基于最小损失函数的三视场天文定位定向
发布时间：2021-06-03 17:32
建立了三视场天文定位定向系统,以实现高精度的天文定位定向。阐述了天文定位定向的概念,介绍了三视场天文定位定向系统的工作原理。提出一种基于最小损失函数的天文定位定向算法,该算方法能够同时解算地理位置和载体的方位角信息。根据三视场系统与传统单视场系统的结构特点,从理论上分析了三视场系统的天文定位定向性能及优势。最后,就载体平台倾角测量误差和星敏感器单星测量误差对定位定向的影响进行了仿真分析并基于原理样机进行了外场实验。实验结果表明:该系统的定位精度为151.624 0m,定向精度为4.630 4″,且定位定向结果稳定。得到的结果基本满足高精度天文定位定向的要求。
【文章来源】：光学精密工程. 2015,23(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图１天文定位定向系统的相关坐标系Ｆｉｇ．１Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍｓｏｆｃｅｌｅｓｔｉａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄ
夹角α，β。使用载体平台的倾角信息建立水平辅助坐标系（Ａｓｔ），与东北天地平坐标系和载体坐标系建立联系，辅助定位定向的求解。ＸＡｓｔ轴为ＸＢ在东北天地平坐标系（ＥＮＵ）的水平面ＥＯＮ中的投影，ＺＡｓｔ轴与ＥＮＵ坐标系中指向天顶的Ｕ轴重合，ＹＡｓｔ轴在ＥＯＮ平面内由右手定则确定，则ＸＡｓｔ轴与Ｎ轴的顺时针夹角即为待求的载体方位角。２．３三视场天文定位定向的工作原理三视场天文导航设备由３个小视场星敏感器构成（见图２），３个光学视场的光轴在载体坐标系中的水平投影均匀分布，即水平投影夹角为１２０°；并且３个光学视场的光轴在载体坐标系中具有相同的高度角。图２三视场天文导航设备结构框图Ｆｉｇ．２ＢｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｒｅｅＦＯＶｃｅｌｅｓｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎ三视场天文定位定向系统的工作原理如图３所示。天体目标由３个光学视场捕获，并成像在探测器上，获取探测器中的图像，通过星图预处理及质心计算获取各视场中天体的质心位置。根据天体的质心位置、各视场光学系统的焦距、ＣＣＤ的像素尺寸、分辨率、主点、畸变参数、光轴在载体中的矢量位置，以及ＣＣＤ的安装旋转角等，计算出各视场中天体目标在载体坐标系中的位置矢量，从而在载体坐标系中算出各个星点目标之间的星角距。星角距结合星图识别数据库进行星图识别，获得导航星与观测星的匹配组。根据导航星信息、观测星信息、时间信息和载体的水平信息，采用定位定向算法进行定位定向，并输出结果。图３三视场天文定位定向的原理框图Ｆｉｇ．３Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆ
内由右手定则确定，则ＸＡｓｔ轴与Ｎ轴的顺时针夹角即为待求的载体方位角。２．３三视场天文定位定向的工作原理三视场天文导航设备由３个小视场星敏感器构成（见图２），３个光学视场的光轴在载体坐标系中的水平投影均匀分布，即水平投影夹角为１２０°；并且３个光学视场的光轴在载体坐标系中具有相同的高度角。图２三视场天文导航设备结构框图Ｆｉｇ．２ＢｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｒｅｅＦＯＶｃｅｌｅｓｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎ三视场天文定位定向系统的工作原理如图３所示。天体目标由３个光学视场捕获，并成像在探测器上，获取探测器中的图像，通过星图预处理及质心计算获取各视场中天体的质心位置。根据天体的质心位置、各视场光学系统的焦距、ＣＣＤ的像素尺寸、分辨率、主点、畸变参数、光轴在载体中的矢量位置，以及ＣＣＤ的安装旋转角等，计算出各视场中天体目标在载体坐标系中的位置矢量，从而在载体坐标系中算出各个星点目标之间的星角距。星角距结合星图识别数据库进行星图识别，获得导航星与观测星的匹配组。根据导航星信息、观测星信息、时间信息和载体的水平信息，采用定位定向算法进行定位定向，并输出结果。图３三视场天文定位定向的原理框图Ｆｉｇ．３ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｒｅｅＦＯＶｓ３基于最小损失函数的天文定位定向方法在天文定位定向计算之前，已经获取导航星与观测星的匹配组。利用时间信息可以精确地计算出导航星在国际地球参考系（ＩＴＲＳ）中的矢量ＶＩＴＲＳ。根据光学系统参数及各视场的安装参
【参考文献】：
期刊论文
[1]舰船航海中的高精度天体高度获取方法[J]. 宁晓琳,王龙华. 光学学报. 2013(03)
[2]多视场星敏感器结构布局优化[J]. 王真,魏新国,张广军. 红外与激光工程. 2011(12)
[3]机载导航白天星敏感器的探测性能及总体设计[J]. 钟兴,贾继强,金光,曲宏松,刘国嵩. 光学精密工程. 2011(12)
[4]白天观测空间目标的恒星光电探测系统的杂散光抑制[J]. 王一凡,李零印. 光学精密工程. 2011(12)
[5]基于多圆交汇的天文定位与组合导航方法[J]. 郁丰,熊智,屈蔷. 宇航学报. 2011(01)
[6]多视场星敏感器工作模式设计[J]. 叶生龙,魏新国,樊巧云,张广军. 北京航空航天大学学报. 2010(10)
[7]现代天文导航及其关键技术[J]. 王安国. 电子学报. 2007(12)
[8]用任意星进行天文定向的研究[J]. 张超,郑勇,李长会. 测绘科学. 2005(04)
博士论文
[1]基于星敏感器的船姿测量方法研究[D]. 郭敬明.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
[2]三视场恒星识别天文导航方法研究[D]. 王昊京.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2012
本文编号：3210941
【文章来源】：光学精密工程. 2015,23(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图１天文定位定向系统的相关坐标系Ｆｉｇ．１Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍｓｏｆｃｅｌｅｓｔｉａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄ
夹角α，β。使用载体平台的倾角信息建立水平辅助坐标系（Ａｓｔ），与东北天地平坐标系和载体坐标系建立联系，辅助定位定向的求解。ＸＡｓｔ轴为ＸＢ在东北天地平坐标系（ＥＮＵ）的水平面ＥＯＮ中的投影，ＺＡｓｔ轴与ＥＮＵ坐标系中指向天顶的Ｕ轴重合，ＹＡｓｔ轴在ＥＯＮ平面内由右手定则确定，则ＸＡｓｔ轴与Ｎ轴的顺时针夹角即为待求的载体方位角。２．３三视场天文定位定向的工作原理三视场天文导航设备由３个小视场星敏感器构成（见图２），３个光学视场的光轴在载体坐标系中的水平投影均匀分布，即水平投影夹角为１２０°；并且３个光学视场的光轴在载体坐标系中具有相同的高度角。图２三视场天文导航设备结构框图Ｆｉｇ．２ＢｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｒｅｅＦＯＶｃｅｌｅｓｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎ三视场天文定位定向系统的工作原理如图３所示。天体目标由３个光学视场捕获，并成像在探测器上，获取探测器中的图像，通过星图预处理及质心计算获取各视场中天体的质心位置。根据天体的质心位置、各视场光学系统的焦距、ＣＣＤ的像素尺寸、分辨率、主点、畸变参数、光轴在载体中的矢量位置，以及ＣＣＤ的安装旋转角等，计算出各视场中天体目标在载体坐标系中的位置矢量，从而在载体坐标系中算出各个星点目标之间的星角距。星角距结合星图识别数据库进行星图识别，获得导航星与观测星的匹配组。根据导航星信息、观测星信息、时间信息和载体的水平信息，采用定位定向算法进行定位定向，并输出结果。图３三视场天文定位定向的原理框图Ｆｉｇ．３Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆ
内由右手定则确定，则ＸＡｓｔ轴与Ｎ轴的顺时针夹角即为待求的载体方位角。２．３三视场天文定位定向的工作原理三视场天文导航设备由３个小视场星敏感器构成（见图２），３个光学视场的光轴在载体坐标系中的水平投影均匀分布，即水平投影夹角为１２０°；并且３个光学视场的光轴在载体坐标系中具有相同的高度角。图２三视场天文导航设备结构框图Ｆｉｇ．２ＢｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｒｅｅＦＯＶｃｅｌｅｓｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎ三视场天文定位定向系统的工作原理如图３所示。天体目标由３个光学视场捕获，并成像在探测器上，获取探测器中的图像，通过星图预处理及质心计算获取各视场中天体的质心位置。根据天体的质心位置、各视场光学系统的焦距、ＣＣＤ的像素尺寸、分辨率、主点、畸变参数、光轴在载体中的矢量位置，以及ＣＣＤ的安装旋转角等，计算出各视场中天体目标在载体坐标系中的位置矢量，从而在载体坐标系中算出各个星点目标之间的星角距。星角距结合星图识别数据库进行星图识别，获得导航星与观测星的匹配组。根据导航星信息、观测星信息、时间信息和载体的水平信息，采用定位定向算法进行定位定向，并输出结果。图３三视场天文定位定向的原理框图Ｆｉｇ．３ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｒｅｅＦＯＶｓ３基于最小损失函数的天文定位定向方法在天文定位定向计算之前，已经获取导航星与观测星的匹配组。利用时间信息可以精确地计算出导航星在国际地球参考系（ＩＴＲＳ）中的矢量ＶＩＴＲＳ。根据光学系统参数及各视场的安装参
【参考文献】：
期刊论文
[1]舰船航海中的高精度天体高度获取方法[J]. 宁晓琳,王龙华. 光学学报. 2013(03)
[2]多视场星敏感器结构布局优化[J]. 王真,魏新国,张广军. 红外与激光工程. 2011(12)
[3]机载导航白天星敏感器的探测性能及总体设计[J]. 钟兴,贾继强,金光,曲宏松,刘国嵩. 光学精密工程. 2011(12)
[4]白天观测空间目标的恒星光电探测系统的杂散光抑制[J]. 王一凡,李零印. 光学精密工程. 2011(12)
[5]基于多圆交汇的天文定位与组合导航方法[J]. 郁丰,熊智,屈蔷. 宇航学报. 2011(01)
[6]多视场星敏感器工作模式设计[J]. 叶生龙,魏新国,樊巧云,张广军. 北京航空航天大学学报. 2010(10)
[7]现代天文导航及其关键技术[J]. 王安国. 电子学报. 2007(12)
[8]用任意星进行天文定向的研究[J]. 张超,郑勇,李长会. 测绘科学. 2005(04)
博士论文
[1]基于星敏感器的船姿测量方法研究[D]. 郭敬明.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
[2]三视场恒星识别天文导航方法研究[D]. 王昊京.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2012
本文编号：3210941
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