天文导航2课件.pptVIP

天文导航 1，概述 2，天文导航位置面的概念 3，基于纯天文几何解析法的天文导航原理 4，基于星敏感器的姿态确定算法 5，基于轨道动力学方程的天文导航原理 * 航天器自主天文导航主要有两类方法：1，纯天文几何解析方法（定位）；2，基于轨道动力学的方法（导航）。 * 2.4 基于轨道动力学的自主天文导航原理 根据航天器运行规律建立状态模型、以天文观测信息建立量测模型，利用先进的估计方法获得航天器的运动参数。 航天器自主天文导航系统模型存在确定性误差和随机误差，无法准确建立导航系统的状态模型，所以要获得高精度状态估值，必须要用量测信息和先进的滤波方法对系统的状态量即位置、速度等导航信息进行实时估计。 * 按照敏感天体的不同 地球敏感器、太阳敏感器、恒星敏感器、月球敏感器、行星敏感器、脉冲星敏感器等。 按照所敏感光谱的不同 可见光敏感器、红外敏感器、紫外敏感器、X射线脉冲星敏感器、磁场敏感器等 紫外敏感器：是一种新型敏感器，可以敏感恒星、月球、太阳、地球，抗干扰性强 按照光电敏感器件不同 CCD（Charge Coupled Device）天体敏感器和CMOS APS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Active Pixel Sensor）天体敏感器 CCD和CMOS各自优缺点 2.4 天体敏感器分类 地球敏感器（Earth sensor） 利用光学手段获取飞行器相对地球姿态信息的姿态敏感器 确定飞行器与地球球心连线的矢量方向 红外地平仪：工作波段14-16um 测量飞行器的俯仰姿态角和滚动姿态角 紫外地球敏感器：工作波段:330nm-360nm, 280nm-300nm更佳， 2.4.1 天体敏感器介绍 CO2 像平面 地球像 地球敏感器面阵 地球的像 地球敏感器（Earth sensor） 2.4.1 天体敏感器介绍 地球敏感器面阵 地球的像 地球 地球敏感器（Earth sensor） 2.4.1 天体敏感器介绍 地球 a 地球敏感器面阵 地球的像 x y 地球敏感器（Earth sensor） 热辐射平衡式 地平穿越式 2.4.1 天体敏感器介绍 恒星敏感器（star sensor, star tracker） 太阳敏感器、地球敏感器 只能提供2轴姿态信息 星敏感器是敏感恒星的辐射并测量飞行器相对于该恒星方位的一种光学姿态敏感器 恒星的张角非常小，测量精度很高，是当前测量精度最高的姿态敏感器 星光非常微弱，信号检测比较困难，需要使用高灵敏度的图像传感器（CCD或者APS） 能够直接输出三轴姿态信息 2.4.1 天体敏感器介绍 恒星敏感器（star sensor, star tracker） 恒星敏感器工作原理 2.4.1 天体敏感器介绍 光轴指向 像平面 星敏感器透镜 星像坐标 天球 Xs Ys Zs (x0,y0) (x,y) f Os 恒星敏感器（star sensor, star tracker） 恒星敏感器工作过程 拍摄一幅星图（图像） 从拍摄的星图（图像）中提取星点目标 利用星图识别算法对这些星点目标进行识别 利用姿态计算算法计算三轴姿态信息（四元数、欧拉角、姿态矩阵） 2.4.1 天体敏感器介绍 ？ ？ ？ ？ 通过星图识别 观测星 * 星图识别 像空间坐标系(OS-xSySzS):zS轴沿着光轴往外；xS和yS轴分别平行于像平面坐标的相应轴 (x, y)——像平面的坐标 f——相机镜头焦距 (sx, sy)——像元大小 光轴指向 像平面 星敏感器透镜 星像坐标 天球坐标 Xs Ys Zs (x0,y0) (x,y) f Os 恒星识别 * 星图识别 根据几何特征进行匹配以确定观测星与导航星的对应关系 几何特征：星对角距 ∠SiOiSj xi zi yi Si(αi,δi) Sj(αj,δj) oi 恒星识别 * 星图识别 识别原则：星对角距不变性 ∠SiOiSj 光轴指向 像平面 星敏感器透镜 Xs Ys Zs (x0,y0) f Os Si(αi,δi) Sj(αj,δj) Wi(xi,yi) Wj(xj,yj) 恒星识别 恒星敏感器（star sensor, star tracker） 恒星敏感器工作过程 2.4.1 天体敏感器介绍 信号处理 星像 提取 星图 识别 姿态 计算 导航星库 姿态输出 地球卫星的轨道动力学模型为二体问题，其天文导航系统的模型相对简单，我们以地球卫星为例学习基于轨道动力学的自主天文导航原理。 根据原理，自主天文导航包括三个部分： 1，建立系统的状态模型 2，建立量测模型 3，估计 * 1，建立系统的状态模型（状态方程） 系统状态模型即卫星轨道动力学模型 * 式中