天文导航2教材

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

1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）。22.4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。3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（ChargeCoupledDevice）天体敏感器和CMOSAPS（ComplementaryMetal-Oxide-SemiconductorActivePixelSensor）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（Earthsensor）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（Earthsensor）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（Earthsensor）2.4.1

天体敏感器介绍地球a地球敏感器面阵地球的像xy地球敏感器（Earthsensor）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（starsensor,startracker）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（starsensor,startracker）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XsYsZs(x0,y0)(x,y)fOs恒星敏感器（starsensor,startracker）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XsYsZs(x0,y0)(x,y)fOs

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∠SiOiSjxiziyiSi(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XsYsZs(x0,y0)fOsSi(αi,δi)Sj(αj,δj)Wi(xi,yi)Wj(xj,yj)

恒星识别恒星敏感器（starsensor,startracker）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161，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17式中为卫星位置矢量参数(x,y,z)卫星在惯性坐标系下X、Y、Z方向的位置(vx,vy,vz)卫星在惯性坐标系下X、Y、Z方向的速度

μ是地心引力常数

J2为地球引力系数

ДFx、ДFy

、ДFz为地球非球形的高阶摄动、日月摄动以及太阳光压力摄动和大气摄动等18系统状态方程简写为：式中，状态矢量误差矢量192，建立量测方程（观测方程）1，星光角距：指从飞行器上观测到的导航恒星星光的矢量方向与地心矢量方向之间的夹角飞行器地球α星光角距sr飞行器轨道20星光角距α的表达式为：其中r是卫星在地心惯性球坐标系中的位置矢量，由地平敏感器获得

s是导航星光方向的单位矢量，由星敏感器获得量测方程为：212，星光仰角：指从飞行器上观测到的导航恒星与地球边缘的切线方向之间的夹角星光仰角Υ的表达式为：飞行器地球Υ

星光仰角sr飞行器轨道Re22星光仰角Υ的表达式为：其中r是卫星在地心惯性球坐标系中的位置矢量s是导航星光方向的单位矢量Re是地球半径量测方程为：23量测方程离散化，并在处线性化状态方程量测方程选择滤波器方法扩展卡尔曼滤波扩展卡尔曼滤波递推方程组合导航作业要求:1、把四个像平面坐标转换成像空间坐标，相机参数：面阵=1024像素*1024像素像元大小=5.3微米*5.3微米焦距=29.2609338951毫米中心点=512*512

。2、计算出两两的星对角距的余弦值（A-B，A-C，A-D，B-C，B-D，C-D