基于导航恒星几何分布的天文导航定姿系统误差建模及误差特性研究

doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2015.10.015

兵工学报 ›› 2015, Vol. 36 ›› Issue (10): 1933-1942.doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2015.10.015

基于导航恒星几何分布的天文导航定姿系统误差建模及误差特性研究

王丽娜^1,2，赵慧³，熊智³，郁丰³，施丽娟³

（1.北京航空航天大学计算机学院数字媒体北京市重点实验室，北京 100191；

收稿日期:2015-04-17 修回日期:2015-04-17 上线日期:2015-12-11
作者简介:王丽娜（1979—），女，高级工程师
基金资助:
国家自然科学基金项目(61374115、61203197、61203188、61533008、61533009)；江苏省六大人才高峰项目(2013-JY-013)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(NZ2014406、NP2015406、NJ20150012、NP20152212、NS2014031 )；南京航空航天大学研究生创新基地（实验室）开放基金项目(kfjj20150315)

Modeling and Error Characteristics Analysis of Celestial Attitude Determination Error Based on Geometric Configuration ofGuide Stars

WANG Li-na^1,2, ZHAO Hui³, XIONG Zhi³, YU Feng³, SHI Li-juan³

（1.Beijing Key Laboratory of Digital Media, School of Computer Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China;2.National Laboratory of Aerospace Intelligent Control Technology, Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China; 3.College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu, China）

Received:2015-04-17 Revised:2015-04-17 Online:2015-12-11

摘要/Abstract

摘要： 导航恒星作为天文导航系统定姿的基础信息源，其空间分布对天文导航系统定姿性能存在较大影响。为有效分析天文定姿误差特性，基于天文定姿观测基本原理，采用多矢量天文定姿方法，推导建立了天文定姿误差模型，基于该模型分析了影响天文定姿性能的关键因素，并给出用于评价定姿性能优劣的误差权系数定义。以多矢量定姿中的三星观测定姿为例，采用仿真验证了所建立的基于恒星几何分布的天文定姿误差模型的正确性，该误差模型能够有效反映天文定姿的误差特性规律，为分析天文定姿性能提供了理论依据。

关键词: 控制科学与工程, 多矢量定姿, 恒星空间分布, 误差模型

Abstract: As the basic element of celestial attitude determination, the geometric distribution of guide stars has a great impact on the performance of celestial navigation system. In order to analyze the error characteristics of celestial attitude determination,an error model based on basic celestial attitude determination principles is established by adopting the method of multi-vectors attitude determination, and the weighting coefficients are provided for assessment. Taking tri-star observation for example, the error model is verified by applying digital simulation. The proposed model can be used to analyze the performance of celestial attitude determination effectively, providing theoretical basis for error characteristics analysis.

Key words: control science and engineering, multi-vectors attitude determination, geometric distribution of guide stars, error model

中图分类号:

V249.3

王丽娜，赵慧，熊智，郁丰，施丽娟. 基于导航恒星几何分布的天文导航定姿系统误差建模及误差特性研究[J]. 兵工学报, 2015, 36(10): 1933-1942.

WANG Li-na, ZHAO Hui, XIONG Zhi, YU Feng, SHI Li-juan. Modeling and Error Characteristics Analysis of Celestial Attitude Determination Error Based on Geometric Configuration ofGuide Stars[J]. Acta Armamentarii, 2015, 36(10): 1933-1942.

参考文献

［1］何炬. 国外天文导航技术发展综述［J］. 舰船科学技术, 2006, 27(5): 91-96.
HE Ju. Survey of overseas celestial navigation technology development ［J］. Ship Science and Technology, 2006, 27(5): 91-96.（in Chinese）
［2］房建成, 宁晓琳. 天文导航原理及应用［M］. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2006.
FANG Jian-cheng, NING Xiao-lin. Principle and application of celestial navigation［M］. Beijing: Beihang University Press, 2006. （in Chinese）
［3］屈蔷. 机载捷联惯性/天文组合导航系统关键技术研究［D］.南京: 南京航空航天大学, 2012.
QU Qiang.Research on key technique of airborn SINS/CNS integrated navigation system ［D］. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2012.（in Chinese）
［4］屈蔷, 刘建业, 熊智. 基于加性四元数误差方程的惯性/天文姿态组合算法［J］. 中国惯性技术学报, 2011(3): 316-319.
QU Qiang, LIU Jian-ye, XIONG Zhi. Inertial/celestial attitude integrated algorithm based on additive quaternion ［J］. Journal of Chinese Inertial Technology, 2011(3): 316-319.（in Chinese）
［5］刘建业, 曾庆化, 赵伟，等. 导航系统理论与应用［M］. 西安: 西北工业大学出版社, 2010.
LIU Jian-ye, ZENG Qing-hua, ZHAO Wei, et al. Theory and application of navigation system［M］. Xi’an: Northwestern Polytechnical University Press, 2010. (in Chinese)
［6］ Brown D C. Close-range camera calibration［J］. Photogrammetric Engineering, 1971, 37: 855-866.
［7］ Brown D C. Decentering distortion of lenses［J］. Photometric Engineering, 1966, 32（3）: 444-462.
［8］ Liebe C C. Star trackers for attitude determination［J］. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine,1995, 10（6）: 10-16.
［9］ Singla P,Griffith D T,Crassidis J L，et al. Attitude determination and autonomous on-orbit calibration of star tracker for the gifts mission［J］. Advances in the Astronautical Sciences, 2002, 112（12）: 19- 38.
［10］ Sun Y,Xiao Y,Geng Y. On-orbit calibration of star sensor based on a new lens distortion model［C］∥The 32nd Chinese Control Conference. Xi’an, China：IEEE，2013：4989-4994.
［11］ Sanz J L. Image technology: advances in image processing, multimedia and machine vision［M］. Berlin: Springer，1996.
［12］ Alexander B F，Ng K C. Elimination of systematic error in subpixel accuracy centroid estimation［J］. Optical Engineering, 1991, 30（9）: 1320-1331.
［13］王鹏, 张迎春. 基于SINS/星敏感器的组合导航模式［J］. 东南大学学报：自然科学版, 2005，35(S2): 84-89.
WANG Peng, ZHANG Ying-chun.Integrated navigation mode based on the SINS/star sensor ［J］. Journal of Southeast University：Natural Science Edition,2005，35(S2): 84-89.（in Chinese）
［14］黄远, 王可东, 刘宝. 机动天基平台惯性/天文导航组合模式研究［J］. 红外与激光工程, 2012，41(6): 1622-1628.
HUANG Yuan, WANG Ke-dong, LIU Bao. INS/CNS integrations chemes for a maneuvering spacecraft ［J］. Infrared and Laser Engineering, 2012，41(6): 1622-1628.（in Chinese）
［15］郑振宇, 高延滨, 何昆鹏，等. 星敏感器辅助的捷联光纤航姿误差在线估计方法研究［J］. 兵工学报, 2014，35(4): 509-515.
ZHENG Zhen-yu, GAO Yan-bin, HE Kun-peng, et al. Online error estimation of fiber-optic gyroscope strapdown attitude and heading reference system aided by star sensors ［J］. Acta Armamentarii, 2014，35(4): 509-515. （in Chinese）
［16］何家维. 高精度全天时星敏感器关键技术研究［D］. 长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2013.
HE Jia-wei. Study on the key technologies for high-accuracy and all-time star sensor［D］. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,2013. (in Chinese)

[1]	李加申, 王晓芳, 林海. 引入虚拟目标的高超声速巡航导弹智能机动突防策略[J]. 兵工学报, 0, (): 0-0.
[2]	邓廷祥, 任鹏, 程甲, 汪建兵, 梁振杰, 相征. 面向集群协同的两点相对定位技术[J]. 兵工学报, 2023, 44(S2): 22-34.
[3]	曹正阳, 张冰, 白屹轩, 勾柯楠. GNSS/INS/VNS组合定位信息融合的多无人机协同导航方法[J]. 兵工学报, 2023, 44(S2): 157-166.
[4]	曹昊哲, 刘全攀. 基于半直接法的无人集群协同视觉SLAM算法[J]. 兵工学报, 2023, 44(11): 3345-3358.
[5]	常振军，张志利，周召发，徐志浩，郭琦. 基于尺寸效应在线补偿的旋转捷联惯性导航系统初始对准[J]. 兵工学报, 2020, 41(10): 2016-2022.
[6]	任元斌，王惠林，谢娜，刘栋，韩瑞. 光电稳瞄系统前向运动及地理扫描[J]. 兵工学报, 2020, 41(8): 1519-1528.
[7]	景羿铭，王融，熊智，赵耀，刘建业. 空天飞行器多源多余度模糊容错导航系统设计方法[J]. 兵工学报, 2020, 41(4): 670-680.
[8]	沈世斌，谢非，赵静，钱伟行，康国华，刘锡祥. 基于相位控制的惯性与卫星超紧组合导航系统信号解调方法[J]. 兵工学报, 2020, 41(3): 495-506.
[9]	严丹，邓志红，张雁鹏. 一种微惯性与磁组合测量单元的姿态解算方法[J]. 兵工学报, 2019, 40(12): 2447-2456.
[10]	董春梅，任顺清，陈希军，李巍. 一种激光陀螺捷联惯性导航系统级标定方法[J]. 兵工学报, 2019, 40(8): 1618-1626.
[11]	彭博，岑梦希. 速度匹配加机动辅助的滚转弹滚转角空中对准法[J]. 兵工学报, 2019, 40(7): 1390-1400.
[12]	徐昊玮，廉保旺，刘尚波. 基于滑动窗迭代最大后验估计的多源组合导航因子图融合算法[J]. 兵工学报, 2019, 40(4): 807-819.
[13]	刘生攀, 王文举, 饶兴桥. 单轴旋转捷联惯性导航系统误差分析与转位方案研究[J]. 兵工学报, 2018, 39(9): 1749-1755.
[14]	王蕾，王玮，刘增军，宋天骁. 混合式惯性导航系统全数字平台技术研究[J]. 兵工学报, 2018, 39(7): 1316-1322.
[15]	闵艳玲，熊智，邢丽，刘建业，殷德全. 基于对偶四元数的惯性/卫星/天文组合导航系统改进联邦滤波方法[J]. 兵工学报, 2018, 39(2): 315-324.

基于导航恒星几何分布的天文导航定姿系统误差建模及误差特性研究

Modeling and Error Characteristics Analysis of Celestial Attitude Determination Error Based on Geometric Configuration ofGuide Stars

PDF

可视化

被引次数

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价