CN112710307A - 一种基于角测量信息的光导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于角测量信息的光导航系统。在导航区域附近部署不同类型的人造光源载体，在导航用户上搭载光导航接收机，通过光接收机的星地(光源‑接收机)合作观测方法测量人造光源的角度信息，进一步从角测量信息中解算出光接收机的位置与姿态。该方法利用人造光源作为观测，光观测信号能量强，抗干扰能力强，动态范围大；不受自然恒星亮度弱，白天观测性差的影响，可以实现全天时的导航；不依赖其他导航系统的辅助，就可实现位置姿态的确定。

Description

一种基于角测量信息的光导航系统

技术领域

本发明提出一种基于角测量信息的光导航系统，它涉及一种新型导航方法的系统组成，属于导航定位定姿技术领域。

背景技术

目前导航技术蓬勃发展，大体上可以分为惯性导航，全球卫星导航系统，星光导航等等。惯性导航是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，有着隐蔽性好且不受外界电磁干扰的优点，同时可以实现位置、速度、航向和姿态角的连续导航信息，但是导航信息是经过积分产生，导航误差随时间而增大，具有发散性。全球卫星导航系统作为目前最广泛使用的导航手段，其优势非常明显，可以实现全天候条件下的定位定姿授时，但由于其信号能量较弱，且接收装置较容易被干扰，导致其在复杂无线电环境中的应用效果具有很大的不确定性。星光导航是一种以恒星为观测对象的导航方法，星敏感器具有重量轻，体积小，功耗低，精度高，抗干扰能力强等特点。其中伴随着图像传感器和各类图像处理算法的不断发展，星敏感器的姿态测量精度和动态性能都有着很大的提高，目前星敏感器的姿态测量精度已经可以达到 1″，1″，6″(3σ)，动态性能达到10°/s。星光导航已经成为航天器高精度定姿的主要手段，但由于星敏感器观测的是无穷远处的恒星星光，对接收机位置的观测性比较差，此外受背景噪声影响白天可用性低，无法实现全天候的定位定姿。

远距离光观测所需的大功率激光器和中近距离光观测的普通光源可以代替自然恒星作为观测对象，利用测角信息可以同时对姿态和位置进行确定，该方法自主性强，隐蔽性强，抗干扰能力强，也避免了白天对自然恒星观测困难的问题。同时，由于这类光敏感器具有星敏感器相似的特征和优点，方便进行再开发和技术移植，利用人造光源-接收机基线角度信息作为观测对象的新型导航方法的硬件条件已经初具规模，未来甚至可以发展成为不逊色于全球卫星导航系统的新型导航星座。

综上，基于人造光源角测量的导航系统具有巨大的研究与应用价值，本发明提出了一种基于角测量信息的光导航系统。

发明内容

(一)发明目的

本发明提出了一种基于角测量信息的光导航系统。在导航区域附近部署不同类型的人造光源载体，在导航用户上搭载光导航接收机，通过光接收机的星地(光源-接收机)合作观测方法测量人造光源的角度信息，进一步从角测量信息中解算出光接收机的位置与姿态。目的在于提出一种新型导航方案的系统组成和理论基础，实现无 GNSS的全天时位姿确定，丰富现有的导航手段。

(二)技术方案

本发明提出了一种基于角测量信息的光导航系统，具体的技术方案为：光导航系统组成：光源发射设备：人造光源载体、光束发射器、光源摆动振镜；终端设备：光导航接收机、全视场滤光罩、光学镜头、图像传感器、成像及图像处理电路、终端导航模块。人造光源载体中的光束发射器通过光源摆动振镜向不同方向发射光束，使得每颗人造光源载体的覆盖区域扩大到摆角对应的范围内，同时不同导航星上搭载的光束发射器按照时、频、谱周期性编码发射点光束。终端设备上搭载的光导航接收机通过图像传感器记录靶面上光点的质心位置，并由成像与图像处理电路根据时、频、谱解码信息匹配光点与人造光源的编号，从而计算出人造光源载体与光导航接收机构成的基线在接收机的测量坐标系的方位角与高度角信息。然后将角测量信息传递给终端导航模块，实现位置、姿态的单接收机解算。

本发明所述的一种人造光源载体，其特征在于：可以实现导航区域全覆盖，同时可见光源数量不少于3颗，光源功率满足图像传感器全天时成像的光辐射强度要求。

本发明所述的一种光导航接收机，其特征在于：观测方法涉及一种基于光源-接收机合作加密观测方法。全视场滤光罩可以观测全视方向的光信号，具有大视场的特点。成像及图像处理电路储存有每颗人造光源的密钥，通过对视方向高帧速采样，首先经过光点提取和质心定位方法得到光点在图像传感器靶面上的位置，下一步将短时间内多帧图像组合，对相同位置(邻近位置)的光点进行处理，提取出其时频谱信息，接下来将时频谱信息与成像及图像处理电路中储存的人造光源密钥进行匹配，得到图像传感器上光点对应的人造光源载体的编码，最后给出每颗人造光源-光接收机的基线在光接收机测量坐标系中的角度信息。

本发明所述的终端导航模块，其特征在于：由于每颗光源可以提供两维的独立测量，同时观测三颗光源可以实现位置、姿态的单接收机解算。

(三)优点

本发明提供的一种基于角测量信息的光导航系统的优点在于：

①本发明提出的光导航系统不需要其他导航系统的辅助，可以独立完成位置和姿态的求解。

②本发明提出的光导航系统自主性好，抗干扰能力强，动态范围广。

③本发明提出的光导航系统能实现全天时的位姿确定，白天抗背景噪声能力强。

④本发明提出的光导航系统中的接收机可实现小型化，适用于各类用户。

附图说明

图1是本发明所述的基于角测量信息的光导航系统组成图：1-人造光源载体、4-光导航接收机。

图2是本发明所述的光源发射设备的硬件示意图：2-光束发射器、3-光源摆动振镜。

图3是本发明所述的光导航接收机的硬件示意图：5-全视场滤光罩、6-光学镜头、7-图像传感器、8-成像及图像处理电路、9-终端导航模块。

具体实施方式

下面描述为了便于本领域普通技术人员更好理解和实现本发明。以下实例仅作为举例，不应理解为本发明局限于这里描述的示例性实例。

如图1所示，在导航区域附近部署不同类型的人造光源载体1，包括但不限于卫星、飞艇、飞机、无人机、灯塔等。在导航用户上搭载光导航接收机4，光导航接收机可以实现微型化，可应用于各类地面空中设备。

如图2所示，人造光源载体1中的光束发射器2通过光源摆动振镜3向不同方向发射光束，使得每颗人造光源载体1的覆盖区域扩大到摆角对应的范围内，同时摆动频率也具有特异性识别能力。不同导航星上搭载的光束发射器2按照时、频、谱周期性编码发射点光束。

如图3所示，终端设备上搭载的光导航接收机4通过图像传感器7记录靶面上光点的质心位置，并由成像与图像处理电路8根据时、频、谱解码信息匹配光点与人造光源的编号，从而计算出人造光源载体1与光导航接收机4构成的基线在接收机的测量坐标系的方位角与高度角信息。然后将角测量信息传递给终端导航模块9，实现位置、姿态的单接收机解算。

通过上述步骤，本发明提出了一种基于光导航角测量的导航系统。在导航区域附近部署不同类型的人造光源载体，在导航用户上搭载光导航接收机，通过光接收机的星地(光源-接收机)合作观测方法测量人造光源的角度信息，进一步从角测量信息中解算出光接收机的位置与姿态。该方法利用人造光源作为观测，光观测信号能量强，抗干扰能力强，动态范围大；不受自然恒星亮度弱，白天观测性差的影响，可以实现全天时的导航；不依赖其他导航系统的辅助，就可实现位置姿态的同步确定。

Claims (4)

1.一种基于角测量信息的光导航系统，其特征在于：所述光导航系统包括人造光源和光接收机，人造光源包括人造光源载体(卫星，飞艇、无人机，灯塔等)、点波束摆动光束发射器；光接收机包括全视场滤光罩、光学镜头、图像传感器、成像及图像处理电路、终端导航模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于角测量信息的光导航系统，其特征在于：所述的一种人造光源可以实现导航区域全覆盖，同时可见光源数量不少于3颗，光源功率满足图像传感器成像的光辐射强度要求。

3.根据权利要求1所述的一种基于角测量信息的光导航系统，其特征在于：所述的一种地面接收机涉及一种基于光源-接收机合作加密观测方法。全视场滤光罩可以观测全视向的光信号，具有大视场的特点。成像及图像处理电路储存有每颗人造光源的密钥，通过对天顶方向高帧速采样，首先得到光点在图像传感器靶面上的位置，接着通过图像处理提取其时频谱信息，与光源密钥进行匹配得到光点对应的人造光源的编码与位置信息，最后给出每颗人造光源-光接收机基线在光接收机测量坐标系中的角度信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于角测量信息的光导航系统，其特征在于：该系统是基于光源-光接收机基线角测量实现的位姿确定，单颗光源可以提供二维的方位观测信息。

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