導(dǎo)航學(xué)5-3-2012(1)

1、,導(dǎo) 航 學(xué),主講：朱 智 勤,(測繪工程專業(yè)）,無線電、天文和其它導(dǎo)航系統(tǒng),天文導(dǎo)航概述,何為天文導(dǎo)航,？,天文導(dǎo)航是一種利用光學(xué)敏感器測得的天體（月球、地球、太陽、其他行星和恒星）信息進(jìn)行載體位置計算的定位導(dǎo)航方法。,由于其具有許多特點(diǎn)而成為一種最為有效的航天器自主導(dǎo)航方法,特點(diǎn),被動式測量、自主式導(dǎo)航,導(dǎo)航精度較高,抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高,可同時提供位置和姿態(tài)信息,導(dǎo)航誤差不隨時間積累,主要取決于光學(xué)敏感器精度,不與外界進(jìn)行信息 傳輸和交換，不依 賴地面設(shè)備，采用 敏感器測量天體信 息進(jìn)行導(dǎo)航,缺點(diǎn)： 輸出信息不連續(xù)，在航空航海易受氣候影響,天文導(dǎo)航是在航天、航海和航空領(lǐng)域正在得到廣泛應(yīng)

2、用的自主定位導(dǎo)航技術(shù)，尤其對登月、載人航天、衛(wèi)星和彈道導(dǎo)彈和高空長航時無人機(jī)等是必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。,應(yīng)用：,高空長航時無人機(jī),彈道導(dǎo)彈,月球探測器,衛(wèi)星,5.3 天文導(dǎo)航,天文觀測量和量測方程 純天文自主定位的幾何解析法 基于軌道動力學(xué)的自主天文導(dǎo)航方法 天文導(dǎo)航常用天體敏感器 天文導(dǎo)航發(fā)展現(xiàn)狀,5.3.1 天文觀測量和量測方程,行星的視角：D為行星直徑，行星視角A為行星視邊緣的最大張角，視半徑為A/2。 量測方程 r 為探測器到行星的距離,1 以行星的視角為量測量,恒星仰角：指從探測器上觀測到的一顆恒星與一顆行星的視邊緣之間的夾角，是常用的觀測量之一 圖中為恒星仰角，A為行星視角 量測方程

3、： is 分別為探測器指向恒星的位置矢量 ir 行星中心的位置矢量,5.3.1 天文觀測量和量測方程,2 以恒星仰角為量測量,掩星觀測：當(dāng)從探測器上觀測到某顆恒星被行星遮擋住時，在看得見到看不見的瞬間可確定一個圓柱位置面 量測方程： ip 為探測器指向恒星漸隱于行星邊緣處的單位矢量； is 恒星星光的單位矢量,5.3.1 天文觀測量和量測方程,3 掩星觀測,一個近天體和一個遠(yuǎn)天體之間的夾角，指探測器到近天體中心的實(shí)現(xiàn)方向與和一個恒星視線之間的夾角 量測方程： P0 為近天體的中心； ir 為近天體到航天器的位置矢量 is 為近天體到恒星的矢量,5.3.1 天文觀測量和量測方程,4 以一個近天體

4、和一個遠(yuǎn)天體之間的夾角為量測量,5.3.1 天文觀測量和量測方程,該觀測量確定一個圓錐位置面,量測方程,5 以兩個近天體之間的夾角為量測量,- 由太陽指向航天器的矢量,- 由太陽指向地球的矢量,- 由航天器指向地球的矢量,5.3.1 天文觀測量和量測方程,兩個近天體之間的夾角，就是從航天器上觀測到的兩個近天體的視線方向之間的夾角A,由幾何知識可知，這時的位置面是以兩個近天體連線為軸線，旋轉(zhuǎn)通過這兩點(diǎn)的一段圓弧而獲得的超環(huán)面 圓弧的中心O位于兩天體連線的垂直平分線上 ，圓弧半徑R與兩個近天體之間的距離以及A之間的關(guān)系：,5.3.1 天文觀測量和量測方程,5 以兩個近天體之間的夾角為量測量,利用星

5、光角距進(jìn)行純天文自主定位的幾何解析法,一個近天體和三顆恒星之間的夾角確定的位置線,純天文幾何解析定位方法（1）,利用兩個近天體和恒星之間的星光角距的幾何解析法 利用一個天體和三顆恒星之間的夾角，可以確定唯一一條位置線，得到其單位矢量 L1 ，滿足關(guān)系式:,純天文幾何解析定位方法（1）,解算航天器坐標(biāo) 矢量關(guān)系式：,純天文幾何解析定位方法（2）,利用2顆恒星和2顆行星進(jìn)行航天器定位,純天文幾何解析定位方法（2）,L1各分量的確定方法 定義一組基 則L1用上述基來表示為： 代入前頁矢量關(guān)系式解得L1的各分量,純天文幾何解析定位方法（3）,利用1行星和3或3顆以上恒星的星光角距及該行星的視角進(jìn)行天文

6、自主定位 通過3個圓錐位置面確定1條位置線，即確定從行星到航天器的單位矢量 通過該行星視角可以計算得到航天器到行星的距離,純天文幾何解析定位方法（3）,求航天器相對于行星單位矢量的方位角 a 和 b 根據(jù)行星直徑 D 和視角 A 得到距離r 航天器相對于行星的位置矢量,純天文自主定位的幾何解析法,結(jié)論：,根據(jù)上述所示幾何關(guān)系，可求出探測器的位置；但純天文幾何解析方法的缺點(diǎn)是不能直接獲得探測器的速度信息，且位置信息的精度隨量測噪聲的變化起伏較大。仿真結(jié)果表明，結(jié)合軌道動力學(xué)方程，通過濾波方法對該結(jié)果進(jìn)行再處理，可提高導(dǎo)航定位的精度。,星敏感器測姿原理,三個坐標(biāo)系 地心慣性參考坐標(biāo)系oxiyizi

7、 本體坐標(biāo)系oxbybzb 星敏感器坐標(biāo)系oxsyszs 飛行器的姿態(tài)指的是本體坐標(biāo)系三個坐標(biāo)軸和三個參考坐標(biāo)軸之間的角度關(guān)系 如果星敏感器坐標(biāo)系固連于飛行器，則與本體坐標(biāo)系存在一已知常量轉(zhuǎn)換矩陣Tbs,星敏感器成像測量原理,星敏感器測姿原理,Osxsyszs 星敏感器坐標(biāo)系 Ouvw CCD成像面坐標(biāo)系 OsO之間距離 f 為光學(xué)透鏡的焦距 由圖中的幾何關(guān)系可得：,星敏感器測姿原理,第 i 顆星的單位矢量 式中 為星敏感器測量誤差矢量,星敏感器測姿原理,n 顆恒星在慣性空間中的單位矢量坐標(biāo)分別為 (Xi1,Yi1,Zi1), (Xi2,Yi2,Zi2), , (Xin,Yin,Zin)，可以

8、從天文年歷查得的數(shù)據(jù)經(jīng)過直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換求得，視為已知量 經(jīng)過星圖識別后，這 n 顆恒星在星敏感器坐標(biāo)系中的單位矢量坐標(biāo)分別為 (xs1,ys1,zs1), (xs2,ys2,zs2), , (xsn,ysn,zsn) 則存在以下關(guān)系式：,星敏感器測姿原理,上式各矩陣賦予命名，對應(yīng)關(guān)系式：S = CTis 當(dāng)觀測星數(shù) n 等于3顆時，星歷矩陣C33為非奇異矩陣，那么轉(zhuǎn)移矩陣Tis C-1S n 3時，可以采用最小二乘法得到計算式： Tis = (CTC)-1CTS 因?yàn)門is = TibTbs，則姿態(tài)矩陣 Tib = Tis(Tbs)-1，這里 Tbs 為星敏感器在飛行器上的常量安裝矩陣，求得姿態(tài)

9、矩陣Tib,星敏感器測姿原理,注：觀測信息必須包括近天體信息,5.3.2 基于軌道動力學(xué)的自主天文導(dǎo)航方法,航天器軌道動力學(xué),自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)方程,航天器軌道動力學(xué)方程,是研究天文導(dǎo)航必不可少的重要基礎(chǔ)知識,它的精確建模是影響天文導(dǎo)航系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要因素。,軌道動力學(xué),研究航天器在無控運(yùn)動下的重力場和其他攝動力作用下的質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)問題。,包括二體問題、多體問題和軌道攝動等內(nèi)容,分析這種軌道的特性稱為二體問題。二體軌道代表衛(wèi)星軌道運(yùn)動的最主要特性。,航天器二體軌道,二體問題,二體軌道,衛(wèi)星軌道分析，假定衛(wèi)星在地球中心引力場中運(yùn)動，忽略其他各種攝動力因素，這種衛(wèi)星軌道稱為二體軌道。,航天器的

10、受攝運(yùn)動，就是在考慮質(zhì)心引力和各種攝動力的情況下研究確定衛(wèi)星軌道和運(yùn)動狀態(tài)。,航天器軌道攝動,航天器軌道攝動,直角坐標(biāo)表示的攝動運(yùn)動方程,航天器質(zhì)量,運(yùn)動方程,G萬有引力常數(shù),深空探測器的軌道攝動,多體問題和限制型三體問題,研究航天器在多個天體萬有引力作用下運(yùn)動時，一般以一個天體引力為主，其他天體引力為攝動力。假設(shè)其他天體的運(yùn)動情況已知，只研究航天器本身的運(yùn)動。,深空探測器的軌道攝動,行星際探測器的軌道運(yùn)動-引力范圍和作用范圍,關(guān)于行星際探測器的運(yùn)動，往往是在兩個大天體P1和P2共同作用下的運(yùn)動，通常不能處理成受攝二體運(yùn)動，對應(yīng)的是一個限制性三體問題。,在P2的引力范圍，其引力作為探測器運(yùn)動的

11、主要力源，近似看成P相對于P2的二體問題。,P1、P2引力交界線,在P1的引力范圍，其引力作為探測器運(yùn)動的主要力源，近似看成P相對于P1的二體問題。,其中x, y, z為衛(wèi)星位置坐標(biāo)，Vx,Vy,Vz為衛(wèi)星速度，r為衛(wèi)星矢徑長度，為地球引力常數(shù)，J2為二階帶諧項(xiàng)系數(shù), 是過程噪聲。,直接敏感地平自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)方程 基于直角坐標(biāo)系的衛(wèi)星軌道動力學(xué)方程,S 為沿矢量r 方向的攝動力；T 為在軌道面內(nèi)垂直于r、指向衛(wèi)星運(yùn)動方向的攝動力；W 為沿軌道面法線方向、并與S、T 構(gòu)成右手系取向的攝動力。,直接敏感地平自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)方程牛頓受攝運(yùn)

12、動方程,星光角距：從航天器上觀測到的導(dǎo)航恒星星光的矢量方向與地球球心的矢量方向之間的夾角。,星光角距,星光角距,的表達(dá)式：,直接敏感地平自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)量測方程量測信息為星光角距,基于星光角距的量測方程：,星光仰角,直接敏感地平自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)量測方程量測信息為星光仰角,星光仰角：從航天器上觀測到的導(dǎo)航恒星與地球邊緣的切線方向之間的夾角。,基于星光仰角的量測方程：,地球半徑,月球探測器的軌道分類：,月球探測器在轉(zhuǎn)移軌道上天文導(dǎo)航方法,基于星光角距的自主天文導(dǎo)航方法-天文量測方程,月球探測器在轉(zhuǎn)移軌道上天文導(dǎo)航方法,月球衛(wèi)星的自主天文導(dǎo)航方法,

13、月球衛(wèi)星的量測方程,r為衛(wèi)星在月心慣性球坐標(biāo)系中的位置矢量,星光角距的量測方程,月心方向和月心距量測方程,日地月信息的量測方程,r為衛(wèi)星在月心慣性球坐標(biāo)系中的位置矢量，v為量測誤差,r,rs,re為衛(wèi)星、太陽、地球位置矢量,月球車、火星車的自主天文導(dǎo)航技術(shù),月球車的自主天文導(dǎo)航方法,月球車自主天文導(dǎo)航原理,基于恒星敏感器的月球車自主天文定位方法的原理,5.3.3 天文導(dǎo)航常用天體敏感器,2.1 天體敏感器分類,2.2 恒星敏感器,2.3 太陽敏感器,2.4 地球敏感器,2.5 其他天體敏感器,2.6 空間六分儀,2.7 MANS自主導(dǎo)航系統(tǒng),不僅可敏感星，還可敏感 地球、月球和太陽，是一 種全

14、姿態(tài)敏感器，抗干擾 能力強(qiáng)。,天體敏感器分類,敏感天體不同,敏感器件不同,恒星敏感器,太陽敏感器,地球敏感器,月球敏感器,行星敏感器,天體敏感器分類,敏感光譜不同,可見光敏感器,紅外敏感器,紫外敏感器（發(fā)展中）,CCD天體敏感器,CMOS天體敏感器,以某一亮度的恒星為基準(zhǔn)，測量其相對于航天器的角位置，并同星歷表中同該星的角位置進(jìn)行比較，來確定航天器的姿態(tài)。 一般說來，星敏感器是姿態(tài)敏感器中最精確的敏感器，精度可以達(dá)到角秒級，比太陽敏感器高一個數(shù)量級，比紅外地平儀高兩個數(shù)量級。,恒星敏感器,工作原理,通常用于自旋衛(wèi)星。利用星體的旋轉(zhuǎn)搜索和捕獲目標(biāo)星基本上已淘汰。,恒星敏感器,星敏感器分類,星掃描

15、儀（星圖儀）：,框架式星跟蹤器：,固定敏感頭星敏感器：,通常用于飛機(jī)、導(dǎo)彈。敏感頭裝在可轉(zhuǎn)動的框架上，通過旋轉(zhuǎn)框架來搜索和捕獲目標(biāo)星。,通過光學(xué)系統(tǒng)由光電轉(zhuǎn)換器件敏感恒星，處理電路掃描搜索視場，來獲取、識別導(dǎo)航星，進(jìn)而確定航天器的姿態(tài)。可靠性高，具有廣泛的應(yīng)用前景。,CCD星敏感器,恒星敏感器,主要組成部件,信號處理,外圍電路采樣,光學(xué)鏡頭,CCD器件,新一代星敏感器(CMOS星敏感器),恒星敏感器,主要組成部件,導(dǎo)航計算機(jī),信號處理,光學(xué)鏡頭,CMOS,外圍電路,目前的研究 方向,以CCD星敏感器為例,恒星敏感器,總體設(shè)計,目前技術(shù)上 比較成熟,光學(xué)系統(tǒng),CCD敏感面,恒星敏感器,軟硬件的設(shè)

16、計與實(shí)現(xiàn)-以CCD恒星敏感器為例,系統(tǒng)設(shè)計,設(shè)計內(nèi)容,設(shè)計框圖,光電轉(zhuǎn)換電路,數(shù)據(jù)處理模塊,二次電源、控制及接口電路,配套軟件的設(shè)計,電路設(shè)計框圖,板極設(shè)計框圖,太陽敏感器簡介,以太陽為基準(zhǔn)方位，用以測量太陽的光線同星體內(nèi)某一預(yù)定的體軸或坐標(biāo)面之間的夾角。 由于太陽是一個非常明亮的點(diǎn)光源，易于敏感和識別，給敏感器的設(shè)計和姿態(tài)確定算法帶來極大方便，因此太陽敏感器成為航天器首選的姿態(tài)敏感器，太陽敏感器的分辨率可達(dá)角秒級。,太陽敏感器,太陽敏感器,基本結(jié)構(gòu)設(shè)計,太陽光,光學(xué)器件,敏感面,DSS2數(shù)字太陽敏感器,Fine太陽敏感器,地球敏感器,地球敏感器簡介,一種借助于光學(xué)手段獲取航天器相對于地球姿態(tài)

17、信息的光學(xué)姿態(tài)敏感器，它主要確定航天器與地球球心連線的矢量方向。,多敏感元（陣列式）紅外探測器。 信號處理的數(shù)字化。 紫外地球敏感器，它是一種基于硅成像陣列的三軸姿態(tài)敏感器，代表新一代地球敏感器的發(fā)展方向。 偏航地球敏感器，它利用地球球體輻射的能量分布獲取偏航姿態(tài)信息。,地球輻射主要由大氣層和地球表面引起，分為反射輻射和自身輻射。其中反射輻射大都是可見光部分的輻射，自身輻射大部分是紅外輻射。因而，地球敏感器按其敏感光譜波段的不同分為地球反照敏感器和紅外地球敏感器。,地球敏感器分類,特點(diǎn)：,結(jié)構(gòu)簡單; 反照信息隨時間變化，其性能提高較困難; 地球邊緣不確定性是制約地球敏感器測量精度的主要原因。,

18、通過敏感地球反射可見光來獲得航天器相對于地球的姿態(tài)信息。,地球敏感器分類-地球反照敏感器,地球敏感器,紅外波段的輻亮度變化比可見光??； 確定地球輪廓和輻射強(qiáng)度比地球反照敏感器更為穩(wěn)定; 溫度是影響紅外輻射的最重要因素。,地球敏感器分類-紅外地球敏感器,通過敏感地球的紅外輻射來獲取航天器相對于地球的姿態(tài)信息。,特點(diǎn)：,地球敏感器,地球敏感器,基本結(jié)構(gòu)設(shè)計,地球紅外輻射,光學(xué)部分,地球,地球敏感器,部件設(shè)計,主要包括,光學(xué)設(shè)計：紅外探測光學(xué)系統(tǒng)和視線掃描光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計,角度傳感器及基準(zhǔn)信號裝置設(shè)計：以提高精度為前提,結(jié)構(gòu)設(shè)計：精度、剛度和結(jié)構(gòu)熱設(shè)計,主要功能電路設(shè)計：放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理電路設(shè)計,電磁兼容設(shè)計：著重減弱或消除干擾來源,可靠性設(shè)計：探測器、光柵及光學(xué)薄膜鍍層牢固度設(shè)計,由于恒星離地球和航天器接近無窮遠(yuǎn)，可認(rèn)為其到地球和航天器的矢量方向相同,空間六分儀,定位導(dǎo)航原理,采用地平儀確定地心方向,采用星敏感器確定星光矢量方向,此紅線即為航天器到地球的位置線,此紅色虛線為兩錐相交另一條位置線，可通過先驗(yàn)知識或觀測第三顆恒星排除,第一個位置錐,第二個位置錐,精確測角原理,空間六分