CN115326059B - 基于已知空间目标双方向矢量观测的自主导航方法 - Google Patents

基于已知空间目标双方向矢量观测的自主导航方法 Download PDF

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CN115326059B CN202211263794.1A CN202211263794A CN115326059B CN 115326059 B CN115326059 B CN 115326059B CN 202211263794 A CN202211263794 A CN 202211263794A CN 115326059 B CN115326059 B CN 115326059B
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Abstract

本发明提供一种基于已知空间目标双方向矢量观测的自主导航方法：利用双视场星敏感器对两个不同方向的已编目空间目标进行观测，根据观测图像分别获取两个空间目标在星敏感器像平面的坐标；利用观测图像中的背景恒星与恒星星表进行匹配，分别获得星敏感器两个视场的光轴在惯性空间中的指向；根据空间目标的像平面坐标和星敏感器光轴指向，分别计算两个空间目标相对于星敏感器的方向矢量；根据两个空间目标的方向矢量以及星敏感器的预估位置，在已知空间目标编目数据库中对两个空间目标进行识别，获得两个空间目标的轨道位置信息；根据两个空间目标的轨道位置信息及其相对于星敏感器的方向矢量，解算出星敏感器的位置；该方法能提高定位精度。

Description

基于已知空间目标双方向矢量观测的自主导航方法
技术领域
本发明涉及导航技术领域，具体涉及一种基于已知空间目标双方向矢量观测的自主导航方法。
背景技术
自主导航是指运动载体在不依赖外部支持的情况下，仅利用自身携带的测量设备实时确定自身相对某个坐标系的位置、姿态和速度。自主导航技术广泛应用于航天器、临近空间飞行器等任务领域。
目前常用自主导航技术主要包括惯性导航和卫星导航。惯性导航具有完全自主性的独特优势，但惯性导航的系统误差会随运行时间不断增大，需要其他导航信息进行修正。卫星导航可以提供高精度的定位导航服务，但其不具备完全的自主性，在高强度对抗条件下，卫星导航系统存在精度下降甚至失效的可能性。
空间目标包括绕地球飞行的卫星、空间碎片等物体，现有空间态势感知系统已对大部分空间目标进行编目，构建其轨道信息数据库并定期更新。位置已知的空间目标可以作为导航信息源，对此现有技术中已经衍生出众多的导航方案。
申请号为CN202110484592.9的中国专利申请公开了一种基于人造卫星的星光定位导航方法，但是该方法中，要求星敏感器同时观测多个星历已知的卫星，对于星敏感器的视场个数或视场范围存在较高的要求，严重制约了基于已知卫星观测自主导航方法的实际应用。
申请号为CN201610693831.0的中国专利申请公开了一种基于卫星识别的星敏感器自主导航方法，该方法中利用包含已知卫星和恒星的融合星图与星敏感器观测图像进行匹配，以实现对已知卫星目标的识别。但实际星敏感器观测所得图像中，若观测低轨卫星，由于卫星与星敏感器之间相对角速度较大，卫星星象一般不为点状，导致融合星图匹配的难度较大；若观测高轨卫星，由于卫星与星敏感器之间相对角速度较小，会导致系统可观性较差，导航精度受限。
现有技术中基于空间目标的导航方法或多或少存在一些弊端亟待改进，因此需要一种基于已知空间目标双方向矢量观测的自主导航方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于已知空间目标双方向矢量观测的自主导航方法，旨在解决现有导航方法对星敏感器的视角个数或视场范围存在较高要求，以及观测的空间目标识别存在困难导致导航精度受限的问题，具体技术方案如下：
一种基于已知空间目标双方向矢量观测的自主导航方法，具体步骤如下：
步骤S1：利用双视场星敏感器对两个不同方向的已编目空间目标进行观测，根据观测图像分别获取两个空间目标在星敏感器像平面的坐标；
步骤S2：利用观测图像中的背景恒星与恒星星表进行匹配，分别获得星敏感器两个视场的光轴在惯性空间中的指向；
步骤S3：根据空间目标的像平面坐标和星敏感器光轴指向，分别计算两个空间目标相对于星敏感器的方向矢量；
步骤S4：根据两个空间目标的方向矢量以及星敏感器的预估位置，在已知空间目标编目数据库中对两个空间目标进行识别，获得两个空间目标的轨道位置信息；
步骤S5：根据两个空间目标的轨道位置信息及其相对于星敏感器的方向矢量，解算出星敏感器的位置。
以上技术方案中优选的，所述步骤S3具体是：
根据空间目标的像平面坐标以及星敏感器光轴在惯性空间中的指向，计算出两个空间目标的天球坐标，分别记为
Figure 63978DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 536548DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 259784DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 185015DEST_PATH_IMAGE004
为分别为两个空间目标的赤经，
Figure 409323DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 736399DEST_PATH_IMAGE006
分别为两个空间目标的赤纬；
则两个空间目标相对于星敏感器的方向矢量
Figure 630537DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 43063DEST_PATH_IMAGE008
分别表示为：
Figure 805483DEST_PATH_IMAGE009
Figure 987066DEST_PATH_IMAGE010
。
以上技术方案中优选的，所述步骤S4具体是：
根据两个观测的空间目标的方向矢量以及星敏感器的预估位置构造观测三角形，在已知空间目标编目数据库中任选两个空间目标，同样与星敏感器的预估位置构成模板三角形；将观测三角形与模板三角形进行匹配，实现在已知空间目标编目数据库中对两个观测的空间目标进行识别，从而分别获得两个观测的空间目标相对于地心惯性系的位置矢量
Figure 583263DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 483086DEST_PATH_IMAGE012
。
以上技术方案中优选的，所述星敏感器的预估位置由惯性导航提供。
以上技术方案中优选的，所述步骤S5中根据下式计算星敏感器的位置矢量：
Figure 49197DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 85286DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 586805DEST_PATH_IMAGE015
分别为两个空间目标相对于地心惯性系的位置矢量；
Figure 973924DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 78147DEST_PATH_IMAGE017
分别为两个空间目标到星敏感器的距离；
Figure 234322DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 906742DEST_PATH_IMAGE019
分别为两个空间目标相对于星敏感器的方向矢量。
以上技术方案中优选的，
Figure 515578DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 689071DEST_PATH_IMAGE017
的计算方法如下：
构建两个空间目标、星敏感器以及地心之间的几何位置关系，其中：将空间目标1到星敏感器的距离记为
Figure 699752DEST_PATH_IMAGE016
，将空间目标2到星敏感器的距离记为
Figure 543074DEST_PATH_IMAGE017
，将空间目标1与空间目标2之间的距离记为
Figure 639206DEST_PATH_IMAGE020
，将
Figure 85231DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure 215998DEST_PATH_IMAGE017
之间的夹角记为
Figure 230222DEST_PATH_IMAGE021
，将
Figure 813650DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure 63365DEST_PATH_IMAGE020
之间的夹角记为
Figure 48639DEST_PATH_IMAGE022
，将
Figure 210326DEST_PATH_IMAGE017
与
Figure 281051DEST_PATH_IMAGE020
之间的夹角记为
Figure 334457DEST_PATH_IMAGE023
，则有：
Figure 174237DEST_PATH_IMAGE024
根据三角形正弦定理，得：
Figure 530263DEST_PATH_IMAGE025
Figure 822704DEST_PATH_IMAGE026
。
以上技术方案中优选的，所述步骤S5具体如下：
建立两个空间目标方向矢量的观测方程：
Figure 679802DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 374088DEST_PATH_IMAGE028
为观测噪声；
Figure 901016DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 946332DEST_PATH_IMAGE030
分别为两个空间目标相对于地心惯性系的位置矢量；
Figure 341542DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 890335DEST_PATH_IMAGE032
分别为两个空间目标相对于星敏感器的方向矢量；
根据该观测方程，利用非线性最小二乘算法解算出星敏感器的位置矢量
Figure 853742DEST_PATH_IMAGE033
。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
本发明的自主导航方法，利用双视场星敏感器同时观测两个不同方向的空间目标，改善了导航系统可观性，可大幅提高定位精度。同时，利用星敏感器和两个观测的空间目标构成观测三角形，将星敏感器与已知空间目标编目数据库中的任意两个空间目标构成模板三角形，利用观测三角形与模板三角形进行匹配，实现在已知空间目标编目数据库中对两个观测的空间目标进行识别，该识别解算过程简单且识别速度快。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明自主导航方法的流程图；
图2是几何法进行星敏感器（即飞行器）位置解算的示意图；
图3是仿真应用案例中飞行器的定位结果示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1：
参见图1，一种基于已知空间目标双方向矢量观测的自主导航方法，具体步骤如下：
步骤S1：利用双视场星敏感器对两个不同方向的已编目空间目标进行观测，根据观测图像分别获取两个空间目标在星敏感器像平面的坐标，记为
Figure 120776DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 54097DEST_PATH_IMAGE035
，其中
Figure 722975DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure 857285DEST_PATH_IMAGE037
分别为两个空间目标水平方向坐标，
Figure 346035DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 348626DEST_PATH_IMAGE039
分别为两个空间目标垂直方向坐标，I代指像平面（Image plane）；
步骤S2：利用观测图像中的背景恒星与恒星星表进行匹配，分别获得星敏感器两个视场的光轴在惯性空间中的指向，记为
Figure 872011DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 911642DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 153268DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 693971DEST_PATH_IMAGE041
为3×1维的单位方向矢量，s代指传感器（sensor）；
步骤S3：根据空间目标的像平面坐标和星敏感器光轴指向，分别计算两个空间目标相对于星敏感器的方向矢量
Figure 71862DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure 547974DEST_PATH_IMAGE043
；
优选的，所述步骤S3具体是：根据空间目标的像平面坐标以及星敏感器光轴在惯性空间中的指向，计算出两个空间目标的天球坐标，分别记为
Figure 11317DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 355710DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 853688DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 235122DEST_PATH_IMAGE004
为分别为两个空间目标的赤经，
Figure 451339DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 333845DEST_PATH_IMAGE006
分别为两个空间目标的赤纬；其中天球坐标的计算方法为本领域的公知常识；
则两个空间目标相对于星敏感器的方向矢量
Figure 686329DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 238664DEST_PATH_IMAGE008
分别表示为：
Figure 676598DEST_PATH_IMAGE009
Figure 362795DEST_PATH_IMAGE010
。
步骤S4：根据两个空间目标的方向矢量以及星敏感器的预估位置，在已知空间目标编目数据库中对两个空间目标进行识别，获得两个空间目标的轨道位置信息，即分别获得两个空间目标相对于地心惯性系的位置矢量
Figure 569785DEST_PATH_IMAGE044
和
Figure 558601DEST_PATH_IMAGE045
；
优选的，所述步骤S4具体是：
根据两个观测的空间目标的方向矢量以及星敏感器的预估位置构造观测三角形，在已知空间目标编目数据库中任选两个空间目标，同样与星敏感器的预估位置构成模板三角形；将观测三角形与模板三角形进行匹配，直至选出的空间目标构成的模板三角形与观测三角形一致，实现在已知空间目标编目数据库中对两个观测的空间目标进行识别，从而分别获得两个观测的空间目标相对于地心惯性系的位置矢量
Figure 483831DEST_PATH_IMAGE044
和
Figure 708139DEST_PATH_IMAGE045
。
优选的，所述星敏感器的预估位置由惯性导航提供。
步骤S5：根据两个空间目标的轨道位置信息及两个空间目标相对于星敏感器的方向矢量，解算出星敏感器的位置。
针对步骤S5，本实施例中提供了两种解算星敏感器位置的方法；实际导航中，所述星敏感器搭载于飞行器上，获得星敏感器的位置即获得了飞行器的位置，即实现了自主定位导航。
第一种是几何法解算星敏感器的位置：
先构建两个空间目标、星敏感器以及地心之间的几何位置关系，如图2所示，其中：将空间目标1到星敏感器的距离记为
Figure 35216DEST_PATH_IMAGE016
，将空间目标2到星敏感器的距离记为
Figure 194933DEST_PATH_IMAGE017
，将空间目标1与空间目标2之间的距离记为
Figure 341880DEST_PATH_IMAGE020
，将
Figure 369879DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure 551462DEST_PATH_IMAGE017
之间的夹角记为
Figure 882080DEST_PATH_IMAGE021
，将
Figure 781903DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure 348013DEST_PATH_IMAGE020
之间的夹角记为
Figure 384103DEST_PATH_IMAGE022
，将
Figure 885622DEST_PATH_IMAGE017
与
Figure 7162DEST_PATH_IMAGE020
之间的夹角记为
Figure 376963DEST_PATH_IMAGE023
，则有：
Figure 533138DEST_PATH_IMAGE024
具体的，图2中
Figure 205559DEST_PATH_IMAGE046
表示空间目标1相对于地心惯性系的位置矢量，
Figure 814395DEST_PATH_IMAGE047
表示空间目标2相对于地心惯性系的位置矢量。
根据三角形正弦定理，得：
Figure 722308DEST_PATH_IMAGE048
Figure 732989DEST_PATH_IMAGE049
至此，可以根据下式计算星敏感器的位置矢量：
Figure 576312DEST_PATH_IMAGE050
第二种是最小二乘法解算星敏感器的位置：
建立两个空间目标方向矢量的观测方程：
Figure 672444DEST_PATH_IMAGE051
其中，
Figure 384048DEST_PATH_IMAGE052
为观测噪声；
根据该观测方程，利用非线性最小二乘算法解算出星敏感器的位置矢量
Figure 514815DEST_PATH_IMAGE053
。
本实施例还提供了上述自主导航方法的仿真应用案例，采用临近空间飞行器下对该方法的性能进行验证，具体如下：
仿真条件：
假设飞行器初始位置为[-4974.14km; -3718.98 km; -2411.24km]，初始速度为[-5.499km/s; 4.022km/s; 2.608 km/s]，初始位置误差为[50km; 50km; 50km]。飞行器所搭载星敏感器测角误差为0.5角秒，空间目标星历三轴位置误差均为50m。采用几何法进行飞行器位置解算，仿真总时长为50s。星敏感器同时对两个低轨空间目标进行观测，空间目标的初始轨道根数如表1所示。
表1 空间目标初始轨道根数
Figure 529038DEST_PATH_IMAGE055
仿真结果：
飞行器定位结果如图3，由图3可知，本实施例方法的位置估计误差小于120m，可为临近空间飞行器提供高精度的自主导航服务。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于已知空间目标双方向矢量观测的自主导航方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1：利用双视场星敏感器对两个不同方向的已编目空间目标进行观测，根据观测图像分别获取两个空间目标在星敏感器像平面的坐标；
步骤S2：利用观测图像中的背景恒星与恒星星表进行匹配，分别获得星敏感器两个视场的光轴在惯性空间中的指向；
步骤S3：根据空间目标的像平面坐标和星敏感器光轴指向，分别计算两个空间目标相对于星敏感器的方向矢量；
步骤S4：根据两个空间目标的方向矢量以及星敏感器的预估位置，在已知空间目标编目数据库中对两个空间目标进行识别，获得两个空间目标的轨道位置信息；
步骤S5：根据两个空间目标的轨道位置信息及其相对于星敏感器的方向矢量，解算出星敏感器的位置。
2.根据权利要求1所述的基于已知空间目标双方向矢量观测的自主导航方法，其特征在于，所述步骤S3具体是：
根据空间目标的像平面坐标以及星敏感器光轴在惯性空间中的指向，计算出两个空间目标的天球坐标，分别记为
Figure 814053DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 731193DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 510930DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 906140DEST_PATH_IMAGE004
为分别为两个空间目标的赤经，
Figure 720512DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 605291DEST_PATH_IMAGE006
分别为两个空间目标的赤纬；
则两个空间目标相对于星敏感器的方向矢量
Figure 872325DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 71225DEST_PATH_IMAGE008
分别表示为：
Figure 740103DEST_PATH_IMAGE009
Figure 530205DEST_PATH_IMAGE010
。
3.根据权利要求1所述的基于已知空间目标双方向矢量观测的自主导航方法，其特征在于，所述步骤S4具体是：
根据两个观测的空间目标的方向矢量以及星敏感器的预估位置构造观测三角形，在已知空间目标编目数据库中任选两个空间目标，同样与星敏感器的预估位置构成模板三角形；将观测三角形与模板三角形进行匹配，实现在已知空间目标编目数据库中对两个观测的空间目标进行识别，从而分别获得两个观测的空间目标相对于地心惯性系的位置矢量
Figure 284534DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 21546DEST_PATH_IMAGE012
。
4.根据权利要求3所述的基于已知空间目标双方向矢量观测的自主导航方法，其特征在于，所述星敏感器的预估位置由惯性导航提供。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于已知空间目标双方向矢量观测的自主导航方法，其特征在于，所述步骤S5中根据下式计算星敏感器的位置矢量：
Figure 544931DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 974776DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 544297DEST_PATH_IMAGE015
分别为两个空间目标相对于地心惯性系的位置矢量；
Figure 819421DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 462892DEST_PATH_IMAGE017
分别为两个空间目标到星敏感器的距离；
Figure 798058DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 90761DEST_PATH_IMAGE019
分别为两个空间目标相对于星敏感器的方向矢量。
6.根据权利要求5所述的基于已知空间目标双方向矢量观测的自主导航方法，其特征在于，
Figure 169576DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 667553DEST_PATH_IMAGE017
的计算方法如下：
构建两个空间目标、星敏感器以及地心之间的几何位置关系，其中：将空间目标1到星敏感器的距离记为
Figure 439200DEST_PATH_IMAGE016
，将空间目标2到星敏感器的距离记为
Figure 186576DEST_PATH_IMAGE017
，将空间目标1与空间目标2之间的距离记为
Figure 69082DEST_PATH_IMAGE020
，将
Figure 421566DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure 364114DEST_PATH_IMAGE017
之间的夹角记为
Figure 802049DEST_PATH_IMAGE021
，将
Figure 550562DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure 23131DEST_PATH_IMAGE020
之间的夹角记为
Figure 136581DEST_PATH_IMAGE022
，将
Figure 61812DEST_PATH_IMAGE017
与
Figure 286119DEST_PATH_IMAGE020
之间的夹角记为
Figure 144354DEST_PATH_IMAGE023
，则有：
Figure 428705DEST_PATH_IMAGE024
根据三角形正弦定理，得：
Figure 841232DEST_PATH_IMAGE025
Figure 869231DEST_PATH_IMAGE026
。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的基于已知空间目标双方向矢量观测的自主导航方法，其特征在于，所述步骤S5具体如下：
建立两个空间目标方向矢量的观测方程：
Figure 877244DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 66917DEST_PATH_IMAGE028
为观测噪声；
Figure 966740DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 532851DEST_PATH_IMAGE030
分别为两个空间目标相对于地心惯性系的位置矢量；
Figure 834519DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 257410DEST_PATH_IMAGE032
分别为两个空间目标相对于星敏感器的方向矢量；
根据该观测方程，利用非线性最小二乘算法解算出星敏感器的位置矢量
Figure 644529DEST_PATH_IMAGE033
。
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