天文导航基础(四)课件

1、第五章天文导航方法天文导航基础天文导航方法5.1天文导航基本原理5.2基于轨道动力学方程的自主导航方法5.3纯天文几何解析的自主导航方法5.4深空探测器的自主天文导航5.5基于射电天文导航原理5.1天文导航原理 自主天文导航系统的使用仪器有星体跟踪器、天文罗盘和六分仪等。通常可以采用六分仪来测量天体的高度角；使用天文罗盘测量太阳或星体方向来相对已知惯性参考系的瞄准线方向进行定位航向；星体跟踪器可以从天空背景中搜索、识别和跟踪星体，并测出跟踪器瞄准线相对于参考坐标系的角度。 是利用星敏感器观测导航星得到该星光在星敏感器测量坐标系的方向，通过星敏感器安装矩阵的转换，可算得星光在航天器本体坐标系中的

2、方向，再利用红外地球敏感器和空间六分仪直接测得航天器垂线方向或航天器至地球边缘的切线方向，得到地心矢量在航天器本体坐标系中的方向，继而得到相关的测量信息，根据卫星、所观测的导航星和地球之间的几何关系，结合轨道动力学和滤波技术即可估算出航天器的位置信息。5.1天文导航原理 由于天体在惯性空间中任意时刻的位置是可以确定的，因此通过航天器观测得到的天体方位信息，就可以确定航天器在该时刻姿态信息。 但是要想空间定位还需要测量近天体的数据，这样才有位置的几何关系。5.1天文导航原理5.1.2直接敏感地平的天文导航方法 在直接敏感地平中，一般以星光角距，星光仰角为观测量，星光角距指从卫星上观测到的导航恒星

3、星光的单位矢量方向与地心矢量之间的夹角。直接敏感地平的观测模型 5.1.2直接敏感地平的天文导航方法 星光仰角是指探测器观测到的恒星视线方向与近天体边缘切线方向之间的夹角。 星光仰角示意图 星光角距示意图 星光仰角是指探测器观测到的恒星视线方向与近天体边缘切线方向之间的夹角。以日-卫星-地球夹角和星光角距为观测量。 观测量示意图5.1.3基于 “日-地-星”导航 通过观测日-地-月信息，确定地心赤道惯性坐标系下的航天器位置矢量。几何关系及观测量示意图5.1.3基于 “日-地-月”导航几何关系示意图5.1.3基于 “日-地-月”导航通过星光折射间接敏感地平方法，是80年代初发展起来的一种航天飞行

4、器低成本自主定位方案。美国90年代初投入使用的MADAN导航系统（多任务姿态确定和自主导航系统）就使用了星光折射自主导航原理 。5.1.4基于星光折射的天文导航方法星光折射飞行器自主导航方案一个星敏感器对准从不发生折射的恒星，一个星敏感器对准穿越大气层星光发生折射的恒星 。利用星光折射间接敏感器地平观测示意图5.1.4基于星光折射的天文导航方法 恒星星光穿越地球表面大气时会发生折射，折射后的星光向内弯曲，来自恒星的入射光线与星光穿越大气折射后的光线形成的夹角R 称为星光折射角。 恒星星光在大气中的折射轨迹取决于大气密度的分布。星光在大气中的折射模型 5.1.4基于星光折射的天文导航方法星光折射

5、角与星光切向高度的关系曲线 5.1.4基于星光折射的天文导航方法星光折射间接敏感器地平几何关系示意图5.1.4基于星光折射的天文导航方法 大气折射模型的一个重要参数是某一确定高度h0处的大气密度，它直接影响模型的准确程度。 纬度和季节，昼夜变化、行星波和重力波等都能造成大气密度发生变化。大气折射模型的误差分析5.1.4基于星光折射的天文导航方法状态方程及观测方程星光折射观测几何示意图 5.1.4基于星光折射的天文导航方法选星的限制条件 星光折射观测参数的预测问题可以描述为：给定航天器当前的轨道根数，对于某颗给定的导航恒星，确定航天器观测到星光折射角R时对应的轨道位置和时刻以及恒星方向在偏航一滚

6、动一俯仰坐标系中的高度角和方位角，这样便能调整航天器的姿态，使得在预定的时刻星敏感器的视场对准指定的导航恒星。5.1.4基于星光折射的天文导航方法选星的限制条件水平高度角的示意图 5.1.4基于星光折射的天文导航方法选星的限制条件星光折射观测位置示意图 5.1.4基于星光折射的天文导航方法作业： 写出基于EKF的低轨道卫星（以星光角距作为观测量的直接敏感地平，或者间接敏感地平）自主天文导航系统方程，并进行仿真。 仿真条件： 选择地心赤道惯性坐标系 轨道根数：半长轴：7136.635km 轨道倾角：65度 偏心率：0度 升交点赤经：30度 近心点角距：30度 星敏感器精度：3秒，红外地平仪精度：

7、0.05度 仿真给出位置误差和速度误差曲线。5.1.5直接敏感地平的天文导航方法确定空间飞行器位置的两根线一次观测确定的位置锥5.3几何解析的天文定位方法天文定位原理图5.3几何解析的天文定位方法几何解析定位原理图5.3几何解析的天文定位方法 如果观测到的恒星少于三颗，则仅利用两颗行星和两颗恒星也可以确定航天器的位置，原理如图：相对惯性座标系的夹角圆锥5.3几何解析的天文定位方法航天器对近天体的几何关系5.3几何解析的天文定位方法纯天文的导航原理示意图5.3几何解析的天文定位方法深空探测器天文导航的方法基于太阳和行星的自主天文导航基于小行星或行星卫星的自主导航基于X射线脉冲星的自主导航5.4深

8、空探测器的自主天文导航深空探测器天文导航的发展过程20世纪七八十年代太阳系中各大行星所处的位置使得利用当时有限的推进系统对太阳系多颗行星进行探测成为可能；20世纪70年代，为了满足美国NASA深空探测的任务要求，JPL实验室最先研究了利用深空探测器上自身携带的量测设备，通过观测天体进行天文导航的方法。5.4深空探测器的自主天文导航水手9号拍摄的火卫二图像海盗号的天文导航5.4深空探测器的自主天文导航天文导航作为辅助导航手段水手9号的天文导航海盗号的天文导航5.4深空探测器的自主天文导航旅行者号的拍摄的海王星及其卫星 5.4深空探测器的自主天文导航伽利略号拍摄的天文导航图像 5.4深空探测器的自

9、主天文导航深空一号的自主天文导航与以前的天文导航对比5.4深空探测器的自主天文导航深空一号的自主天文导航系统的结构及其与其他系统的关系5.4深空探测器的自主天文导航深度撞击任务的自主天文导航仪器5.4深空探测器的自主天文导航5.4深空探测器的自主天文导航深空探测器天文导航的关键技术和发展趋势 一类是与自主天文导航理论和方法相关的关键技术；一类是与导航系统硬件相关的关键技术。天文导航理论 状态方程的精确建模新型测量原理和相应量测方程的建立先进滤波方法及相应的理论在天文导航中的应用天文组合导航方法5.4深空探测器的自主天文导航天文导航系统技术在硬件方面，随着现代微电子技术、光电子技术以及MEMS（

10、微机电系统）技术的不断飞跃，深空探测器自主天文导航系统正朝着微小型化、模块化和集成化的方向快速发展。5.4深空探测器的自主天文导航天文导航仪惯性恒星罗盘美国最新研制的惯性恒星罗盘5.4深空探测器的自主天文导航深空探测自主天文导航原理和方法深空探测器的自主天文导航方法大致可分为以下几种：基于太阳和行星的天文导航 ；基于恒星观测信息的天文导航方法 ；基于小行星或行星卫星的天文导航；基于脉冲星的天文导航 。5.4深空探测器的自主天文导航导航系统的观测方程必须包含有描述探测器与相关天体关系的几何量测值，根据选取的观测量的不同，可以把观测模型分为下面几类：夹角测量 ；图像信息测量；距离测量；视线信息测量

11、；径向速度测量。5.4深空探测器的自主天文导航恒星仰角行星的视角观测量及观测方程5.4深空探测器的自主天文导航掩星观测观测量及观测方程5.4深空探测器的自主天文导航一个近天体和一个远天体间的夹角夹角确定的位置面观测量及观测方程5.4深空探测器的自主天文导航两个近天体间的夹角两个近天体间的夹角确定位置面观测量及观测方程5.4深空探测器的自主天文导航月球探测器的轨道一般可以分为三个阶段： 地球附近的停泊阶段 从地球到月球的地月转移轨道段 环月轨道段5.4.4月球探测器的天文导航方法基于星光角距的自主天文导航方法天文导航观测模型5.4.4月球探测器的天文导航方法基于太阳、地球矢量的自主天文导航方法探

12、测器轨道及太阳量测信息5.4.4月球探测器的天文导航方法探测器轨道及太阳、地球量测信息月球探测器的天文导航方法基于太阳、地球矢量的自主天文导航方法环绕月球的探测器的天文导航方法使用观测量有： 恒星星光矢量方向和月心矢量方向间的星光角距； 月心方向矢量和月心距； 测量得到的星-日、星-月、星-地方向矢量。5.4.4月球探测器的天文导航方法环绕月球的探测器的天文导航方法天文导航的观测模型5.4.4月球探测器的天文导航方法星-日、星-月、星-地之间的关系5.4.4月球探测器的天文导航方法 射电天文导航技术根基于天文导航系统，其原理和方法与天文导航系统相同。将射电天文学与天文导航技术相结合，既充分运用

13、了射电天文学理论、方法和技术，又充分发挥了星光天文定位、导航原理、方法和技术的优势，是天文导航的又一发展方向。 射电天文导航技术是在对宇宙天体电磁波谱范围内的某些mm或cm波段的射电波内进行探测，较传统的可见光不同的是，射电波不受时域、天气等因素的影响，基本解决了传统星光天文导航系统受天候影响较大，不能全天候工作的问题。 5.5射电天文导航射电天文导航技术是 基于射电天文导航方法工作的基本流程5.5射电天文导航1.根据系统提供的时间进行当前的导航星体预报。2.将天线对准所要测量的天体区域。3.把射电天体(射电源)的信号从天体区域中检测出来。4.将采集的射电天体信号处理并形成图像，得到天体的射电形象。5.对所看到的天体的反射影像与水天线