SINS辅助的星敏感器在线标定方法

航天器在飞行过程中,星敏感器受到外界温度、地面标定精度等因素影响存在较大的安装误差,这将严重影响星敏感器的定姿精度。为提高星敏感器精度,对其安装误差进行严格的在轨实时标定与修正是确保星敏感器测量精度的关键。提出了一种SINS辅助的在线标定方法,将SINS/星敏感器输出的姿态信息进行配准,构建了组合导航系统的Kalman滤波模型。该方法只需航天器在飞行过程中做简单的机动,即可对星敏感器的安装误差角进行实时在线标定。仿真结果表明,采用该标定方法可使星敏感器和惯导的安装误差角的总体估计率达到95%以上,具有较高的工程应用价值。     

星敏感器在轨光行差修正方法研究

星敏感器作为目前航天器中最重要的姿态测量敏感器,其精度直接影响航天器姿态测量精度,因此对其误差源进行分析和修正则尤为重要。提出了一种星敏感器在轨光行差修正方法,根据光行差产生的原理和特点,将星敏感器沿探测器X和Y方向产生的光行差误差角巧妙地转换为光行差误差四元数,并直接对输出四元数进行修正,从而为修正星敏感器光行差提供了一种方便简洁的方法。     

一种采用行列聚类并行的星像坐标提取方法

为了提高星敏感器的数据更新率,必须减少星像坐标的提取时间。在提取星像坐标的过程中,现有基于FPGA的方法虽然避免了星图保存和读取过程,然而需要高性能的FPGA才能实现。为此提出了一种采用行列聚类并行的星像坐标提取方法,将逐个像素聚类的方式优化成像素队列聚类的方式,实现了对恒星星像坐标的实时提取,可以解决现有的实时提取星像坐标方法中像素输出时钟与处理时钟不匹配的问题,达到1个时钟周期处理完1个像素的目的,从而减少了星像坐标的提取时间,提高了星敏感器的实时性。最后把该方法嵌入到某星敏感器系统中,实验结果表明,与现有基于FPGA的实时提取星像坐标方法相比,在相同工作频率且不降低星像坐标提取精度的前提下,提取时间仅为现有方法的21.1%,数据更新率提高了近5倍。因此,该方法不但具有实时性,而且具有较好的鲁棒性。     

寡星条件下的半球谐振陀螺与星敏感器 组合姿态测量算法

针对半球谐振陀螺与星敏感器松组合系统在寡星条件下无法正常工作的问题,采用新的星图识别算法和新的数据融合观测方程,使星敏感器在观测到的导航星数量为1或2颗的情况下完成星图识别,从而能够完成组合测姿。     

考虑星敏感器安装误差的弹道导弹捷联星光/惯性复合制导

弹道导弹捷联星光/惯性制导是在惯性制导基础上辅以星光修正的一种复合制导方法，能够显著提高导弹制导精度。由于星敏感器捷联安装在弹体上，安装误差会影响恒星测量的精度，进而影响复合制导精度，为此提出一种在线辨识并修正星敏感器安装误差的复合制导方法。建立了星敏感器观测量与数学平台失准角、星敏感器安装误差的关系方程，在导弹主动段关机后测量3颗独立的恒星获得6个观测量，利用最小二乘法估计出失准角和星敏感器安装、误差。改进了星光/惯性复合制导的最佳修正系数确定方程，直接修正了星敏感器安装误差的影响。数值仿真结果表明：所提方法可以有效地估计平台失准角和星敏感器安装误差，提高了捷联星光/惯性复合制导的精度。     

一种星敏感器-陀螺组合定姿的实时在轨标定方法

研究了一种星敏感器一陀螺组合定姿方式中的姿态敏感器误差的实时在轨标定方法。首先,选择直观的欧拉角作为姿态描述参数,根据星敏感器和陀螺的测量原理建立星敏感器一陀螺在轨标定的测量方程和状态方程,并以此建立数学模型。其次,采用简单高效的EKF（ExtendedKalmanFilter,扩展卡尔曼滤波）作为估值算法,进行了在轨标定数值仿真。对于航天器姿态定向中出现的姿态角和星敏感器安装角之间的耦合问题,通过在特定姿态通道上施加简单姿态机动实现了解耦。数值结果表明,该实时在轨标定方法,尤其是所提出的姿态角和星敏感器安装角解耦策略,可以实现对航天器姿态的实时精确估计以及对星敏感器安装误差、陀螺常值漂移和相关漂移等误差的实时在轨标定。该方法可用于航天器姿态测量设备的实时在轨标定和航天器姿态的高精度实时确定。     

基于纵向滤波的星敏感器低频误差在线估计

多敏感器数据融合是获得更高精度姿态测量的有效方法,敏感器数据融合前必须先修正低频误差。首先,介绍了星敏感器低频误差（LFE）的产生机理及对其在线估计的必要性。其次,针对传统算法的不足,提出了基于纵向滤波的低频误差在线估计算法,该算法将传统低频误差估计问题转化为若干个常值误差估计问题,提高了估计精度。最后,给出了该算法具体实施方式,说明相关参数物理意义及选取原则。通过理论分析及仿真,算法误差可忽略不计。通过在轨数据仿真,星敏感器轨道周期低频误差可被消除。     

一种高精度小型化星敏感器设计

星敏感器是以恒星为参照系,以星空为工作对象的高精度空间姿态测量装置,提供准确的空间方位和基准,具有高精度、无漂移、工作寿命长等特点.针对星敏感器高精度和小体积的应用需求,基于小型化镜头设计、分体式结构、高集成度电路、"FP GA+ARM"软件等内容,提出了一种高精度小型化星敏感器,解决了狭小空间高度集成的小型化问题,实现了测姿0.6″(3σ)的高精度预期目标.星敏感器样机通过了试验考核,性能符合设计要求,具备全天球搜索恒星定姿的能力.     

惯性平台中星敏感器安装误差标定方法研究

提出了一种基于星光/惯性平台系统中星敏感器安装误差的地面标定方法,利用高精度的星模拟器,模拟远处恒星,将星敏感器主光轴对准星光,通过测量恒星与平台台体六面体的位置坐标,经过坐标转换后,对比得到星敏感器在惯性平台中的安装误差.实验数据表明,该方法可准确测量出星敏感器在星光/惯性平台中的安装误差角,实现误差的精确标定.     

星敏感器安装误差标定技术研究

星敏感器是一类具有自主高精度姿态测量能力的仪器,输出姿态精度可达到角秒级。但实际组合导航应用中,星敏感器安装误差往往可达角分级,远远大于仪器本身误差,影响其使用品质,因此有必要在使用前对星敏感器安装误差进行建模标定。研究发现,星敏感器安装误差与惯导姿态误差存在耦合关系,难于分离。设计了一种快速标定方法,利用惯导输出姿态、位置信息以及星敏感器姿态输出构造观测量,建立卡尔曼滤波模型,通过滤波估计实现安装误差的地面标定。仿真结果表明,载体需要进行2个轴向上的机动才能将星敏感器三轴安装误差估计出来。相较于依靠外部基准姿态进行标定的方案,本方法具有快速高效、可操作性强等优点。     

对流层大气折射误差的微波辐射计修正

目前,雷达的目标跟踪定位、卫星的测控定轨等对大气折射误差高精度修正的要求越来越高。针对传统大气折射误差修正方法的成本高、实时性差等问题,研究利用对水汽和液态水含量敏感的双通道微波辐射计测得的辐射亮温来反演大气折射率的方法。对微波辐射计的反演结果和探空数据的结果进行比较,计算不同海拔高度上反演的平均偏差和均方差,发现利用微波辐射计反演得到的折射率剖面与探空值吻合较好,验证了此方法的可行性。同时介绍了微波辐射计新的定标方法和微波辐射计对于水平不均匀大气的折射误差修正方法。     

水汽对折光修正精度的影响分析

针对当前部分折光修正的工程应用常常忽略水汽影响的现状,选取了国内4个不同地域的气象站点,基于1995年的数百组历史气象探空数据,利用射线描迹法分别仿真计算包含水汽和忽略水汽2种情况下由于大气折射引起的测距误差和测角误差,并对这4个站点不同仰角和不同时间的测距偏差和测角偏差进行统计分析,结果表明：水汽是构成测量残差的一个重要误差源,对于精度要求较高的折光修正系统,水汽的影响不能忽略.该分析结果可为其他需要考虑大气折射效应影响的高精度光学测量工程领域提供参考.     

电波折射误差实时修正方法研究

目前的实时弹道处理过程中,由于获得探空气象数据比较困难,电波折射误差均采用各种简化方法进行计算,因而大气折射误差计算的精度不高,修正效果不佳。针对这种现状,本文提出了基于双指数模型的射线瞄迹法计算大气折射误差。试算结果表明,该方法的计算精度与事后数据处理所采用的电波折射误差修正方法相当,且能够满足实时处理的时间要求。     

基于微波辐射测量的电波折射修正技术

针对电波折射修正精度直接影响无线电系统的探测和定位精度这一问题,提出了利用微波辐射计反演大气折射率剖面进行电波折射修正的解决方法,并引入RBF（Radial Basis Function,径向基）神经网络算法反演大气折射率.在青岛市气象局架设MP-3000A型多通道微波辐射计,开展了长达1个月的与探空数据的联合观测比对实验,对输出的大气折射率剖面进行了详细的分析.实验结果表明：RBF神经网络算法与MP-3000A自带的神经网络算法相比,反演大气折射率剖面的精度提高了30％以上,同时,电波折射修正的精度也得以提高.因此,利用微波辐射计反演大气折射率剖面进行电波折射修正方法可行.     

低仰角大气折射误差对初轨精度的影响分析

针对在交会对接任务中测量船使用的电波折射经验模型存在低仰角跟踪测量修正精度差的问题提出改进思路,在模型中引入基于天顶延迟的拟合算法优化修正模型,提高了船载雷达低仰角跟踪时距离的修正精度,满足了测量船数据处理的精度需求。用新方法处理数据,计算的轨道根数半长轴外符合误差平均降低了605m,有效提高了测量船定轨精度。     

地球卫星星光折射导航量测量及其性能对比

星光折射天文导航是一种重要的地球卫星自主导航方式,量测量是影响其导航精度的重要因素。在地球卫星星光折射导航中,折射视高度、星光折射角、折射星像素坐标（折射星矢量）是3种常用的量测量,结合星光折射导航的基本原理重点介绍了这3种量测量的获取方法和量测模型,通过仿真和可观性分析比较了相同条件下3种量测量的导航性能。仿真结果表明,由于折射星像素坐标可以同时反映星光折射的大小和方向可观性高,而星光折射角和折射视高度仅能反映星光折射的大小,无法反映其方向可观性低,因此折射星像素坐标的导航性能优于星光折射角和折射视高度。此外,本文也对星敏感器精度、卫星轨道高度、星敏感器安装夹角3种因素对3种方法导航性能的影响进行了分析。     

大气折射对电视制导导弹定位精度的影响分析

为了提高电视制导导弹的定位精度,有必要研究大气折射效应的影响。基于大气折射率模型,采用高精度的4阶Runge-Kutta光线追迹方法,以定位误差和俯角误差为大气折射效应的评价标准,建立了电视制导导弹大气折射误差模型,并通过探空仪实测大气参数验证了模型的有效性以及精度测试验证了算法的可靠性。基于该模型,仿真分析了不同发射高度和俯角对定位精度的影响规律。研究结果发现：高海拔时,基于三段模型的大气折射误差要小于其他模型;相同高度下导弹发射的视在俯角扩大10倍,由大气折射造成的定位误差和俯角误差将分别缩小1 000倍和10倍;5 km高度、视在俯角为30°时的定位误差已减小到2 m以内。研究结果表明,该方法可以辅助电视制导导弹的设计,对提高其精确打击能力具有重要意义。     

惯性+星光折射定位组合导航技术研究

由于现有惯性器件精度水平有限,纯惯性导航误差较大,因此需要采用组合导航的方式来提高导航精度。目前,全自主组合导航方式中传统的惯性+星光定姿组合导航方法只能实现定姿,不能实现定位,无法修正加速度表测量误差引起的惯性导航误差,故在精度上可提升空间有限。为此,提出了一种惯性+星光折射定位组合导航方法,重点从星光折射定位原理、大气折射模型、非线性滤波和选星策略几个方面进行论证及分析。通过理论分析与数学仿真相结合的手段,验证了星光折射定位原理的正确性及工程可行性,可将自主导航精度提升至100m,从而为进一步提高自主导航精度提供了一种技术途径。     

外测数据对流层折射误差修正及精度分析

针对对流层引起的航天器外测数据折射误差,基于对流层分段模型,以测站历史气象数据拟合折射衰减系数,建立测控站上空对流层折射率模型,并利用实测地面折射率对统计模型进行优化,进一步提高模型反映大气剖面的真实性.利用该模型对S频段多颗在轨卫星50多跟踪圈次的实测外测数据进行修正分析,并与微波辐射计实时修正结果进行比较,测距、测角、测速互差分别优于0.9m、0.02°、0.06 m/s.将该模型应用于卫星长管外测数据的实时修正,可提高轨道测量数据质量.     

A Celestial Analytic Positioning Method by Stellar Horizon Atmospheric Refraction

This article, in allusion to the limitation of conventional stellar horizon atmospheric refraction based on orbital dynamics model and nonlinear Kalman filter in practical applications, proposes a new celestial analytic positioning method by stellar horizon atmospheric refraction for high-altitude flight vehicles, such as spacecraft, airplanes and ballistic missiles. First, by setting up the geometric connexion among the flight vehicle, the Earth and the altitude of starlight refraction, an expression for the relationship of starlight refraction angle and atmospheric density is deduced. Second, there are produced a novel measurement model of starlight refraction in a continuous range of altitudes (CRA) from 20 km to 50 km on the basis of the standard atmospheric data in stratosphere, and an empirical formula of stellar horizon atmospheric refraction in the same altitudes against the tangent altitude. Third, there is introduced a celestial analytic positioning algorithm, which uses the least square differential correction instead of nonlinear Kalman filter. The information about positions of a flight vehicle can be obtained directly by solving a set of nonlinear measurement equations. The stellar positioning algorithm adopts the characteristics of stellar horizon atmospheric refraction thereby removing needs for orbit dynamics models and priori knowledge of flight vehicles. The simulation results evidence the validity of the proposed stellar positioning algorithm.