航天器天文导航中星敏感器最佳安装方位研究

航天器自主天文导航中,通常用星敏感器和地平仪测量的星光角距作为观测量,星敏感器安装方位角是影响导航精度的一个重要因素.针对星光角距作为观测量的自主天文导航方法,分别采用扩展卡尔曼滤波EKF(Extended Kalman Filter)和Unscented卡尔曼滤波UKF(Unscented Kalman Filter)2种滤波方法进行仿真计算,研究了星敏感器安装方位角对导航精度的影响规律,得出星敏感器的最佳安装方位角,并考察了其在不同轨道参数下的适用性,为星敏感器的安装和星敏感器视场内观测星的选取提供了依据.仿真计算表明,本结论对其它利用"星光+地平"的自主导航方法也适用.      

基于多传感器天文信息的自主导航算法及可观测性分析

自主导航是未来航天器的发展趋势,利用由太阳敏感器、月球敏感器和红外地球敏感器组成的一体化多传感器天文观测平台,构建了多传感器的天文测量模型,结合航天器动力学模型,分析了自主导航系统的可观测性. 基于UKF滤波算法,建立多传感器自主导航算法,并采用原始测量信息和单点解析定位信息两种模式分别进行了仿真验证. 仿真结果表明,基于原始天文测量信息的自主导航模式,其导航精度要高于单点解析定位数据的自主导航精度,在无系统误差情况下,导航精度约为200m. 采用系统误差估计的自主导航方法后,常值系统误差对导航精度基本不产生影响.      

月球车地球敏感器图像地心位置提取算法

地球是月球上可视半径最大的天体,且在天球上运动范围较小,不存在升降现象.当月球车在月球对地面区域活动时,利用地球敏感器对地球成像可实现月球车长期自主天文导航.地球图像地心位置提取是利用地球敏感器进行天文导航的关键技术之一,直接决定了地球敏感器的观测精度.本文通过研究地球敏感器镜头投影模型分析地球成像规律,提出一种不受地相变化约束的地球敏感器图像地心位置提取算法,采用取半搜索法和循环搜索法两步实现地球真实边缘线的充分筛选,并基于此拟合地心位置.半物理仿真实验校验结果表明,本算法能针对不同地相图像有效提取地球中心,外符合平均精度约为9.78"~16.68",在实验条件随机改变的情况下,地心位置外符合精度标准差互差最大不超过0.98".      

基于摄动轨道的卫星自主天文导航仿真研究

针对星光折射间接敏感地平的卫星自主天文导航方法 ,利用推广的卡尔曼滤波方法进行仿真研究。为了准确建立运动模型 ,在系统方程中引入了非球形地球引力中的二阶带谐项 ;在考虑具有指数密度的球状分层大气的基础上 ,建立了以星光视高度为观测量的量测方程。在建立了推广的卡尔曼滤波方程后 ,文章进行了计算机仿真 ,并对仿真结果进行了详细的误差分析 ,结果表明基于摄动轨道的星光折射间接敏感地平的卫星自主天文导航方法能取得较高的导航精度     

一种基于纯天文观测的火星车自主导航方法

提出了一种基于纯天文观测的火星车自主天文导航新方法.该方法仅需利用由星敏感器视场内测量得到的火星卫星(火卫一、火卫二)和某一恒星之间的星光角距,结合火星车的运动模型,通过Unscented粒子滤波方法,即可获得高精度的火星车实时位置信息.计算机仿真结果表明了该方法的有效性,同时对几个关键的精度影响因素进行了仿真分析.      

深空自主导航光学敏感器及其验证

利用光学导航敏感器进行深空自主导航在国际上已成为一种发展趋势,这种方法具有自主性强、精度高、节约成本等优点,且距离地球越远越显优势.在国内首次开展了用于深空巡航段的自主光学导航敏感器设计研制和验证工作,所研制的光学导航敏感器原型样机设计技术指标为:焦距953.8mm,视场角0.8°×0.8°,探测极限灵敏度12Mv,测量精度0.5″(1σ),动态范围100∶1.试验室测试和外场观星试验的结果表明,测量精度达到0.5″(1σ),探测极限灵敏度达到12.5Mv,技术指标全部满足要求.     

弹道导弹的捷联惯性/天文组合导航方法

针对传统的捷联惯性/天文(SINS/CNS)组合导航系统不能精确估计加速度计偏置而导致导航误差发散的问题,提出一种基于星光折射间接敏感地平的捷联惯性/天文(SINS/RCNS)组合导航方法。利用星敏感器测量星光折射角,结合大气折射模型得到的折射视高度来抑制位置误差的发散。推导了基于星光折射新的量测方程,分析了折射星数目与导航精度的关系,当使用多颗折射星时能够精确估计加速计偏置,从而能够完全抑制位置误差的发散,并对系统进行可观测性分析。通过卡尔曼滤波实现了状态估计。仿真结果表明:本文方法的导航精度优于传统方法,有效抑制了位置误差的发散,验证了本文方法的有效性。     

基于紫外敏感器和星敏感器的卫星自主导航

卫星利用紫外敏感器和星敏感器进行自主导航的方法中地心矢量的测量精度是影响导航精度的重要因素之一,而地心矢量的测量又受到地球扁率的影响。在考虑地球扁率的前提下,研究了地球扁率对地心矢量测量的影响,给出了基于卫星姿态的地心矢量的补偿方法。仿真结果表明该补偿方法具有较高的补偿精度,并且能有效地提高卫星自主导航精度。     

基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航研究

针对航天器自主导航方法不适合高超声速临近空间飞行器的问题, 研究了基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航方案. 论述了基于非开普勒轨道的自主天文导航机理, 通过对高超声速临近空间飞行器受力分析, 建立了动力学方程; 利用矢量倒数法则推导出空间运动方程; 设计了基于非开普勒轨道的状态模型和基于星光折射间接敏感地平的观测模型, 采用卡尔曼滤波进行了仿真验证. 仿真结果表明, 基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航可达到较高的位置和速度精度.      

基于UKF和信息融合的航天器自主导航方法

X射线脉冲星导航利用X射线辐射脉冲到达时间 (Time of Arrival, TOA)作为信息输入,星敏感器导航利用星光角距等作为信息输入,是两种不同机理的天文导航方法。提出一种将脉冲星TOA和星敏感器星光角距测量结合的信息融合天文自主导航方法,设计了一种利用激光光量子模拟脉冲星X射线辐射光子的半物理仿真系统用于算法验证,并基于无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter, UKF)使用真轨道参数做了仿真试验。结果表明,基于UKF的信息融合方法比基于EKF（Extended Kalman Filter）的信息融合方法性能更好,与仅使用脉冲星或星敏感器的导航方法相比,能将位置估计精度分别提高52.7%和43.6%,速度估计精度分别提高82.2%和70.5%。     

超低轨道地球卫星脉冲星/星光折射/光谱组合导航

针对超低轨道地球卫星导航自主需求,提出了一种脉冲星/星光折射/光谱测速组合天文导航方法。首先根据地球超低轨道卫星运行轨道动力学方程建立导航系统状态模型;分别根据脉冲到达时间差和星光折射角与天体光谱频率建立导航系统量测模型;使用Unscented卡尔曼滤波方法,降低随机误差对导航精度的影响,使用基于UKF的信息融合方法,有效融合了三种天文导航方法结果数据。经计算机仿真分析,该组合导航方法位置导航误差均值为85.62m,速度误差均值0.190m/s,能够满足超低轨道地球卫星在轨运行导航需求。     

Autonomous satellite navigation using starlight refraction angle measurements

An on-board autonomous navigation capability is required to reduce the operation costs and enhance the navigation performance of future satellites. Autonomous navigation by stellar refraction is a type of autonomous celestial navigation method that uses high-accuracy star sensors instead of Earth sensors to provide information regarding Earth’s horizon. In previous studies, the refraction apparent height has typically been used for such navigation. However, the apparent height cannot be measured directly by a star sensor and can only be calculated by the refraction angle and an atmospheric refraction model. Therefore, additional errors are introduced by the uncertainty and nonlinearity of atmospheric refraction models, which result in reduced navigation accuracy and reliability. A new navigation method based on the direct measurement of the refraction angle is proposed to solve this problem. Techniques for the determination of the refraction angle are introduced, and a measurement model for the refraction angle is established. The method is tested and validated by simulations. When the starlight refraction height ranges from 20 to 50 km, a positioning accuracy of better than 100 m can be achieved for a low-Earth-orbit (LEO) satellite using the refraction angle, while the positioning accuracy of the traditional method using the apparent height is worse than 500 m under the same conditions. Furthermore, an analysis of the factors that affect navigation accuracy, including the measurement accuracy of the refraction angle, the number of visible refracted stars per orbit and the installation azimuth of star sensor, is presented. This method is highly recommended for small satellites in particular, as no additional hardware besides two star sensors is required.     

近地卫星利用光学敏感器的自主导航方法

基于光学敏感器的卫星自主导航技术是利用红外地球敏感器（IRES）和星敏感器（ST）等姿态测量部件提供的测量信息,通过计算含有轨道信息的星光角距和地球视半径角,修正由轨道动力学模型递推得到的轨道参数。通过系统状态模型和观测模型的离散化和线性化,得到扩展卡尔曼滤波算法的递推关系,并在此基础上进行数学仿真。仿真结果表明,该方法的收敛速度和收敛精度都比较好。由于该方法不需要增加额外的星载敏感器,因此具有很好的应用前景。     

基于多传感器的卫星自主导航信息融合算法

通常卫星上装有较多的自主导航传感器,如何将其信息有效的组织并充分利用,是卫星自主导航的关键问题。采用信息融合技术把两种或多种导航系统组合起来,应用最优估计理论,形成最优组合导航系统,有利于充分运用各导航系统的信息进行信息互补和信息合作,已逐渐成为了导航定位技术的发展方向。文章针对星敏感器、红外地平仪、雷达高度计、紫外敏感器组成的卫星自主导航系统的特点,提出了一种基于联邦卡尔曼滤波技术进行轨道确定的信息融合算法。仿真结果表明,该方案能够获得较高的定轨精度,有效抑制滤波发散,整个系统的运算速度和收敛速度也有所提高。     

深空探测光学导航敏感器在轨几何定标方法

光学导航敏感器是光学自主导航的一个核心器件,它所获得的导航目标源的光线指向的精度将直接影响自主导航的精度。设计了一个分步式的光学导航敏感器在轨几何定标方法,该方法先求解外定标参数,然后在外定标所确定的广义相机坐标系下求解内定标参数,从而完成对内外定标参数的标定。为了在星上计算资源与能力有限的环境下,利用更多的参考星图实现对定标参数的高精度估计,利用逐行法化最小二乘方法估计定标参数。实验表明,通过高精度的在轨几何定标,可以有效提高光学导航敏感器的指向量测精度,使其满足光学自主导航的需求。     

Precision analysis of autonomous orbit determination using star sensor for Beidou MEO satellite

This paper focuses on the autonomous orbit determination accuracy of Beidou MEO satellite using the onboard observations of the star sensors and infrared horizon sensor. A polynomial fitting method is proposed to calibrate the periodic error in the observation of the infrared horizon sensor, which will greatly influence the accuracy of autonomous orbit determination. Test results show that the periodic error can be eliminated using the polynomial fitting method. The User Range Error (URE) of Beidou MEO satellite is less than 2?km using the observations of the star sensors and infrared horizon sensor for autonomous orbit determination. The error of the Right Ascension of Ascending Node (RAAN) is less than 60?$\mathrm{\mu }\text{rad}$ and the observations of star sensors can be used as a spatial basis for Beidou MEO navigation constellation.     

一种近地卫星自主定轨的联合滤波算法

地磁场具有完整的数学模型,而地磁场矢量是卫星的位置矢量函数,利用地磁场测量可以实现近地卫星的自主导航。首先建立近地卫星的高精度轨道动力学模型,提出基于星敏感器与磁强计相结合的自主导航算法,利用星敏感器输出高精度的姿态信息,同时恒星星光矢量与地磁场矢量组成两种观测模式,采用联合滤波算法对系统进行数值仿真,并对滤波算法的收敛性和仿真结果的精度进行了分析。通过对数值仿真结果的分析证实了该方案具有良好的鲁棒性和容错性。     

基于资源一号02B卫星红外地球敏感器和星敏感器的自主导航

 本文阐述了利用星敏感器和红外地球敏感器进行自主导航的原理。以资源一号02B卫星的飞行数据为基础,进行了自主导航的研究,结果表明采用国产红外地球敏感器和星敏感器的资源一号02B卫星可以实现较高精度的自主导航,说明了该方案的可行性。