新型复合多视场光学敏感器及其导航方法

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1、2016年1月北京航空航天大学学报January2016第42卷第1期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．42No．1http：,／／bhxb．buaa．edu．cajbuaa@buaa．edu．ellDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2015．0068新型复合多视场光学敏感器及其导航方法江洁1’2一，郑佳怡1”，凌思睿1’2(1．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院。北京100083：2．北京航空航天大学精密光机电一体化技术

2、教育部重点实验室．北京100083)摘要：基于利用四面镜结构实现的复合多视场光学敏感器，给出了一种高精度天文导航方法，印通过四面镜同时观测地球、导航星和折射星，利用卫星、地球、恒星之间的位置关系，实现自主导航。通过研究导航量测信息的获取途径，给出了复合多视场光学敏感器的5种实用工作方式。结合卡尔曼滤波算法，建立了自主天文导航的仿真模型，并对5种工作方式进行了仿真与比较。仿真结果表明：双组直接敏感地平与单组间接敏感地平结合的导航方式精度最高，位置精度达到了10m量级。关键词：天文导航；复合光学敏感器；多视场；信息融合；系统仿真中图

3、分类号：V448．22+4文献标识码：A文章编号：1001—5965(2016)01-0001-07天文导航是一种完全自主的导航方法，不仅导航精度高，可靠性好，且导航误差不随时间积累，因此在航空、航天和航海领域得到广泛应用，成为自主导航发展的重要方向。目前多家机构都研制出了相应的复合多视场光学敏感器并应用于自主导航：美国霍尼韦尔公司利用一个组合反射式二面镜反射阵列和一个球透镜系统，构成了具有超大视场角的组合光学系统；德国斯图加特大学Kahl⋯研究的敏感器通过半透半反射镜在一个敏感元件上同时对地球和星光成像。这些复合敏感器实现了在

4、一个敏感元件上同时获得多种导航信息，但由于没有分割成像区域，使得后续信息提取比较困难。北京控制工程研究所研制的复合视场敏感器利用两块平面镜和一块面反射棱锥将视场分为中心圆形视场和边缘环形视场，实现了成像区域的分割，但其光学系统非常庞大，大大弱化了复合敏感器在体积重量上的优势。本文提出了一种基于新型复合光学敏感器的天文导航系统，它的光学敏感器具有4个虚拟视场，可将多个观测对象成像在分割好的4个区域内，并有效地减小了系统的体积和重量。此外，本文对此系统进行了天文导航方法的研究，结合一种基于信息融合的天文导航新方案旧1对系统进行了仿真

5、。1复合光学敏感器导航系统原理天文导航分为直接敏感地平导航和间接敏感地平导航，它们的基本原理都是以轨道动力学方程为基础，利用获取的量测信息，通过滤波算法对航天器的位置和速度进行精确估算”。。但2种方法所利用的量测信息不同，前者需要观测地球边缘和导航星，后者则需要观测折射星和导航星。本文中的复合光学敏感器采用四面镜在单一光学敏感器上呈现出4个视场，可同时观测2种导航方法的量测信息，在轻小型的前提下实现直接敏感地平与间接敏感地平的组合导航。导航系统工作流程如图1所示：光学敏感器收稿日期：2015-01-30；录用13期：2015-0

6、4·24；网络出版时间：2015-06—2416：46网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150624．1646．007．html基金项目：国家自然科学基金(61222304)；高等学校博士学科点专项科研基金(20121102110032)$通讯作者：Tel．：010-82338497E—mail：jiangjie@buaa．edu．cnsl用格式：江洁．郑佳怡．凌思睿．新型复合多视场光学敏感器及其导航方法EJ]．北京航空航天大学学报，2016，42(1)：l一7．JIANGJ

7、，ZHENGJY。LINGSR．Anewcompositemulti—field—of-viewopticalsensoranditsnavigationmethodfJJ．JournalofBei-ringUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(I)：1—7(inChineseJ，2北京航空航天大学学报的4个视场同时观测不同的天体目标，即地球、折射星和导航星；不同视场的观测信息在成像元件的不同区域内成像，并进行不同的后续处理；结合星图识别技术，通过导航星和折射星信息获取它们

8、的方向；对地球边缘进行拟合，得到地心矢量；根据卫星运动的轨道动力学模型及运动参数，建立卫星在天球坐标系中的状态方程，本文采用天文导航系统中最常用的基于直角坐标系的卫星轨道动力学方程；以星光角距和星光切线高度作为观测量，结合恒星、地球和卫星之间的几何关系，建立直接