断锁存授时系统的时间信息；

4)在星光导航系统曝光完成后，图像按行下传，在处理电路中进行预处理，低通滤波及超出阈值星点的提取，同时从惯性导航系统和授时系统读取之前的锁存数据，在图像下传结束之前，星光导航系统屏蔽外部同步指令；

5)在图像预处理完成之后，图像处理电路进行星点提取、星点识别、坐标系转换、蒙气差修正等工作；

6)星光导航数据计算导航数据与惯导输入的数据相比较，计算惯导的漂移，并对下一帧惯导输入的初始信息进行修正；

7)当外部向组合导航系统发送取数指令时，组合导航系统输出最近一帧的导航数据，并输出该帧的曝光中心时刻相对于同步信号的时间偏移量，偏移量由组合导航系统的内部时标基准得到。

其中，星图处理中的坐标系转换和蒙气差修正是实现天文地理导航的关键技术。

国际天球参考坐标系(international celestial reference system，简称ICRS)到国际地球参考坐标系(international terrestrial reference system，简称ITRS)的坐标系转换考虑到了地球自转角速度、岁差、章动、时标误差等模型，转换误差换算到对组合导航系统精度的影响优于1＂。在一个帧周期内需要进行两次坐标系转换：惯性导航系统输出的粗姿态需要由ITRS坐标系转换到ICRS坐标系供星光导航系统使用；星光导航系统生成的导航模板需要转换到ITRS坐标系下进行蒙气差修正。大气折射引起的恒星观测误差与天顶角有关，星图处理部分根据观测恒星的天顶角对观测误差进行修正。修正系数主要与天顶角有关，同时与大气的温度、湿度、压力、湍流等因素有关，通过实时气象监测系统计算得到修正系数，存储在组合导航系统的寄存器内，修正精度优于3＂，实时气象监测系统不含在本发明中。

经过实践验证，本发明设计的组合导航系统，导航精度优于10＂，定位精度优于300米，全天区随机选取指向可输出有效导航信息概率大于97％。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种船载全天时星光惯导组合导航系统，其特征在于包括星光导航系统、惯性导航系统、授时系统，其中

星光导航系统，包括光学系统、探测电路、图像处理模块；

光学系统，接收不同角度入射星光并汇聚到探测电路中成像器件单元的感光面上；

探测电路，包括成像器件单元、模数转换单元；成像器件单元在曝光时刻接收入射星光后成像，进行光电转换得到模拟电信号并送至模数转换单元；模数转换单元，对模拟电信号进行模数转换得到数字图像，按行下传到图像处理模块；

图像处理模块，对数字图像进行低通滤波，采用直方图法计算数字图像中各行的星点阈值，保存各行中超过星点阈值的像素，并记录像素的灰度值、坐标，直至遍历数字图像中每一行，对数字图像中所有超过星点阈值的像素使用聚类方法得到数字图像中的导航星星点，根据星点面积、星点形状剔除导航星星点中的伪星，计算各个导航星星点质心角距，得到观测模板；获取导航星表，接收惯性导航系统发送的姿态，筛选导航星表中位于姿态设定范围内的导航星作为导航模板，根据导航星表、姿态计算导航模板中各个导航星的高度角，使用各个导航星的高度角根据蒙气差原理修正导航模板中各个导航星之间的角距关系，使用QUEST方法匹配观测模板、修正后的导航模板，得到组合导航系统的导航信息，接收秒脉冲后计算成像器件的曝光时刻相对于秒脉冲的偏移量，将偏移量、导航信息输出；所述的导航模板为从导航星表中选取的一组导航星以及各个导航星之间的角距关系；所述的观测模板为通过光学成像的方式观测得到的各个导航星以及各个导航星之间的角距关系；所述姿态包括地平面、初始位置、初始姿态；所述的伪星为导航星星点中明显偏离各个导航星星点构成导航星面积形状的导航星星点，其中，导航星形状为圆形或椭圆形；

惯性导航系统，测量组合导航系统当前的姿态，并送至星光导航系统中的图像处理模块；

授时系统，产生并发送秒脉冲至星光导航系统中图像处理模块。

2.根据权利要求1所述的一种船载全天时星光惯导组合导航系统，其特征在于：所述的设定范围为星光导航系统视场，星光导航系统视场为1.5°。

3.根据权利要求1或2所述的一种船载全天时星光惯导组合导航系统，其特征在于：所述的光学系统采用反射式结构。

4.根据权利要求1或2所述的一种船载全天时星光惯导组合导航系统，其特征在于：所述的授时系统采用恒温晶振。

5.根据权利要求1或2所述的一种船载全天时星光惯导组合导航系统，其特征在于：所述的导航星表为2MASS星表。

6.根据权利要求1或2所述的一种船载全天时星光惯导组合导航系统，其特征在于：所述的光学系统的工作波段为900～1700nm。