[发明专利]基于合作目标卫星甚短弧观测的仅测角光学组合导航方法

说明书

本发明公开了一种基于合作目标卫星甚短弧观测的仅测角光学组合导航方法。主要步骤为：导航数据输入；建立惯导系统位置、速度、姿态更新模型；判断星敏感器有无数据输出；星敏感器量测数据处理；建立组合导航系统状态方程和量测方程；组合导航系统方程离散化与卡尔曼滤波；修正惯导系统的位置、速度、姿态信息；判断导航过程是否结束，若未结束，则重复上述步骤。本发明方法针对甚短弧观测的特点，改进C‑W相对运动方程，仅需对一颗合作目标卫星进行一分钟以内甚短弧段的观测，即可完成对惯导系统位置、速度、姿态全导航参数的修正，精度高，观测成本低，解算效率高，具有良好的实时性，适用于近地空间的高动态环境。

技术领域

本发明涉及相对导航和组合导航技术领域，具体涉及一种基于合作目标卫星甚短弧观测的仅测角光学组合导航方法。

背景技术

随着航天技术的飞速发展，越来越多的任务要求载体具有自主运行能力，这对减轻地面测控负担、降低载体运营成本、提高载体生存能力、拓展载体应用范围等方面具有重要意义与价值。自主导航技术作为载体自主运行的前提和基础，是实现载体自主运行的关键技术之一，也成为制约空间智能自主控制技术发展的瓶颈。

载体自主导航是利用载体自身携带的测量设备，结合载体运动学方程和状态估计方法确定载体位置、速度、姿态等参数的过程。目前，常用来测量空间物体之间相对状态信息的有源主动式传感器(例如激光雷达等)，由于功耗、质量和体积都比较大，且作用范围相对较小(一般小于一百千米)，使得它们难以应用在微小卫星平台上；而无源被动式传感器(例如星敏感器等)对载体的总质量和功耗设计影响很小，寿命长，隐蔽性高，实时性好，且作用范围广，可用于拍摄其视野范围内的空间目标，并根据测得的视线矢量信息执行自主导航任务。

由于单目光学敏感器只能获得方位信息，缺乏距离信息，故基于光学敏感器观测的导航定位问题可转化为仅测角光学自主导航问题。传统的仅测角光学自主导航方法利用载体携带的光学敏感器在轨获取地理标志物或星历已知的导航目标源(如恒星、行星等)的光学图像，通过图像处理从中提取导航目标源的方向信息(如星光角距、视线矢量等)，经导航算法获得载体在参考坐标系中的位置、速度等导航参数。随着通信技术的发展，一箭多星技术不断完善，近地空间人造物体数量增长迅猛，这些物体以低轨星座卫星为主，分布在高度500到2000千米的轨道。相比于恒星目标，低轨星座卫星与载体之间的相对距离有限，其位置信息可通过星历数据计算，为精确定位提供了可行性，能够作为自主光学导航过程中优秀的信息源。

载体在观测低轨星座卫星的过程中，利用对应时刻相对运动视线角信息及目标星座卫星运动信息求解载体自身运动状态，此时问题可转化为仅测角光学自主相对导航问题。仅测角相对导航技术指通过单个相机(例如星敏感器)在一段时间内测量载体和目标卫星之间的视线矢量，以推导出它们之间的相对运动状态信息。然而，相对导航方法受实际工况的影响较大，在不同工况下具有不同的简化形式，对于在近地轨道运行的载体和目标卫星，需要克服相对运动速度快(10km/s量级)，观测时间短(1分钟以内)，观测弧段为甚短弧(1°以内)，观测连续性差(相邻两颗目标卫星的观测间隔为1min以上)等因素的影响，因此，有必要设计开发新型基于合作目标的近地载体高精度仅测角光学自主相对导航技术，以适应近地空间的高动态环境。

单一的仅测角相对导航算法存在星间距离不可观测、视场角小、数据更新率低、观测不连续、缺乏姿态信息(相对距离很远时目标卫星在相平面上可看作质点)等问题。将载体上既有的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)引入仅测角相对导航系统，不仅具有输出频率高，导航数据连续等优势，而且能够结合星历信息解算得到载体与合作目标卫星之间的潜在距离信息，大大改善仅测角导航算法的可观测性，相对导航算法输出的高精度位置、速度信息也可以修正惯导的积累误差。除此之外，基于星敏感器所拍摄的背景星图，经过解算可以获得高精度的载体姿态信息，进而对惯导的陀螺漂移(姿态)误差进行修正，从而能够克服单一测量系统存在的缺陷，具有功耗小、输出频率高、导航参数全、延迟低、隐蔽性好和精度高等优势。

发明内容