[发明专利]一种近地面多源天文自主导航方法

说明书

本发明提供了一种近地面多源天文自主导航方法，通过结合倾角传感器输出的倾角信息、星敏感器输出载体的姿态信息、精密授时装置输出的时间信息，挖掘载体坐标系、惯性坐标系、地平坐标系、地心坐标系及时间基准间的有机联系，进而解算载体在地球坐标系下的经纬度信息。

技术领域

本发明航空测量导航控制技术，特别涉及一种近地面多源天文自主导航方法。

背景技术

导航系统作为现代武器系统的“眼睛”，是陆、海、空、天等各类作战平台不可或缺的关键系统。对于军用车辆、舰船、飞机、导弹等典型作战平台的导航系统而言，高精度、高可靠性及自主性是其追求的理想目标。自主性，基本不受外界源的牵制，或者说是一种绝对意义下的无源导航方式。天文导航系统具备高自主性、强静默性、可同时提供位置和姿态信息、导航误差不随时间积累等典型特点，业已成为部分天基作战平台的重要导航手段。

定位是指求解载体在地球坐标系下的地理位置，即求解载体在地球坐标系下的经纬度信息；定向是指求解载体的高度角和方位角，即求解载体中某一指向在地平坐标系下的方向。载体方位角是载体坐标系中的某个参考矢量在水平面的投影与正北方向顺时针的夹角。如果想得到载体的方位角，需要三个方面的信息，星体的方位角信息，天文时信息和地理信息。所以，定位是定向过程中不可或缺的步骤。

传统是天文定位定向技术包括基于数字天顶仪的天文定位技术、基于天文导航-GNSS天线的天文定向方法、利用特征星的天文定向方法、利用超大视场测月的天文定向方法等。传统天文定向方法存在尺寸大、实时性弱、安装不便、精度不高、辅助条件过于苛刻等问题，在舰船、导弹、坦克等应用环境下，难以提供实时、准确的指向数据，所以亟需一种高精度、全天时、全自主的天文定向方式。

星敏感器具有高精度，响应快、高可靠和长寿命的优点，已成为卫星定姿的重要部件，在空间飞行任务中具有重要的作用。星敏感器可以在全自主的情况下，快速、准确、持续的输出目标指向在惯性坐标系下的姿态信息，而姿态信息中包含指向信息，可以进行解算并完成定向任务。所以将星敏感器应用于天文定向领域，无疑会将定向准确性、实时性提升一个高度。北京航空航天大学的魏新国等提出过多视场星敏感器近地轨道自主定位导航方法，不过是应用于天基卫星的自主定向，并不是求取地基载体在地平坐标系下的指向。目前尚没有完整的利用星敏感器完成地基天文定向的算法。

发明内容

本发明的目的是提供一种近地面多源天文自主导航方法。通过结合倾角传感器输出的倾角信息、星敏感器输出载体的姿态信息、精密授时装置输出的时间信息，挖掘载体坐标系、惯性坐标系、地平坐标系、地心坐标系及时间基准间的有机联系，进而解算载体在地球坐标系下的经纬度信息。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于星敏感器的天文定位定向方法，主要涉及三个坐标系之间的转换，J2000坐标系、WGS84地球坐标系、东北天地平坐标系。

参考地面定位导航的方法，月面定位导航需要建立惯性坐标系、月心坐标系、月面目标点坐标系之间的关系，下面对坐标系进行分别介绍。

1)J2000地心惯性坐标系

地心J2000坐标系近似地作为地心惯性坐标系,地心J2000坐标系的原点定义为地球质心，参考平面定义为地球赤道面。x轴定义为在J2000时刻，在地球赤道平面内由地球质心指向地球零子午线的方向，z轴垂直于赤道平面并指向地北极，y轴在参考平面内与另外两轴垂直，并构成右手坐标系。

2)WGS84地球坐标系

该坐标系原点定义为地心，参考平面为地球赤道面，x轴定义为在参考平面内，由原点指向起始子午线的方向，z轴垂直于赤道平面并指向地北极，y轴在直角坐标系内与另外两轴垂直，并构成右手坐标系。地固坐标系的Oxz半平面是地球经度的起始子午面，从该半平面开始向东度量，记为地心东经，向西度量，记为地心西经。该坐标系随地球一起转动。矢量在该坐标系下的分量均以下标f表示。