導(dǎo)航學(xué)5-3-2012(1)

1、,導(dǎo) 航 學(xué),主講：朱 智 勤,(測(cè)繪工程專業(yè)）,無(wú)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(cè)得的天體（月球、地球、太陽(yáng)、其他行星和恒星）信息進(jìn)行載體位置計(jì)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(dòng)式測(cè)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(shí)提供位置和姿態(tài)信息,導(dǎo)航誤差不隨時(shí)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(cè)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(duì)登月、載人航天、衛(wèi)星和彈道導(dǎo)彈和高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)等是必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。,應(yīng)用：,高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī),彈道導(dǎo)彈,月球探測(cè)器,衛(wèi)星,5.3 天文導(dǎo)航,天文觀測(cè)量和量測(cè)方程 純天文自主定位的幾何解析法 基于軌道動(dòng)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(cè)量和量測(cè)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(cè)方程 r 為探測(cè)器到行星的距離,1 以行星的視角為量測(cè)量,恒星仰角：指從探測(cè)器上觀測(cè)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(cè)量之一 圖中為恒星仰角，A為行星視角 量測(cè)方程

3、： is 分別為探測(cè)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(cè)量和量測(cè)方程,2 以恒星仰角為量測(cè)量,掩星觀測(cè)：當(dāng)從探測(cè)器上觀測(cè)到某顆恒星被行星遮擋住時(shí)，在看得見(jiàn)到看不見(jiàn)的瞬間可確定一個(gè)圓柱位置面 量測(cè)方程： ip 為探測(cè)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(cè)量和量測(cè)方程,3 掩星觀測(cè),一個(gè)近天體和一個(gè)遠(yuǎn)天體之間的夾角，指探測(cè)器到近天體中心的實(shí)現(xiàn)方向與和一個(gè)恒星視線之間的夾角 量測(cè)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(cè)量和量測(cè)方程,4 以一個(gè)近天體

4、和一個(gè)遠(yuǎn)天體之間的夾角為量測(cè)量,5.3.1 天文觀測(cè)量和量測(cè)方程,該觀測(cè)量確定一個(gè)圓錐位置面,量測(cè)方程,5 以兩個(gè)近天體之間的夾角為量測(cè)量,- 由太陽(yáng)指向航天器的矢量,- 由太陽(yáng)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(cè)量和量測(cè)方程,兩個(gè)近天體之間的夾角，就是從航天器上觀測(cè)到的兩個(gè)近天體的視線方向之間的夾角A,由幾何知識(shí)可知，這時(shí)的位置面是以兩個(gè)近天體連線為軸線，旋轉(zhuǎn)通過(guò)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(gè)近天體之間的距離以及A之間的關(guān)系：,5.3.1 天文觀測(cè)量和量測(cè)方程,5 以兩個(gè)近天體之間的夾角為量測(cè)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(gè)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(gè)近天體和恒星之間的星光角距的幾何解析法 利用一個(gè)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(lái)表示為： 代入前頁(yè)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(guò)3個(gè)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(guò)該行星視角可以計(jì)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(duì)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(duì)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(cè)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(cè)器的速度信息，且位置信息的精度隨量測(cè)噪聲的變化起伏較大。仿真結(jié)果表明，結(jié)合軌道動(dòng)力學(xué)方程，通過(guò)濾波方法對(duì)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(cè)姿原理,三個(gè)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(gè)坐標(biāo)軸和三個(gè)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(cè)量原理,星敏感器測(cè)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(cè)姿原理,第 i 顆星的單位矢量 式中 為星敏感器測(cè)量誤差矢量,星敏感器測(cè)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(guò)直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換求得，視為已知量 經(jīng)過(guò)星圖識(shí)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(cè)姿原理,上式各矩陣賦予命名，對(duì)應(yīng)關(guān)系式：S = CTis 當(dāng)觀測(cè)星數(shù) n 等于3顆時(shí)，星歷矩陣C33為非奇異矩陣，那么轉(zhuǎn)移矩陣Tis C-1S n 3時(shí)，可以采用最小二乘法得到計(jì)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(cè)姿原理,注：觀測(cè)信息必須包括近天體信息,5.3.2 基于軌道動(dòng)力學(xué)的自主天文導(dǎo)航方法,航天器軌道動(dòng)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(dòng)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(shí),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(dòng)力學(xué),研究航天器在無(wú)控運(yùn)動(dòng)下的重力場(chǎng)和其他攝動(dòng)力作用下的質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。,包括二體問(wèn)題、多體問(wèn)題和軌道攝動(dòng)等內(nèi)容,分析這種軌道的特性稱為二體問(wèn)題。二體軌道代表衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)的最主要特性。,航天器二體軌道,二體問(wèn)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(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，忽略其他各種攝動(dòng)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(dòng)，就是在考慮質(zhì)心引力和各種攝動(dòng)力的情況下研究確定衛(wèi)星軌道和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。,航天器軌道攝動(dòng),航天器軌道攝動(dòng),直角坐標(biāo)表示的攝動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程,航天器質(zhì)量,運(yùn)動(dòng)方程,G萬(wàn)有引力常數(shù),深空探測(cè)器的軌道攝動(dòng),多體問(wèn)題和限制型三體問(wèn)題,研究航天器在多個(gè)天體萬(wàn)有引力作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般以一個(gè)天體引力為主，其他天體引力為攝動(dòng)力。假設(shè)其他天體的運(yùn)動(dòng)情況已知，只研究航天器本身的運(yùn)動(dòng)。,深空探測(cè)器的軌道攝動(dòng),行星際探測(cè)器的軌道運(yùn)動(dòng)-引力范圍和作用范圍,關(guān)于行星際探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)，往往是在兩個(gè)大天體P1和P2共同作用下的運(yùn)動(dòng)，通常不能處理成受攝二體運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)的是一個(gè)限制性三體問(wèn)題。,在P2的引力范圍，其引力作為探測(cè)器運(yùn)動(dòng)的

11、主要力源，近似看成P相對(duì)于P2的二體問(wèn)題。,P1、P2引力交界線,在P1的引力范圍，其引力作為探測(cè)器運(yùn)動(dòng)的主要力源，近似看成P相對(duì)于P1的二體問(wèn)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(zhǎng)度，為地球引力常數(shù)，J2為二階帶諧項(xiàng)系數(shù), 是過(guò)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(dòng)力學(xué)方程,S 為沿矢量r 方向的攝動(dòng)力；T 為在軌道面內(nèi)垂直于r、指向衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向的攝動(dòng)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(dòng)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(dòng)方程,星光角距：從航天器上觀測(cè)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(cè)方程量測(cè)信息為星光角距,基于星光角距的量測(cè)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(cè)方程量測(cè)信息為星光仰角,星光仰角：從航天器上觀測(cè)到的導(dǎo)航恒星與地球邊緣的切線方向之間的夾角。,基于星光仰角的量測(cè)方程：,地球半徑,月球探測(cè)器的軌道分類：,月球探測(cè)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(cè)方程,月球探測(cè)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(cè)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(cè)方程,月心方向和月心距量測(cè)方程,日地月信息的量測(cè)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(cè)誤差,r,rs,re為衛(wèi)星、太陽(yáng)、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(yáng)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(yáng)，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(yáng)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(jiàn)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(cè)量其相對(duì)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(lái)確定航天器的姿態(tài)。 一般說(shuō)來(lái)，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(jí)，比太陽(yáng)敏感器高一個(gè)數(shù)量級(jí)，比紅外地平儀高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。,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(dòng)的框架上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)框架來(lái)搜索和捕獲目標(biāo)星。,通過(guò)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(chǎng)，來(lái)獲取、識(shí)別導(dǎo)航星，進(jìn)而確定航天器的姿態(tài)?？煽啃愿?，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(hào)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(jì)算機(jī),信號(hào)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(jì),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(jì)與實(shí)現(xiàn)-以CCD恒星敏感器為例,系統(tǒng)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)內(nèi)容,設(shè)計(jì)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(jì),電路設(shè)計(jì)框圖,板極設(shè)計(jì)框圖,太陽(yáng)敏感器簡(jiǎn)介,以太陽(yáng)為基準(zhǔn)方位，用以測(cè)量太陽(yáng)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(yáng)是一個(gè)非常明亮的點(diǎn)光源，易于敏感和識(shí)別，給敏感器的設(shè)計(jì)和姿態(tài)確定算法帶來(lái)極大方便，因此太陽(yáng)敏感器成為航天器首選的姿態(tài)敏感器，太陽(yáng)敏感器的分辨率可達(dá)角秒級(jí)。,太陽(yáng)敏感器,太陽(yáng)敏感器,基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),太陽(yáng)光,光學(xué)器件,敏感面,DSS2數(shù)字太陽(yáng)敏感器,Fine太陽(yáng)敏感器,地球敏感器,地球敏感器簡(jiǎn)介,一種借助于光學(xué)手段獲取航天器相對(duì)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(cè)器。 信號(hào)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(jiàn)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(jiǎn)單; 反照信息隨時(shí)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(cè)量精度的主要原因。,

18、通過(guò)敏感地球反射可見(jiàn)光來(lái)獲得航天器相對(duì)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(jiàn)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(guò)敏感地球的紅外輻射來(lái)獲取航天器相對(duì)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(jì),地球紅外輻射,光學(xué)部分,地球,地球敏感器,部件設(shè)計(jì),主要包括,光學(xué)設(shè)計(jì)：紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)和視線掃描光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),角度傳感器及基準(zhǔn)信號(hào)裝置設(shè)計(jì)：以提高精度為前提,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：精度、剛度和結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì),主要功能電路設(shè)計(jì)：放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理電路設(shè)計(jì),電磁兼容設(shè)計(jì)：著重減弱或消除干擾來(lái)源,可靠性設(shè)計(jì)：探測(cè)器、光柵及光學(xué)薄膜鍍層牢固度設(shè)計(jì),由于恒星離地球和航天器接近無(wú)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(guò)先驗(yàn)知識(shí)或觀測(cè)第三顆恒星排除,第一個(gè)位置錐,第二個(gè)位置錐,精確測(cè)角原理,空間六分