天文導(dǎo)航2教材

天文導(dǎo)航1，概述2，天文導(dǎo)航位置面的概念3，基于純天文幾何解析法的天文導(dǎo)航原理4，基于星敏感器的姿態(tài)確定算法5，基于軌道動(dòng)力學(xué)方程的天文導(dǎo)航原理

1航天器自主天文導(dǎo)航主要有兩類(lèi)方法：1，純天文幾何解析方法（定位）；2，基于軌道動(dòng)力學(xué)的方法（導(dǎo)航）。22.4基于軌道動(dòng)力學(xué)的自主天文導(dǎo)航原理根據(jù)航天器運(yùn)行規(guī)律建立狀態(tài)模型、以天文觀測(cè)信息建立量測(cè)模型，利用先進(jìn)的估計(jì)方法獲得航天器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。航天器自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)模型存在確定性誤差和隨機(jī)誤差，無(wú)法準(zhǔn)確建立導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)模型，所以要獲得高精度狀態(tài)估值，必須要用量測(cè)信息和先進(jìn)的濾波方法對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)量即位置、速度等導(dǎo)航信息進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。3按照敏感天體的不同地球敏感器、太陽(yáng)敏感器、恒星敏感器、月球敏感器、行星敏感器、脈沖星敏感器等。按照所敏感光譜的不同可見(jiàn)光敏感器、紅外敏感器、紫外敏感器、X射線脈沖星敏感器、磁場(chǎng)敏感器等紫外敏感器：是一種新型敏感器，可以敏感恒星、月球、太陽(yáng)、地球，抗干擾性強(qiáng)按照光電敏感器件不同CCD（ChargeCoupledDevice）天體敏感器和CMOSAPS（ComplementaryMetal-Oxide-SemiconductorActivePixelSensor）天體敏感器CCD和CMOS各自優(yōu)缺點(diǎn)

2.4

天體敏感器分類(lèi)地球敏感器（Earthsensor）利用光學(xué)手段獲取飛行器相對(duì)地球姿態(tài)信息的姿態(tài)敏感器確定飛行器與地球球心連線的矢量方向紅外地平儀：工作波段14-16um測(cè)量飛行器的俯仰姿態(tài)角和滾動(dòng)姿態(tài)角紫外地球敏感器：工作波段:330nm-360nm,280nm-300nm更佳，

2.4.1

天體敏感器介紹CO2像平面地球像地球敏感器面陣地球的像地球敏感器（Earthsensor）2.4.1

天體敏感器介紹地球敏感器面陣地球的像地球地球敏感器（Earthsensor）2.4.1

天體敏感器介紹地球a地球敏感器面陣地球的像xy地球敏感器（Earthsensor）熱輻射平衡式地平穿越式2.4.1

天體敏感器介紹恒星敏感器（starsensor,startracker）太陽(yáng)敏感器、地球敏感器只能提供2軸姿態(tài)信息星敏感器是敏感恒星的輻射并測(cè)量飛行器相對(duì)于該恒星方位的一種光學(xué)姿態(tài)敏感器恒星的張角非常小，測(cè)量精度很高，是當(dāng)前測(cè)量精度最高的姿態(tài)敏感器星光非常微弱，信號(hào)檢測(cè)比較困難，需要使用高靈敏度的圖像傳感器（CCD或者APS）能夠直接輸出三軸姿態(tài)信息

2.4.1

天體敏感器介紹恒星敏感器（starsensor,startracker）恒星敏感器工作原理

2.4.1

天體敏感器介紹光軸指向像平面星敏感器透鏡星像坐標(biāo)天球XsYsZs(x0,y0)(x,y)fOs恒星敏感器（starsensor,startracker）恒星敏感器工作過(guò)程拍攝一幅星圖（圖像）從拍攝的星圖（圖像）中提取星點(diǎn)目標(biāo)利用星圖識(shí)別算法對(duì)這些星點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別利用姿態(tài)計(jì)算算法計(jì)算三軸姿態(tài)信息（四元數(shù)、歐拉角、姿態(tài)矩陣）

2.4.1

天體敏感器介紹？？？？通過(guò)星圖識(shí)別觀測(cè)星*星圖識(shí)別像空間坐標(biāo)系(OS-xSySzS):zS軸沿著光軸往外；xS和yS軸分別平行于像平面坐標(biāo)的相應(yīng)軸

(x,y)——像平面的坐標(biāo)f——相機(jī)鏡頭焦距

(sx,

sy)——像元大小光軸指向像平面星敏感器透鏡星像坐標(biāo)天球坐標(biāo)XsYsZs(x0,y0)(x,y)fOs

恒星識(shí)別*星圖識(shí)別根據(jù)幾何特征進(jìn)行匹配以確定觀測(cè)星與導(dǎo)航星的對(duì)應(yīng)關(guān)系幾何特征：星對(duì)角距∠SiOiSjxiziyiSi(αi,δi)Sj(αj,δj)oi恒星識(shí)別*星圖識(shí)別識(shí)別原則：星對(duì)角距不變性∠SiOiSj光軸指向像平面星敏感器透鏡XsYsZs(x0,y0)fOsSi(αi,δi)Sj(αj,δj)Wi(xi,yi)Wj(xj,yj)

恒星識(shí)別恒星敏感器（starsensor,startracker）恒星敏感器工作過(guò)程

2.4.1

天體敏感器介紹信號(hào)處理星像提取星圖識(shí)別姿態(tài)計(jì)算導(dǎo)航星庫(kù)姿態(tài)輸出地球衛(wèi)星的軌道動(dòng)力學(xué)模型為二體問(wèn)題，其天文導(dǎo)航系統(tǒng)的模型相對(duì)簡(jiǎn)單，我們以地球衛(wèi)星為例學(xué)習(xí)基于軌道動(dòng)力學(xué)的自主天文導(dǎo)航原理。根據(jù)原理，自主天文導(dǎo)航包括三個(gè)部分：1，建立系統(tǒng)的狀態(tài)模型2，建立量測(cè)模型3，估計(jì)161，建立系統(tǒng)的狀態(tài)模型（狀態(tài)方程）系統(tǒng)狀態(tài)模型即衛(wèi)星軌道動(dòng)力學(xué)模型17式中為衛(wèi)星位置矢量參數(shù)(x,y,z)衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系下X、Y、Z方向的位置(vx,vy,vz)衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系下X、Y、Z方向的速度

μ是地心引力常數(shù)

J2為地球引力系數(shù)

ДFx、ДFy

、ДFz為地球非球形的高階攝動(dòng)、日月攝動(dòng)以及太陽(yáng)光壓力攝動(dòng)和大氣攝動(dòng)等18系統(tǒng)狀態(tài)方程簡(jiǎn)寫(xiě)為：式中，狀態(tài)矢量誤差矢量192，建立量測(cè)方程（觀測(cè)方程）1，星光角距：指從飛行器上觀測(cè)到的導(dǎo)航恒星星光的矢量方向與地心矢量方向之間的夾角飛行器地球α星光角距sr飛行器軌道20星光角距α的表達(dá)式為：其中r是衛(wèi)星在地心慣性球坐標(biāo)系中的位置矢量，由地平敏感器獲得

s是導(dǎo)航星光方向的單位矢量，由星敏感器獲得量測(cè)方程為：212，星光仰角：指從飛行器上觀測(cè)到的導(dǎo)航恒星與地球邊緣的切線方向之間的夾角星光仰角Υ的表達(dá)式為：飛行器地球Υ

星光仰角sr飛行器軌道Re22星光仰角Υ的表達(dá)式為：其中r是衛(wèi)星在地心慣性球坐標(biāo)系中的位置矢量s是導(dǎo)航星光方向的單位矢量Re是地球半徑量測(cè)方程為：23量測(cè)方程離散化，并在處線性化狀態(tài)方程量測(cè)方程選擇濾波器方法擴(kuò)展卡爾曼濾波擴(kuò)展卡爾曼濾波遞推方程組合導(dǎo)航作業(yè)要求:1、把四個(gè)像平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成像空間坐標(biāo)，相機(jī)參數(shù)：面陣=1024像素*1024像素像元大小=5.3微米*5.3微米焦距=29.2609338951毫米中心點(diǎn)=512*512

。2、計(jì)算出兩兩的星對(duì)角距的余弦值（A-B，A-C，A-D，B-C，B-D，C-D