[发明专利]一种在轨飞行器自主导航系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种在轨飞行器自主导航系统，属于飞行器导航领域。

背景技术

导航是指给载体提供实时的姿态、速度和位置信息的技术和方法。航天器自主导航是实现航天器自主运行与精密控制的前提和基础，是航天器仅依赖星载导航测量设备实时确定自身的位置、速度等导航参数的技术。它不需要依赖地面观测站，大大提高了卫星系统的机动性、隐蔽性、抗干扰性和生存能力。航天器的自主导航方式主要有三种：惯性导航、卫星导航和天文导航，现在各航天大国都在积极发展自主导航技术

惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System）是以牛顿第二定律（惯性定律）为基础，利用加速度计测量载体的加速度，利用陀螺仪测量载体的角运动，经过积分运算求解载体位置、速度和姿态信息的技术。INS由于具有全天候、完全自主、不受外界干扰、可以提供全导航参数（位置、速度、姿态）等优点，是目前最主要的导航系统之一。但是INS有一个致命的缺点：导航定位误差随时间积累。

卫星导航系统（Global Navigation Satellites System，GNSS）是一种天基无线电导航系统。它通过测量若干颗已知星历的卫星到用户接收设备间的无线电延时来确定用户的位置。它能够在全球范围内，为多个用户，全天候、实时、连续地提供高精度的三维位置、速度及时间信息。目前己经投入运营或正在建设的几个主要的卫星导航系统有：美国的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、俄罗斯的全球导航卫星系统GLONASS、欧洲的伽利略全球卫星导航系统(GALILEO）、中国的北斗卫星导航系统COMPASS（北斗一代及北斗二代）等。其中以GPS的应用最为广泛。国内外利用GPS，差分GPS和跟踪与数据中继卫星系统（Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS）对近地航天器进行自主导航的技术已基本成熟，但该方法的缺点是易受干扰，且必须依靠其它位置已知的卫星提供的相对距离等观测量，从某种意义上说，这种导航方法只能称为半自主导航。GNSS用于高轨道卫星定位时则受到星数不足，观测几何差的限制，定位精度变差或不能定位。

天文导航系统（Celestial Navigation System，CNS）是以已知准确空间位置、不可毁灭的自然天体为基准，通过光电方式来测定天体的位置以获得天体相对于载体的高度角和方位角，从而解算出载体位置、速度和姿态的导航方法。近地轨道航天器，主要利用地球的各种观测量，如地磁场、地心距和地心方向等；远地轨道航天器，利用各种天体如恒星、行星、小行星和X射线脉冲星（X-ray Pulsar）等天文导航方式。天文导航具有隐蔽性好、自主性强的优点，但是其定轨精度较低，高轨道卫星的定轨精度一般在几百米的量级，根据资料X射线脉冲星导航可达到百米内的精度；星光定姿精度较高，但是其导航数据率较低；在某些情况下会受到外界环境的影响，输出信息不连续等。

综上所述，由于不同导航方式各有其优缺点，显然要实现航天器长时间在轨自主导航，依靠单一的导航系统是不可行的，必须采用某种组合导航方式来实现高精度自主导航。由于（惯性导航）INS可以提供高速率的全导航信息，因此组合方式一般以INS为核心，其它导航方式为辅，控制INS误差的积累，降低系统对惯性器件精度的依赖，进而降低整个系统的成本。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种长时间在轨的飞行器自主导航系统，即捷联惯组+卫星接收机+大视场星敏感器+紫外敏感器+计算机的组合导航系统（简写为惯性+卫星+星光+紫外+计算机），不依赖于地面测控站，解决了航天器进行多星部署任务时面临的长时间在轨的自主导航需求，可实现低中高轨的高精度自主导航。该技术可应用于航天器的在轨服务、多星部署的自主导航方面。

本发明的技术解决方案是：

一种在轨飞行器自主导航系统，包括：卫星接收机、紫外敏感器、大视场星敏感器、捷联惯组和信息处理模块；

卫星接收机接收导航卫星的信息，并给信息处理模块提供飞行器的当前位置和速度信息；紫外敏感器敏感地球和恒星的紫外信息，给信息处理模块提供飞行器的地心距、地心矢量和姿态信息；大视场星敏感器敏感恒星的星光信息，给信息处理模块提供飞行器姿态信息；捷联惯组敏感飞行器的角速度及加速度信息，给信息处理模块提供陀螺仪和加速度计信息；

飞行器处于中低地球轨道时，信息处理模块根据捷联惯组、卫星接收机和大视场星敏感器提供的测量信息进行信息融合处理，得到飞行器自主导航信息；