CN109579829B - 一种小视场星敏感器短波导航星识别方法 - Google Patents

一种小视场星敏感器短波导航星识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于天文导航技术领域，具体涉及一种小视场星敏感器短波导航星识别方法。该方法包括解算惯导信息，得到星敏感器的位置信息、姿态信息和UTC时间；根据天文时间系统计算方法，构建基于儒略日的时间系统并将UTC时间转为儒略日时间；以及基于儒略日时间计算星敏感器当前时刻光轴方向对应的赤经赤纬，并据此筛选出可能出现在星敏感器中的导航星。本发明综合考虑星敏感器与惯导系统一起工作的特点，利用所在平台惯导系统提供的惯导信息，辅助全天时短波星敏感器完成视场内单颗导航星的识别，降低了系统复杂度和功耗，满足天文导航系统的需求。

Description

一种小视场星敏感器短波导航星识别方法
技术领域
本发明属于天文导航技术领域，具体涉及一种小视场星敏感器短波导航星识别方法。
背景技术
目前，适用于星敏感器的导航星识别方法主要为星图识别方法，该方法利用视场内多颗导航星之间的几何信息完成对导航星的识别。近年来广泛研究的全天时短波星敏感器存在视场小、视场内导航星数量少的问题，单一视场内仅存在1-2颗导航星，无法使用星图识别方法进行导航星识别。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出一种小视场星敏感器短波导航星识别方法，以解决如何对视场内导航星进行识别的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种小视场星敏感器短波导航星识别方法，该识别方法包括如下步骤：
S1、解算惯导信息，得到星敏感器的位置信息、姿态信息和UTC时间；
S2、根据天文时间系统计算方法，构建基于儒略日的时间系统并将UTC时间转为儒略日时间：
儒略日时间JDtime的计算公式为：
JDtime＝JD-0.5+hour/24+minute/1440+second/86400
式中：hour、minute、second分别为UTC时间的时、分、秒；
其中，儒略日JD的计算公式为：
JD＝day-32075+1461×(year+4800+(moon-14)/12)/4+367×((moon-2-(moon-14)/12)/12)-3×(((year+4900+(moon-14)/12)/100)/4)
式中：year、moon、day分别为公元历年、月、日；
S3、基于儒略日时间计算星敏感器当前时刻光轴方向对应的赤经赤纬，并据此筛选出可能出现在星敏感器中的导航星：
S3-1、计算星敏感器光轴方向的赤经、赤纬
星敏感器所在位置的赤纬Dec0与当地纬度Lon相同，即
Dec0＝Lon
赤经Ra0的计算公式为
Ra0＝Lat+280.46061837+360.98564736629*JDtime
式中：Lat为当地经度；
计算惯性系空间到当地地理坐标系的姿态转移矩阵Ci n为：
Figure GDA0003567358330000021
解算当地导航坐标系到星敏感器坐标系的姿态转移矩阵Cn s为：
Figure GDA0003567358330000022
式中：θ为星敏感器的俯仰角，γ为星敏感器的滚动角，ψ为星敏感器的航向角；
星敏感器光轴在惯性空间的矢量为：
Figure GDA0003567358330000023
式中：Cn i为Ci n的转置矩阵，Cs n为Cn s的转置矩阵；
根据下述公式解算星敏感器光轴方向的赤经Ra和赤纬Dec为：
Ra＝arctan(Vy/Vx)
Dec＝arcsin(Vz)
S3-2、筛选导航星
令被筛选的导航星的赤经、赤纬为(Ra1,Dec1)，根据下述公式计算该导航星与星敏感器光轴的夹角A：
A＝arccos(cos Ra1 cos Dec1 cos Ra cos Dec+sin Ra1 cos Dec1 sin Ra cosDec+sin Dec1 sin Dec)
若夹角A小于视场角的一半，则该导航星可能进入星敏感器的视场，根据下述公式计算该导航星在星敏感器视场中的位置(u,v)：
Figure GDA0003567358330000031
Figure GDA0003567358330000032
式中：(u0,v0)为星敏感器主点，f为星敏感器焦距；
S4、根据导航星在星敏感器视场中的位置，与真实星点位置对比，若满足阈值要求则完成导航星识别：
根据下述公式计算导航星在星敏感器视场中的位置(u,v)与从图像中提取出的真实星点位置(ut,vt)之间的偏移距离D：
Figure GDA0003567358330000033
若偏移距离D小于阈值Thrd，则选择星等最大的导航星作为导航星最终的识别结果，
其中：Thrd＝δ·f/PixelSize
式中：PixelSize为星敏感器像元尺寸。
(三)有益效果
本发明提出的小视场星敏感器短波导航星识别方法，包括解算惯导信息，得到星敏感器的位置信息、姿态信息和UTC时间；根据天文时间系统计算方法，构建基于儒略日的时间系统并将UTC时间转为儒略日时间；以及基于儒略日时间计算星敏感器当前时刻光轴方向对应的赤经赤纬，并据此筛选出可能出现在星敏感器中的导航星。本发明综合考虑星敏感器与惯导系统一起工作的特点，利用所在平台惯导系统提供的惯导信息，辅助全天时短波星敏感器完成视场内单颗导航星的识别，降低了系统复杂度和功耗，满足天文导航系统的需求。
本发明基于星敏感器实际应用环境，结合平台姿态、位置等信息，解决了全天时短波星敏感器单颗导航星识别的问题，实现了任意姿态下的小视场导航星识别，解决了星敏感器使用前需要进行弹道(飞行轨迹)规划和装载星库的问题，为全天时星敏感器在各平台的应用提供了支持。
附图说明
图1为本发明实施例的短波导航星识别方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例提出一种小视场星敏感器短波导航星识别方法，其流程如图1所示。该识别方法主要包括如下步骤：
S1、解算惯导信息，得到星敏感器的位置信息(经度、纬度、高度)、姿态信息(俯仰、偏航、滚动)和UTC时间；
S2、根据天文时间系统计算方法，构建基于儒略日的时间系统并将UTC时间转为儒略日时间：
儒略日(Julian Day，JD)是指由公元前4713年1月1日协调世界时中午12时开始所经过的天数，用于天文学单一历法，将不同历法的年表统一起来。
儒略日JD的计算公式为：
JD＝day-32075+1461×(year+4800+(moon-14)/12)/4+367×((moon-2-(moon-14)/12)/12)-3×(((year+4900+(moon-14)/12)/100)/4)
式中：year、moon、day分别为公元历年、月、日。
儒略日时间JDtime的计算公式为：
JDtime＝JD-0.5+hour/24+minute/1440+sec ond/86400
式中：hour、minute、second分别为UTC时间的时、分、秒。
S3、基于儒略日时间计算星敏感器当前时刻光轴方向对应的赤经赤纬，并据此筛选出可能出现在星敏感器中的导航星：
S3-1、计算星敏感器光轴方向的赤经、赤纬
星敏感器所在位置的赤纬Dec0与当地纬度Lon一样，即
Dec0＝Lon
星敏感器所在位置的赤经Ra0与当地经度Lat之间的相差为春分点格林时间GHAAries，GHAAries可根据儒略日时间解算，则赤经Ra0的计算公式为
Ra0＝Lat+280.46061837+360.98564736629*JDtime
进而可以计算出惯性系空间到当地地理坐标系的姿态转移矩阵Ci n为：
Figure GDA0003567358330000051
惯导系统可提供星敏感器当前位置的姿态信息，进而可解算出当地导航坐标系到星敏感器坐标系的姿态转移矩阵Cn s为：
Figure GDA0003567358330000052
式中：θ为星敏感器的俯仰角，γ为星敏感器的滚动角，ψ为星敏感器的航向角。
进而可以得到星敏感器光轴在惯性空间的矢量为：
Figure GDA0003567358330000061
式中：Cn i为Ci n的转置矩阵，Cs n为Cn s的转置矩阵。
进而解算得到光轴方向的赤经Ra和赤纬Dec为：
Ra＝arctan(Vy/Vx)
Dec＝arcsin(Vz)
S3-2、筛选导航星
与光轴之间的夹角在视场范围内的导航星可以被观测到，据此可以作为筛选导航星的条件。对于可以进入星敏感器环带视场的导航星，需要进一步计算该导航星在星敏感器视场中的位置，以此作为下一步导航星识别的重要指标。
令被筛选的导航星的赤经、赤纬为(Ra1,Dec1)，首先计算其与星敏感器光轴的夹角A为：
A＝arccos(cos Ra1 cos Dec1 cos Ra cos Dec+sin Ra1 cos Dec1 sin Ra cosDec+sin Dec1 sin Dec)
若夹角A小于视场角的一半，则该导航星可能进入星敏感器的视场，计算该导航星在星敏感器视场中的位置(u,v)为：
Figure GDA0003567358330000062
Figure GDA0003567358330000063
式中：(u0,v0)为星敏感器主点，f为星敏感器焦距。
S4、根据导航星在星敏感器视场中的位置，与真实星点位置对比，若满足阈值要求则完成导航星识别：
导航星识别策略应该兼顾星等Mv和偏移距离D。偏移距离为导航星在视场中的位置(u,v)与从图像中提取出的真实星点位置(ut,vt)之间的距离，其计算公式为：
Figure GDA0003567358330000071
偏移距离D应小于阈值Thrd，该阈值与惯导系统姿态误差δ有关，可由下式计算：
Thrd＝δ·f/PixelSize
式中：PixelSize为星敏感器像元尺寸。
在满足偏移距离条件的前提下，选择星等Mv最大，即最亮的导航星作为导航星最终的识别结果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种小视场星敏感器短波导航星识别方法，其特征在于，所述识别方法包括如下步骤：
S1、解算惯导信息，得到星敏感器的位置信息、姿态信息和UTC时间；
S2、根据天文时间系统计算方法，构建基于儒略日的时间系统并将UTC时间转为儒略日时间：
儒略日时间JDtime的计算公式为：
JDtime＝JD-0.5+hour/24+minute/1440+second/86400
式中：hour、minute、second分别为UTC时间的时、分、秒；
其中，儒略日JD的计算公式为：
JD＝day-32075+1461×(year+4800+(moon-14)/12)/4+367×((moon-2-(moon-14)/12)/12)-3×(((year+4900+(moon-14)/12)/100)/4)
式中：year、moon、day分别为公元历年、月、日；
S3、基于儒略日时间计算星敏感器当前时刻光轴方向对应的赤经赤纬，并据此筛选出可能出现在星敏感器中的导航星：
S3-1、计算星敏感器光轴方向的赤经、赤纬
星敏感器所在位置的赤纬Dec0与当地纬度Lon相同，即
Dec0＝Lon
赤经Ra0的计算公式为
Ra0＝Lat+280.46061837+360.98564736629*JDtime
式中：Lat为当地经度；
计算惯性系空间到当地地理坐标系的姿态转移矩阵Ci n为：
Figure FDA0003567358320000011
解算当地导航坐标系到星敏感器坐标系的姿态转移矩阵Cn s为：
Figure FDA0003567358320000021
式中：θ为星敏感器的俯仰角，γ为星敏感器的滚动角，ψ为星敏感器的航向角；
星敏感器光轴在惯性空间的矢量为：
Figure FDA0003567358320000022
式中：Cn i为Ci n的转置矩阵，Cs n为Cn s的转置矩阵；
根据下述公式解算星敏感器光轴方向的赤经Ra和赤纬Dec为：
Ra＝arctan(Vy/Vx)
Dec＝arcsin(Vz)
S3-2、筛选导航星
令被筛选的导航星的赤经、赤纬为(Ra1,Dec1)，根据下述公式计算该导航星与星敏感器光轴的夹角A：
A＝arccos(cosRa1cosDec1cosRacosDec
+sinRa1cosDec1sinRacosDec+sinDec1sinDec)
若夹角A小于视场角的一半，则该导航星可能进入星敏感器的视场，根据下述公式计算该导航星在星敏感器视场中的位置(u,v)：
Figure FDA0003567358320000023
Figure FDA0003567358320000024
式中：(u0,v0)为星敏感器主点，f为星敏感器焦距；
S4、根据导航星在星敏感器视场中的位置，与真实星点位置对比，若满足阈值要求则完成导航星识别：
根据下述公式计算导航星在星敏感器视场中的位置(u,v)与从图像中提取出的真实星点位置(ut,vt)之间的偏移距离D：
Figure FDA0003567358320000031
若偏移距离D小于阈值Thrd，则选择星等最大的导航星作为导航星最终的识别结果，
其中：Thrd＝δ·f/PixelSize
式中：PixelSize为星敏感器像元尺寸。
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