CN115096316A - 一种基于天文/惯性组合的全天时全球定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于天文/惯性组合的全天时全球定位系统及方法，所述的定位系统包括天文导航系统、惯性导航系统和时钟系统。所述的惯性导航系统为天文导航系统中的星敏感器和太阳敏感器提供水平和方位信息，用于确定观测天体的高度角和方位角。所述的时钟系统为所述的定位系统提供高精度的时钟和统一的时间。所述的天文导航系统包括星敏感器、太阳敏感器、偏振光传感器和数据处理单元，天文导航系统接收惯性导航系统的水平和方位信息，接收时钟系统的时钟用于系统时钟同步，计算全球绝对位置，无需任何起始位置的先验知识。是一种天文/惯性组合的全天时、全自主、全天候的全球定位系统及方法，解决现有导航定位容易被干扰的技术问题。

Description

一种基于天文/惯性组合的全天时全球定位系统及方法

技术领域

本发明涉及导航定位技术领域，特别涉及一种基于天文/惯性组合的全天时全球定位系统及方法。

背景技术

卫星导航系统(GNSS)是通过接收多颗在轨卫星的无线电信号，经过计算得到导航参数。具有定位精度高、误差不随时间积累，可以全天候连续导航的优点。多年以来，已成为广泛应用的导航和定位源。然而，针对GNSS信号干扰和诱骗的风险越来越来大，已经影响到无人机等多个领域。此外，针对大气层内诸如飞机、舰船、车辆等载体，在某些极端场合需要导航定位的隐蔽性、可靠性和实时性，从而对导航定位系统提出了全自主、全天时和全天候的要求。

现代导航领域主要的自主导航方式有惯性导航系统(INS)、天文导航系统(CNS)等。其中，惯性导航系统(INS)依靠自身加速计和陀螺仪来测量物体的加速度和角速度，通过解算得到相关导航参数。它不依赖于外部信息，不向外部辐射能量，也不受外界天气状况影响，具有很好的自主性、隐蔽性等优点。但是由于计算过程采用积分运算导致误差随时间积累，短时精度高，长时间使用必须由外部进行校正。天文导航系统(CNS)是一种古老而又现代的导航方式，通过观测已知天体或天体的光线在大气的某些特征，求解出天体目标的高度和方位，根据天体运行规律解和时间解算出导航参数，比如载体的位置和航向。天文导航具有精度高，被动无源、应用广泛，误差不随时间积累的优点，但是，在大气层内使用时会受到天气的影响，天气的变化会使导航参数输出可能是间断的。

因此，若采用天文导航系统(CNS)间断的高精度导航数据去校正惯性导航系统(INS)随时间积累的误差，利用惯性、天文二者组合进行导航定位定向，实现二者的优势互补。不仅可以提供高精度导航数据，而且也可以实现导航方式的隐蔽性、可靠性和实时性，满足极端条件下的导航定位定向要求。

传统采用天文/惯性组合导航系统为了适应全天时应用，天文导航采用全天时星敏感器。在白昼时天空背景亮度较高，恒星能量相对较弱，全天时星敏感器为了能透过大气层内的杂散光观测到微弱的星光，采用的技术手段有三种：一是通过减小星敏感器的光学视场的方式，即减小视场可以提高对恒星的探测能力；二是采用光谱滤波的方式，所谓光谱滤波就是根据探测目标与天空背景的光谱辐射差异，采用合适的带通滤光片选通特定的光谱波段来观测恒星，最大限度地减少背景光对探测目标的影响，提高目标探测的信噪比；三是采用干涉测量技术，即通过光栅观测恒星的干涉条纹，然后进行调制解调来获取星点坐标。

综合分析以上全天时星敏感器采用的三种技术手段，所需解决的难点都是在白昼工作时如何避开能量高的太阳辐射背景光而观测到能量微弱的星光，利用观测的恒星进行天文导航，这就导致其光学结构设计复杂、尺寸大、成本高,而且拍摄到的星图噪声大、信噪比低，所需的星点提取算法复杂。仔细分析，白天观测星光也是为了利用已知天体进行天文导航。然而，在白昼时太阳能量强而且容易观测，与地球的相对位置运动变化规律也已知，具备天文导航的条件，那么白昼通过观测太阳进行天文导航显然是一个便捷而有效的选择。所以，通过白天观测太阳、夜间观测星星进行天文和惯性组合的全球导航定位是本专利的出发点。

众所周知，对于给定的日期、时间，以及观测地点和方向，天空中已知天体的位置是唯一的。因此，如果能观测到已知天体的方位和高度，根据观测日期和时间，我们可以推算出观测者的位置，即经度和纬度。

综上所述，在卫星导航系统(GNSS)不可用时，或者对导航定位系统有隐蔽性、可靠性和实时性要求的场合，设计一种白天利用太阳，晚上利用星星的天文导航，并与惯性导航进行组合，进行全天时全球定位的导航系统具有重要的理论和实际意义。

发明内容

为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种基于天文/惯性组合的全天时全球定位系统及方法，是一种天文/惯性组合的全天时、全自主、全天候的全球定位系统及方法，解决现有导航定位容易被干扰的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于天文/惯性组合的全天时全球定位系统，所述的定位系统包括天文导航系统、惯性导航系统和时钟系统。

所述的惯性导航系统为天文导航系统中的星敏感器和太阳敏感器提供水平和方位信息，用于确定观测天体的高度角和方位角。

所述的时钟系统为所述的定位系统提供高精度的时钟和统一的时间。

所述的天文导航系统包括星敏感器、太阳敏感器、偏振光传感器和数据处理单元，天文导航系统接收惯性导航系统的水平和方位信息，接收时钟系统的时钟用于系统时钟同步，计算全球绝对位置，无需任何起始位置的先验知识。

所述的一种基于天文/惯性组合的全天时全球定位系统的定位方法，所述的定位方法利用惯性导航系统为天文导航系统中的星敏感器和太阳敏感器提供水平和方位信息，用于确定观测天体的高度角和方位角；利用时钟系统为所述的定位系统提供高精度的时钟和统一的时间；利用天文导航系统接收惯性导航系统的水平和方位信息，接收时钟系统的时钟用于系统时钟同步，计算全球绝对位置，无需任何起始位置的先验知识；

所述的定位方法在白天利用偏振光传感器单独定位，或者利用太阳敏感器和惯性组合实现定位；在夜间利用星敏感器和惯性组合实现定位。

进一步地，在白天，所述的利用偏振光传感器单独定位的方法具体包括如下：

1)偏振光传感器拍摄天空图像，每次拍摄0°、45°、90°、135°四个偏振方向的图像；

2)利用斯托克斯计算公式计算斯托克斯向量S0、S1、S2和偏振度DoLP、偏振角AoP；

3)通过对偏振角AoP图像进行Hough变换，获取太阳位置，即方位角和高度角；

4)根据当前时刻格林尼治世界时的生成太阳与地球相对位置模型并求解；

5)得到观测点的经纬度。

进一步地，在白天，所述的利用太阳敏感器和惯性组合实现定位的方法具体包括如下：

1)太阳敏感器拍摄天空图像，并对拍摄的图像按照给定阈值提取质心；

2)判断太阳是否在视场内，如果是转到第3)步，否则回到第1)步；

3)求得太阳在本体坐标系的太阳方向矢量；

4)根据惯性导航提供的水平姿态，将第3)步求得的太阳方向矢量转换到当地地理系，求得太阳高度角和方位角；

5)提取时钟系统当前的世界时，确定此时太阳和地球相对位置模型，并根据第4)步求得的太阳高度角和方位角进行经纬度解算；

6)求得观测点的经纬度。

进一步地，在夜间，所述的利用星敏感器和惯性组合实现定位的方法具体包括如下：

1)星敏感器拍摄夜空图像；

2)对拍摄到的星空图像按照给定的阈值进行星点提取，去除伪星，将星点个数和对应坐标发给数据处理单元；

3)数据处理单元对星点数进行判断，判断星点数是否大于等于3，如果是转到下一步，否则回到第1)步；

4)根据星点坐标求得星点之间的对角距，与星库中的数据进行比对，通过三角形匹配算法进行星图识别，通过ESOQ2算法获取星敏感器相对惯性空间的姿态；

5)根据惯性导航提供的当地地理垂线和格林尼治世界时，求得观测点的经纬度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一：本方法利用惯性传感器提供方向，根据日期/时间的时钟，使用天体目标进行定位，用于计算全球绝对位置，而无需任何起始位置的先验知识。

第二：本方法采用的技术可以24小时运行。

第三：本方法提供了无漂移的位置解决方案。

第四：本方法所采用的导航方式是被动的，因此无法检测到，不会受磁干扰影响，而且不会被拒绝或欺骗。

第五：可以在各种云的天气条件下运行，可以在地球上包括在高海拔地区、北极和南极附近的任何地方运行。

附图说明

图1是本发明的一种基于天文/惯性组合的全天时全球定位系统图；

图2是本发明的利用偏振光传感器单独定位的方法流程图；

图3是本发明的利用太阳敏感器和惯性组合实现定位的方法流程图；

图4是本发明的利用星敏感器和惯性组合实现定位的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种基于天文/惯性组合的全天时全球定位系统，包括天文导航系统、惯性导航系统和时钟系统。

所述的惯性导航系统为天文导航系统中的星敏感器和太阳敏感器提供水平和方位信息，用于确定观测天体的高度角和方位角。

所述的时钟系统为所述的定位系统提供高精度的时钟和统一的时间。

所述的天文导航系统接收惯性导航系统的水平和方位信息，接收时钟系统的时钟用于系统时钟同步，计算全球绝对位置，无需任何起始位置的先验知识。

所述的天文导航系统包括星敏感器、太阳敏感器、偏振光传感器和数据处理单元。

星敏感器为纳型星敏感器，视场为14°×14°，工作在可见光波段450nm～750nm。星敏感器结构由遮光罩、光学镜头、光电探测器、焦平面成像电路组成。遮光罩是在拍摄星星时用于抑制杂散光。光学镜头采用折射结构的光学系统，将星光的能量汇聚到焦平面的光电探测器上。光电探测器将汇聚的星点能量转化为电信号，焦平面成像电路将含有星点的夜空图像的电信号按照像素进一步逐一传输给天文导航系统的数据处理单元。数据处理单元对含有星点的图像进行星点提取，计算星点之间对角距，并在存储器中的星库中进行查找，进行星图匹配和姿态解算，获得星敏感器相对惯性空间的姿态。根据惯性导航提供的当地垂线，以及观测时的日期和时间，解算出当地的经度和纬度，实现夜间全球定位。

太阳敏感器与星敏感器是工作在两个时段，只是光照强度不同，所以太阳敏感器与星敏感器共用一套硬件系统，仅在星敏感器遮光罩前端加太阳滤光片实现。滤光片的开启和关闭，由数据处理单元根据白天和黑夜之间的更迭发出开关指令，白天时滤光片打开观测太阳，夜间时关闭滤光片观测星星。在白天定位时，若太阳在视场内，拍摄到含有太阳的图像，提取太阳质心，计算太阳方向矢量。根据惯性导航提供的当地地理水平，获得太阳高度角和方位角，根据太阳地球之间相对位置和格林尼治世界时间求得到观测点的经度和纬度。

偏振光传感器是用于测量大气偏振光特性的系统，用于采集大气偏振图。包括滤光片、光学镜头、四通道偏振片、光电传感器、焦平面电路。其中滤光片为500nm到550nm波段的带通滤光片，光学镜头为一系列光学组件，把入射视场分成四个相同的视场，分别投射到光电探测器前面的四个偏振片上。四个偏振片的偏振角度分别为0°、45°、90°、135°，经过偏振片的四个视场的能量分别汇聚在光电探测器的四个象限，所拍摄的图像即为四个方向的天空偏振图。焦平面电路将光电探测器的图像的电信号按照像素逐一传输给天文导航系统的数据处理单元。数据处理单元按照像素将根据观测点的天空偏振图求解斯托克斯向量S0、S1、S2和偏振度DoLP、偏振角AoP，运用Hough变换原理求得太阳高度角和方位角。利用当前时刻的太阳与地球相对位置模型，结合观测点格林尼治时间求得观测点的经度和纬度。

天文导航系统中的数据处理单元包括嵌入式DSP处理器和数据存储器Flash、SRAM，通过扩展的RS422串口与星敏感器、太阳敏感器、偏振光传感器，以及惯性系统和时钟系统进行数据传输。其中嵌入式DSP处理器负责的任务有：星敏感器的星点提取、星图匹配和姿态解算等；太阳敏感器的质心提取、太阳方向矢量运算和坐标系转换；偏振光传感器的斯托克斯向量S0、S1、S2和偏振度DoLP、偏振角AoP解算以及太阳位置解算等；接收惯性导航系统的水平和方位信息；接收时钟系统的时钟和格林尼治世界时用于系统时钟同步；太阳滤光片的打开和关闭。数据存储器Flash存储有全天球亮度大于6.5等恒星的导航星库、太阳与地球相对位置模型等数据。

惯性导航系统为捷联惯性导航系统，为星敏感器和太阳敏感器提供水平和方位信息，用于确定观测天体的高度角和方位角。

时钟系统包括恒温晶振，格林尼治世界时计时电路，为系统提供高精度的时钟和统一的时间。

所述的一种基于天文/惯性组合的全天时全球定位系统的定位方法，所述的定位方法利用惯性导航系统为天文导航系统中的星敏感器和太阳敏感器提供水平和方位信息，用于确定观测天体的高度角和方位角；利用时钟系统为所述的定位系统提供高精度的时钟和统一的时间；利用天文导航系统接收惯性导航系统的水平和方位信息，接收时钟系统的时钟用于系统时钟同步，计算全球绝对位置，无需任何起始位置的先验知识。

所述的定位方法在白天利用偏振光传感器单独定位，或者利用太阳敏感器和惯性组合实现定位；在夜间利用星敏感器和惯性组合实现定位。

如图2所示，在白天，所述的利用偏振光传感器单独定位的方法具体包括如下：

1)偏振光传感器拍摄天空图像，每次拍摄0°、45°、90°、135°四个偏振方向的图像；

2)利用斯托克斯计算公式计算斯托克斯向量S0、S1、S2和偏振度DoLP、偏振角AoP；

3)通过对偏振角AoP图像进行Hough变换，获取太阳位置，即方位角和高度角；

4)根据当前时刻格林尼治世界时的生成太阳与地球相对位置模型并求解；

5)得到观测点的经纬度。

如图3所示，在白天，所述的利用太阳敏感器和惯性组合实现定位的方法具体包括如下：

1)太阳敏感器拍摄天空图像，并对拍摄的图像按照给定阈值提取质心；

2)判断太阳是否在视场内，如果是转到第3)步，否则回到第1)步；

3)求得太阳在本体坐标系的太阳方向矢量；

4)根据惯性导航提供的水平姿态，将第3)步求得的太阳方向矢量转换到当地地理系，求得太阳高度角和方位角；

5)提取时钟系统当前的世界时，确定此时太阳和地球相对位置模型，并根据第4)步求得的太阳高度角和方位角进行经纬度解算；

6)求得观测点的经纬度。

如图4所示，在夜间，所述的利用星敏感器和惯性组合实现定位的方法具体包括如下：

1)星敏感器拍摄夜空图像；

2)对拍摄到的星空图像按照给定的阈值进行星点提取，去除伪星，将星点个数和对应坐标发给数据处理单元；

3)数据处理单元对星点数进行判断，判断星点数是否大于等于3，如果是转到下一步，否则回到第1)步；

4)根据星点坐标求得星点之间的对角距，与星库中的数据进行比对，通过三角形匹配算法进行星图识别，通过ESOQ2算法获取星敏感器相对惯性空间的姿态；

5)根据惯性导航提供的当地地理垂线和格林尼治世界时，求得观测点的经纬度。

本方法利用惯性传感器提供方向，根据日期/时间的时钟，使用天体目标进行定位，用于计算全球绝对位置，而无需任何起始位置的先验知识。本方法采用的技术可以24小时运行。本方法提供了无漂移的位置解决方案。本方法所采用的导航方式是被动的，因此无法检测到，不会受磁干扰影响，而且不会被拒绝或欺骗。可以在各种云的天气条件下运行，可以在地球上包括在高海拔地区、北极和南极附近的任何地方运行。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (5)

1.一种基于天文/惯性组合的全天时全球定位系统，其特征在于，所述的定位系统包括天文导航系统、惯性导航系统和时钟系统；

所述的惯性导航系统为天文导航系统中的星敏感器和太阳敏感器提供水平和方位信息，用于确定观测天体的高度角和方位角；

所述的时钟系统为所述的定位系统提供高精度的时钟和统一的时间；

所述的天文导航系统包括星敏感器、太阳敏感器、偏振光传感器和数据处理单元，天文导航系统接收惯性导航系统的水平和方位信息，接收时钟系统的时钟用于系统时钟同步，计算全球绝对位置，无需任何起始位置的先验知识。

2.权利要求1所述的一种基于天文/惯性组合的全天时全球定位系统的定位方法，其特征在于，所述的定位方法利用惯性导航系统为天文导航系统中的星敏感器和太阳敏感器提供水平和方位信息，用于确定观测天体的高度角和方位角；利用时钟系统为所述的定位系统提供高精度的时钟和统一的时间；利用天文导航系统接收惯性导航系统的水平和方位信息，接收时钟系统的时钟用于系统时钟同步，计算全球绝对位置，无需任何起始位置的先验知识；

所述的定位方法在白天利用偏振光传感器单独定位，或者利用太阳敏感器和惯性组合实现定位；在夜间利用星敏感器和惯性组合实现定位。

3.根据权利要求2所述的一种基于天文/惯性组合的全天时全球定位系统的定位方法，其特征在于，在白天，所述的利用偏振光传感器单独定位的方法具体包括如下：

1)偏振光传感器拍摄天空图像，每次拍摄0°、45°、90°、135°四个偏振方向的图像；

2)利用斯托克斯计算公式计算斯托克斯向量S0、S1、S2和偏振度DoLP、偏振角AoP；

3)通过对偏振角AoP图像进行Hough变换，获取太阳位置，即方位角和高度角；

4)根据当前时刻格林尼治世界时的生成太阳与地球相对位置模型并求解；

5)得到观测点的经纬度。

4.根据权利要求2所述的一种基于天文/惯性组合的全天时全球定位系统的定位方法，其特征在于，在白天，所述的利用太阳敏感器和惯性组合实现定位的方法具体包括如下：

1)太阳敏感器拍摄天空图像，并对拍摄的图像按照给定阈值提取质心；

2)判断太阳是否在视场内，如果是转到第3)步，否则回到第1)步；

3)求得太阳在本体坐标系的太阳方向矢量；

4)根据惯性导航提供的水平姿态，将第3)步求得的太阳方向矢量转换到当地地理系，求得太阳高度角和方位角；

5)提取时钟系统当前的世界时，确定此时太阳和地球相对位置模型，并根据第4)步求得的太阳高度角和方位角进行经纬度解算；

6)求得观测点的经纬度。

5.根据权利要求2所述的一种基于天文/惯性组合的全天时全球定位系统的定位方法，其特征在于，在夜间，所述的利用星敏感器和惯性组合实现定位的方法具体包括如下：

1)星敏感器拍摄夜空图像；

2)对拍摄到的星空图像按照给定的阈值进行星点提取，去除伪星，将星点个数和对应坐标发给数据处理单元；

3)数据处理单元对星点数进行判断，判断星点数是否大于等于3，如果是转到下一步，否则回到第1)步；

4)根据星点坐标求得星点之间的对角距，与星库中的数据进行比对，通过三角形匹配算法进行星图识别，通过ESOQ2算法获取星敏感器相对惯性空间的姿态；

5)根据惯性导航提供的当地地理垂线和格林尼治世界时，求得观测点的经纬度。

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