CN111637885B - 一种船载白昼星敏感器定位算法 - Google Patents

一种船载白昼星敏感器定位算法 Download PDF

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Abstract

本发明一种船载白昼星敏感器定位算法，步骤如下：(1)星敏感器在不同时刻测量至少两颗恒星矢量，完成位置求解；(2)采用低通滤波器，对更新的位置信息进行滤波，剔除误差大于100m的点，得到星敏感器实际位置，适应船载行驶低速的特点。本发明在观测星较少的前提下，也能计算出精确的地理位置，对惯导系统进行修正。

Description

一种船载白昼星敏感器定位算法
技术领域
本发明涉及一种船载白昼星敏感器定位算法，属于星敏感器领域。
背景技术
随着航海技术的不断应用与发展，舰船对导航信息的精确度要求也愈来愈高。船舶导航参数的确定已经成为导航领域的关键技术，诸多敏感器均可完成导航任务。船载天文组合导航系统一般是通过星敏感器提供精确位置，不断对惯导系统进行位置修正，提高组合导航系统的精度。船舶航行时间较长，为了提高系统导航精度，组合导航系统采用全天时工作星敏感器。
在白昼海面、水平面测量环境下，星敏感器测星能力与太空中相比显著下降，大视场白昼星敏很难解决杂光导致背景饱和的问题，因此白昼星敏相比普通星敏，通常视场较小；同时白昼应用条件下，环境复杂，由于杂光，云等影响，星点与周围像元对比度降低，像平面上提取的星点数量有限。星敏感器如何在单一时刻只能观测1～2颗观测星矢量的前提下，实现精确定位是组合导航系统需要解决的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种天文组合导航安装阵修正方法，在观测星较少的前提下，也能计算出精确的地理位置，对惯导系统进行修正。
本发明的技术方案是：一种船载白昼星敏感器定位算法，步骤如下：
(1)星敏感器在不同时刻测量至少两颗恒星矢量，完成位置求解；
(2)采用低通滤波器，对更新的位置信息进行滤波，剔除误差大于100m的点，得到星敏感器实际位置，适应船载行驶低速的特点。
所述步骤(1)的具体过程为：
11)将星敏测量矢量转移到准地理坐标系下；
Figure BDA0002488373050000021
其中Vs为恒星观测矢量,Am为星敏感器和惯导之间的安装矩阵，
Figure BDA0002488373050000022
为从惯导测量坐标系到准地理坐标系的旋转矩阵，该旋转阵由惯导姿态决定，地心矢量在准地理坐标系中为[0 0 1]T，VN为准地理坐标系下的星敏观测矢量
12)设星敏惯性矢量在惯性下为Vi，将地心矢量转移到惯性坐标系下；
Figure BDA0002488373050000023
其中Vei为惯性坐标系下的地心矢量，
Figure BDA0002488373050000024
为地理坐标系到地球固联坐标系的旋转矩阵，由地理经纬度决定，
Figure BDA0002488373050000025
为地球固联坐标系到地心惯性系的旋转矩阵，由UTC时间决定；
13)地心矢量与恒星矢量在准地理坐标系和惯性系中夹角相等，则有方程
Figure BDA0002488373050000026
设载体的纵摇角θ和横摇角ε则有下式
Figure BDA0002488373050000027
设载体所在经度为λ，载体所在纬度为
Figure BDA00024883730500000212
Figure BDA0002488373050000028
整理可得方程组
Figure BDA0002488373050000029
其中
Figure BDA00024883730500000210
为第n颗观测星从准地理坐标系到惯导系的旋转矩阵，Vsn为第n颗观测星的测量矢量，
Figure BDA00024883730500000211
为第n颗观测星矢量从惯性系到地球固联坐标系的旋转矩阵。
在求解方程组的过程中，组合系统在测量过程中的位置变化通过惯导的测量值进行补偿，利用惯导位置的变化量，将不同星敏观测导航星时刻的载体位置用第一颗导航星观测时刻载体的位置加上惯导位置的变化量来表示。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)这种船载白昼星敏感器定位算法，相比普通天文组合导航系统，可以在白昼观测星数量少的前提下计算出精确的地理位置，在船舶等平台的天文组合导航系统中有广泛的应用前景。
(2)一般船载天文\惯性组合导航系统中星敏感器位置计算都要求星敏感器视场内同时测得多颗星，对星敏感器的灵敏度提出了很高的要求；星敏感器要实现全天时工作，尺寸和重量都比较大。本发明提出的这种船载白昼星敏感器定位算法，同一时刻星敏感器视场里观测到一颗恒星，即可以满足需求，减小了星敏的尺寸和重量，同时利用了惯导水平姿态角测量值精度较高的特点，计算精确的地理位置，对惯导系统进行修正。
(3)由于船体运动，不同时刻观测星位置有所差别，星敏感器利用惯导数据进行位置补偿，提高动态性能；
(4)设计了基于低速载体滤波模块，滤去因观测星测量误差较大引起的位置偏离值，提高了星敏的船载适应性。
附图说明
图1为本发明定位算法的详细过程图。
图2为地球固联坐标系下星敏定位原理示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
图2中Svecor1、Svector2为星敏感器观测恒星矢量，θ1、θ2为星敏感器测量坐标系下，恒星观测矢量和地心矢量方向的夹角，可知在已知UTC时间、地心方向、初始位置的的前提下，观测到两颗不同的恒星矢量，既可以解算出地理位置。
如图1所示，下面具体介绍该定位算法的详细过程。
(1)将星敏测量矢量转移到准地理坐标系下，其中Vs为恒星观测矢量,Am为星敏感器和惯导之间的安装矩阵，
Figure BDA0002488373050000041
为从惯导测量坐标系到准地理坐标系的旋转矩阵，该旋转阵由惯导姿态决定，地心矢量在准地理坐标系中为[0 0 1]T
Figure BDA0002488373050000042
设星敏惯性矢量在惯性下为Vi，将地心矢量转移到惯性坐标系下，其中
Figure BDA0002488373050000048
为地理坐标系到地球固联坐标系的旋转矩阵，由地理经纬度决定，
Figure BDA0002488373050000049
为地球固联坐标系到地心惯性系的旋转矩阵，由UTC时间决定，
Figure BDA0002488373050000043
其中Vei为惯性坐标系下的地心矢量。
在不考虑星敏测量误差的前提下，地心矢量与恒星矢量在准地理坐标系和惯性系中夹角相等，则有方程
Figure BDA0002488373050000044
设载体的纵摇角θ和横摇角ε则有(4)式，可以看出在位置求解过程中，只需要用到惯导姿态的水平角，惯导姿态测量数据中，水平角误差较小，偏航角误差较大，因此可以直接把惯导水平角测量数据作为真实值。
Figure BDA0002488373050000045
设载体所在经度为λ，载体所在纬度为
Figure BDA0002488373050000046
Figure BDA0002488373050000047
将(3)式整理可得方程组
Figure BDA0002488373050000051
其中
Figure BDA0002488373050000052
为第n颗观测星从准地理坐标系到惯导系的旋转矩阵，Vsn为第n颗观测星的测量矢量，
Figure BDA0002488373050000053
为第n颗观测星矢量从惯性系到地球固联坐标系的旋转矩阵。可以看出方程组(6)中只有两个未知数，星敏在不同时刻测量至少两颗恒星矢量，即可完成位置求解。
在求解(6)式的过程中，组合系统在测量过程中的位置变化通过惯导的测量值进行补偿，利用惯导位置的变化量，将不同星敏观测导航星时刻的载体位置用第一颗导航星观测时刻载体的位置加上惯导位置的变化量来表示。
(2)位置计算完成后，采用低通滤波器，对更新的位置信息进行滤波，剔除误差大于100m的点，适应船载行驶低速的特点。
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 (1)

1.一种船载白昼星敏感器定位算法，其特征在于步骤如下：
(1)星敏感器在不同时刻测量至少两颗恒星矢量，完成位置求解；
(2)采用低通滤波器，对更新的位置信息进行滤波，剔除误差大于100m的点，得到星敏感器实际位置，适应船载行驶低速的特点；
所述步骤(1)的具体过程为：
11)将星敏测量矢量转移到准地理坐标系下；
12)设星敏惯性矢量在惯性下为Vi，将地心矢量转移到惯性坐标系下；
13)根据地心矢量与恒星矢量在准地理坐标系和惯性系中夹角相等的原理，计算得到方程组；
所述步骤11)的具体形式为：
Figure FDA0003204775070000011
其中Vs为恒星观测矢量,Am为星敏感器和惯导之间的安装矩阵，
Figure FDA0003204775070000012
为从惯导测量坐标系到准地理坐标系的旋转矩阵，该旋转阵由惯导姿态决定，地心矢量在准地理坐标系中为[00 1]T，VN为准地理坐标系下的星敏观测矢量；
所述步骤12)的具体形式为：
Figure FDA0003204775070000013
其中Vei为惯性坐标系下的地心矢量，
Figure FDA0003204775070000014
为地理坐标系到地球固联坐标系的旋转矩阵，由地理经纬度决定，
Figure FDA0003204775070000015
为地球固联坐标系到地心惯性系的旋转矩阵，由UTC时间决定；
在求解方程组的过程中，组合系统在测量过程中的位置变化通过惯导的测量值进行补偿，利用惯导位置的变化量，将不同星敏观测导航星时刻的载体位置用第一颗导航星观测时刻载体的位置加上惯导位置的变化量来表示；
所述步骤13)的具体过程为：
由于地心矢量与恒星矢量在准地理坐标系和惯性系中夹角相等，则
Figure FDA0003204775070000021
设载体的纵摇角θ和横摇角ε则有下式
Figure FDA0003204775070000022
设载体所在经度为λ，载体所在纬度为
Figure FDA0003204775070000023
Figure FDA0003204775070000024
整理可得方程组
Figure FDA0003204775070000025
其中
Figure FDA0003204775070000026
为第n颗观测星从准地理坐标系到惯导系的旋转矩阵，Vsn为第n颗观测星的测量矢量，
Figure FDA0003204775070000027
为第n颗观测星矢量从惯性系到地球固联坐标系的旋转矩阵。
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