[发明专利]基于星光观测的空间绝对定向技术

说明书

技术领域

本发明涉及航空航天、天体测量、导航制导与控制等技术领域。基于星光观测的空间绝对定向是利用光学星敏感器对天体进行测量、确定卫星间空间绝对方向的一种技术，主要用于航天器的姿态确定、天文导航定位、组合导航等。

(1)卫星姿态确定

卫星姿态确定是指测量并计算卫星在空间方向的过程。例如，卫星对地进行通信或观测，天线或遥感器要指向地面目标；卫星进行轨道控制时，发动机要对准要求的推力方向；卫星再入大气层时，要求制动防热面对准迎面气流，这些都需要确定星体是否建立和保持一定的姿态。

采用星敏感器观测一组恒星，由星图识别可确定出各恒星，它们在惯性系中的坐标可认为是已知的，根据成像模型可以求出与卫星固连的本体坐标系中的坐标。当观测到两颗以上的已知位置的卫星时，基于最小二乘法由同一组恒星的两组坐标即可计算出卫星的姿态参数。

(2)天文导航定位

计算空间位置需要的光学观测数据，是位置已知的几个近天体相对已知惯性系的瞄准方向，惯性参考系可任由两个不共线的恒星线(瞄准线)或任意一组三条不共面的恒星线或平台坐标确定。对于近地航行，两位置之间的恒星线之间的夹角不发生测量变化，因此角度的变化可以用来表示位置的变化。天文导航定位需要有一个恒星表和至少两个近天体的(行星)星历信息，则通过三个圆锥面相交即可确定飞行器的位置矢量。

此外，航天器利用恒星来确定航天器的位置，其优点是可以实现完全自主性，特别当无线电导航和GPS都无法使用时，就只能依靠天文或惯性导航。目前CCD星敏感器可达到角秒级的精度，这使得航天器自主导航技术将得到更进一步的发展。利用星敏感器和地平仪测量出的星光与地平之间的“星光仰角”为观测量的可进行航天器的自主定位。

(3)星光/惯性组合制导

星光/惯性组合制导是由天文制导同惯性制导组合，构成一种能扬长避短的组合制导系统。惯性制导系统具有较高的数据率，但由于陀螺漂移误差的存在，使惯导系统误差积累，失调角随时间增长而增加。天文制导则数据率较低，但其误差并不随时间而增加。将两种系统组合，利用恒星作为固定参考信息源，飞行中利用星体跟踪器观测星体的方位来校正惯性基准随时间而增加的漂移，以提高弹(箭)的命中精度或入轨精度。

系统使用的基本原理，就是将确定的星体相对理想的参考坐标系的高低角和方位角的计算值和实际星体跟踪器的测量值进行比较，取其差值作为对系统误差的观测值，以此对系统进行修正。

星光/惯性制导较之纯惯性制导精度的原因是由于在惯性空间里从地球到恒星的方位基本保持不变。因此，星光跟踪器就相当于没有漂移的陀螺，它可以克服基准漂移带来的误差，这是该制导系统的主要优点之一。

对机动发射或水下发射的弹道导弹来说，星光/惯性制导系统可以消除导弹发射的初始条件误差，而且，该系统具有自主性和隐蔽性，使得这种制导系统对该类弹道导弹特别具有吸引力。

背景技术

进行星光观测的主要设备是星载光学敏感器。随着半导体微电子技术的发展，CCD和CID传感器的应用使得空间定向这类技术进入了一个新的发展阶段。

(1)敏感元件CCD、CID性能

星敏感器性能在很大程度上取决于星光探测器性能，随着半导体集成技术的发展，用于星敏感器的光敏元件，已由析橡管、光电倍增器，发展为电荷传输型的固态像感阵列，这类器件中最具代表性的是CCD(电荷耦合器件图像传感器)和CID(电荷注入器件)。其中电荷耦合器件CCD由于其优越的性能，已经成为标准化星敏感器的敏感元件。1988年以来，世界几大光电器件公司，在CCD制造是取得了突破性进展，使CCD集成度跨上了一个新的台阶，线阵CCD像元数目已达15k，面阵CCD的规模则达1024×1024及2048×2028，4096×4096，且其像素精度可达角秒级，极限探测星等可达几等至十几等，这些推动了CCD星敏感器的发展，使大视场、高精度、高灵敏度的星敏感器可以实现。