[发明专利]星光方向向量辅助的紧组合惯性/光谱红移组合导航方法

说明书

本发明涉及一种星光方向向量辅助的紧组合惯性/光谱红移组合导航方法，建立光谱红移导航模型，通过谱红移信息计算出飞行器的速度和位置信息。然后建立星光方向向量辅助的光谱红移导航模型。将同一观测星体的星光方向向量引入到步骤一的光谱红移导航模型中，充分利用量测信息，同时将方向向量量测用于计算飞行器的位置信息，减少所需观测星体个数。建立星光方向向量辅助的紧组合惯性/光谱红移组合导航系统模型。建立紧组合导航系统模型，包括状态方程及量测方程。同时，通过基于容积卡尔曼的联邦滤波，对步骤二中的星光方向向量辅助的光谱红移导航与惯性导航系统进行信息融合，进一步减少观测天体数量需求，并保证系统的稳定性与可靠性。

技术领域

本发明属于光谱红移导航技术领域，涉及一种星光方向向量辅助的紧组合惯性/光谱红移组合导航方法

背景技术

光谱红移导航系统是一种新概念的自主天文导航系统，具有测速精度高、适用范围广等优点，在深空探测领域具有广泛的应用前景。该方法将恒星或太阳系天体光谱的红移值作为导航信息源，根据光谱红移原理求取探测器相对导航天体的径向速度，进而结合轨道动力学模型对探测器的位置、速度等导航参数进行滤波估计。光谱红移导航系统以往多用于深空导航，随着光谱仪的光谱分辨率提高，也开始探索光谱红移导航在临近空间飞行器以及巡航导弹领域的应用。

目前关于光谱红移组合导航的研究主要包括惯性/光谱红移组合导航和惯性/天文/光谱红移组合导航。惯性/光谱红移组合导航系统，在不牺牲自主性的前提下提高了飞行器导航可靠性，但在关于惯性/光谱红移组合系统研究中，仍工作于松组合模式，存在抗干扰性弱的缺陷，另一方面光谱红移导航未能充分利用星敏感器量测信息，仅能通过提出的量测方程直接对惯性导航速度误差进行修正，这将导致惯性导航在长时间导航后输出仍然发散。惯性/天文/光谱红移组合导航通过将天文导航系统引入到惯性/光谱红移组合导航中，进一步修正了导航系统位置误差的精度和可靠性。然而，目前研究的天文导航系统仍然存在一些各自的缺陷。例如，基于高度角和方位角的天文导航系统存在无法测量高度的缺点，基于星光折射的天文导航系统精度会受大气浓度影响。因此，如何通过现有手段获得可靠稳定的导航信息是目前研究重点之一。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种星光方向向量辅助的紧组合惯性/光谱红移组合导航方法，充分利用传感器量测信息，获得可靠稳定的导航信息。

本发明基于星光方向向量辅助的红移导航方程建立了量测方程，并与INS误差方程结合组成紧组合模式，用于直接纠正INS的速度与位置误差并提高导航的可靠性与抗干扰性。最后，仿真和综合分析表明，改进光谱红移量测辅助的惯性导航/星敏感器组合导航系统能获得可靠稳定的导航信息。

技术方案

一种星光方向向量辅助的紧组合惯性/光谱红移组合导航方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：建立光谱红移导航模型，通过谱红移信息计算出飞行器的径向速度和位置信息：

光谱红移导航模型：

式中，pⁱ表示飞行器的位置和p_c表示天体的位置，测量得到，c为光速，vⁱ为飞行器在惯性系即i系中的速度矢量，v_c为天体速度；z为目标飞行器上获取的天体光谱红移值；

步骤2：将同一观测星体的星光方向向量引入到步骤1的光谱红移导航模型中：

利用量测信息，同时将方向向量量测用于计算飞行器的位置信息，减少所需观测星体个数

步骤3：建立星光方向向量辅助的紧组合惯性/光谱红移组合导航系统模型，包括导航系统状态方程、红移量测方程和星光方向向量量测方程：