【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及天文导航方法及系统，具体涉及一种中低轨飞行器空间自主定位导航方法及系统。
技术介绍
1、随着全球对太空探索和卫星应用需求的快速增长，飞行器的导航技术面临着日益增加的挑战。中低轨飞行器的导航通常依赖于无线电导航和卫星导航(如gps和北斗等)，同时也利用天文导航作为补充。然而，随着太空任务的数量持续增加，有限的地面站资源面临着过大的压力，维持这些地面站的运行需要大量的人力和物力投入。特殊时期，例如自然灾害或通信受阻时，传统的地基无线电导航和天基导航手段可能受到限制，从而影响中低轨飞行器的定位精度和安全。
2、相比之下，天文导航因其自主性特点，成为中低轨飞行器实现自主导航的一种重要手段。天文导航可以帮助中低轨飞行器在轨实现自主运行与管理，减少对地面站的依赖。然而，当前的天文导航技术主要应用于中低轨飞行器的姿态测量，对于精确的空间定位则存在局限性，这使得天文导航难以独立完成中低轨飞行器的空间坐标定位任务。因此，如何将天文导航与其他导航技术有机结合，以解决中低轨飞行器空间定位的难题，成为亟待解决的问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决当前的天文导航技术对于精确的空间定位则存在局限性，使得天文导航难以独立完成中低轨飞行器的空间坐标定位任务的不足之处，而提供一种中低轨飞行器空间自主定位导航方法及系统。
2、为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本专利技术提供了如下技术解决方案：
3、一种中低轨飞行器空间自主定位导航方法，其特殊之处在于，
4、步骤1、获取导航定位时的时间信息t0，并假设中低轨飞行器在导航定位时在地心惯性坐标系下的空间坐标为(xs，ys，zs)；
5、步骤2、通过星敏感器测量出中低轨飞行器导航定位时在地心惯性坐标系下的空间姿态角，进而得到姿态旋转矩阵r；
6、步骤3、通过与星敏感器固定安装在一起的摄影测量相机对至少两颗高轨卫星进行成像，得到高轨卫星图像，再提取第i颗高轨卫星在高轨卫星图像内的对应像点质心像素坐标(xi，yi)；
7、步骤4、利用时间信息t0、已编目的高轨卫星轨道信息，计算出第i颗高轨卫星导航定位时在地心惯性坐标系下的空间坐标(xi，yi，zi)；
8、步骤5、根据摄影测量物点像点共线关系可得：
9、
10、其中，f为摄影测量相机的光学系统焦距，a为摄影测量相机中成像传感器芯片的像元尺寸，(cx，cy)为摄影测量坐标系下主点坐标，λ为物像间的缩放系数；
11、代入步骤2得到的姿态旋转矩阵r，得到关于空间坐标(xs，ys，zs)的线性方程组，进而计算得到空间坐标(xs，ys，zs)，完成中低轨飞行器空间坐标定位。
12、进一步地，所述步骤2具体如下：
13、步骤2.1、通过星敏感器采集恒星图像，由恒星图像提取出恒星的测量位置，并与预存的星表进行匹配，得到恒星的已知位置；
14、步骤2.2、通过对比恒星的已知位置和测量位置，计算中低轨飞行器导航定位时在地心惯性坐标系下的空间姿态角；
15、步骤2.3、根据步骤2.2得到的空间姿态角，计算姿态旋转矩阵r如下：
16、r＝rx(φ)·ry(θ)·rz(ψ)
17、式中，rx(φ)、ry(θ)、rz(ψ)分别表示绕中低轨飞行器x轴、y轴、z轴的旋转矩阵。
18、进一步地，步骤3中，所述第i颗高轨卫星在高轨卫星图像内的对应像点质心像素坐标(xi，yi)通过亚像素细分定位算法提取。
19、进一步地，所述步骤4具体如下：
20、步骤4.1、根据已编目的高轨卫星轨道信息得到每颗高轨卫星的六个轨道参数，包括半长轴a、偏心率e、倾角i0、升交点赤经ω、近地点幅角ω、轨道初始的平近点角m0；
21、步骤4.2、根据每颗高轨卫星的六个轨道参数、时间信息t0，计算第i颗高轨卫星的空间坐标(xi，yi，zi)。
22、进一步地，所述步骤4.2具体如下：
23、步骤4.2.1、通过迭代方法求解开普勒方程，计算偏近点角e：
24、
25、m＝e-e·sin(e)
26、式中，m是轨道当前的平近点角，n是高轨卫星沿轨道运行的平均角速度，μ是地球的标准引力参数，tepoch是纪元时间；
27、步骤4.2.2、利用偏近点角e计算第i颗高轨卫星在轨道平面内的二维坐标(xo，yo)：
28、xo＝a+(cose-e)
29、
30、步骤4.2.3、将第i颗高轨卫星的二维坐标(xo，yo)转换到地心惯性坐标系，得到空间坐标(xi，yi，zi)；
31、
32、式中，rz、rx分别表示绕第i颗高轨卫星z轴、x轴的旋转矩阵。
33、进一步地，步骤5中，所述代入步骤2得到的姿态旋转矩阵r，得到关于空间坐标(xs，ys，zs)的线性方程组，进而计算得到空间坐标(xs，ys，zs)具体为：
34、设姿态旋转矩阵r为：
35、
36、再通过变形得到关于空间坐标(xs，ys，zs)的线性方程组：
37、
38、通过最小二乘法求解得到(xs，ys，zs)。
39、同时，本专利技术还提供一种中低轨飞行器空间自主定位导航系统，用于实现上述中低轨飞行器空间自主定位导航方法；
40、其特殊之处在于：包括安装底板，以及设置在安装底板上的星敏感器和摄影测量相机，星敏感器光轴与摄影测量相机光轴平行设置。
41、进一步地，所述星敏感器包括第一光学镜头、第一遮光罩、第一成像与数据处理模组；所述第一光学镜头用于成像，其位于星敏感器光轴上，且位于第一遮光罩内；
42、所述摄影测量相机包括第二光学镜头、第二遮光罩和第二成像与数据处理模组；所述第二光学镜头用于成像，其位于摄影测量相机光轴上，且位于第二遮光罩内；
43、所述第一成像与数据处理模组、第二成像与数据处理模组通讯连接，第一成像与数据处理模组用于根据中低轨飞行器在地心惯性坐标系下的空间姿态角计算姿态旋转矩阵r，并将中低轨飞行器在地心惯性坐标系下的空间姿态角发送给第二成像与数据处理模组，第二成像与数据处理模组用于提取至少两颗高轨卫星在高轨卫星图像内的对应像点质心像素坐标，并转换为在地心惯性坐标系下的空间坐标，再结合中低轨飞行器在地心惯性坐标系下的空间姿态角计算中低轨飞行器在导航定位时在地心惯性坐标系下的空间坐标。
44、相较现有技术，本专利技术的有益效果如下：
45、(1)本专利技术一种中低轨飞行器空间自主定位导航方法，利用星敏感器和摄影测量相机协同工作，通过获取飞行器导航定位时的时间信息和空间姿态角，计算姿态旋转矩阵，结合高轨卫星成像提取的像点质心像素坐标及高轨卫星轨道信息，利用物点像点共线关系建立线性方程组，最终求解中低轨飞行器在本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种中低轨飞行器空间自主定位导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种中低轨飞行器空间自主定位导航方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：
3.根据权利要求1所述的一种中低轨飞行器空间自主定位导航方法，其特征在于：步骤3中，所述第i颗高轨卫星在高轨卫星图像内的对应像点质心像素坐标(xi，yi)通过亚像素细分定位算法提取。
4.根据权利要求1至3任一所述的一种中低轨飞行器空间自主定位导航方法，其特征在于，所述步骤4具体如下：
5.根据权利要求4所述的一种中低轨飞行器空间自主定位导航方法，其特征在于，所述步骤4.2具体如下：
6.根据权利要求5所述的一种中低轨飞行器空间自主定位导航方法，其特征在于，步骤5中，所述代入步骤2得到的姿态旋转矩阵R，得到关于空间坐标(XS，YS，ZS)的线性方程组，进而计算得到空间坐标(XS，YS，ZS)具体为：
7.一种中低轨飞行器空间自主定位导航系统，用于实现权利要求1所述中低轨飞行器空间自主定位导航方法；
8.根据权利要求7所述的一种中低轨飞
...【技术特征摘要】
1.一种中低轨飞行器空间自主定位导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种中低轨飞行器空间自主定位导航方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：
3.根据权利要求1所述的一种中低轨飞行器空间自主定位导航方法，其特征在于：步骤3中，所述第i颗高轨卫星在高轨卫星图像内的对应像点质心像素坐标(xi，yi)通过亚像素细分定位算法提取。
4.根据权利要求1至3任一所述的一种中低轨飞行器空间自主定位导航方法，其特征在于，所述步骤4具体如下：
5.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：郝冲，肖茂森，常何民，张文博，申亮亮，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：
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