[发明专利]一种结合地面影像与恒星光行差测量的航天器导航方法

说明书

本发明涉及一种结合地面影像与恒星光行差测量的航天器导航方法，所述方法包含以下步骤：S1：对遥感图像数据以及背景恒星图像数据进行预处理，并与标准数据库进行匹配；S2：基于遥感图像数据的预处理以及匹配结果，建立以地面特征景物视线矢量为观测量的导航观测模型；S3：根据背景恒星图像数据的匹配结果，建立基于恒星光行差测量的导航观测模型；S4：基于轨道动力学模型建立导航状态方程；S5：根据构建的导航量测方程和导航状态方程，采用扩展卡尔曼滤波算法，对导航状态量进行实时估计。本发明将对地成像导航与基于光行差观测的导航相结合，具有观测可靠性高、精度高的优点。

技术领域

本发明属于航天器自主导航技术领域，具体涉及一种结合地面影像与恒星光行差测量的航天器导航方法。

背景技术

随着航天技术的发展，各类空间探索任务对航天器导航技术提出了更高的要求。目前针对航天器的导航技术主要包含三类：基于地面站测控网络的地基导航，基于空间导航星座的天基导航和基于航天器自身搭载的导航敏感器的自主导航。现阶段的航天器导航与轨道确定主要依靠地基和天基的手段，但考虑到这些手段往往受到测控负担大，运行成本高，卫星特殊情况下的生存能力弱等因素的限制，发展航天器自主导航已成为未来航天的发展趋势之一。

鉴于航天器自主导航的巨大应用价值，世界各国相继开展了大量的自主导航理论及试验研究，所提出的方案包括依靠恒星敏感器、地球敏感器、磁强计、X射线探测器、测高测速雷达等各类设备进行自主导航。其中基于光学成像设备获取地面光学图像，从图像中提取导航观测量的方式，在如今遥感图像分辨率、测地产品标志物精度不断提高的背景下，具有很高的理论研究意义和工程应用前景。除此之外，背景恒星是一种可靠典型的空间基准，但在以往的研究中，利用背景恒星的观测主要用于航天器的姿态确定，随着测量能力的提高，利用恒星测量得到的各类数据，如已提出的测量恒星光频率变化等方式成为了新的天文导航发展方向。

发明内容

为达到上述目的，本发明提供了一种结合地面影像与恒星光行差测量的航天器导航方法包含以下步骤：

S1：对遥感图像数据以及背景恒星图像数据进行预处理，并与标准数据库进行匹配；

S2：基于S1步骤的预处理以及匹配结果，建立导航观测模型；

S3：基于轨道动力学模型建立导航状态方程；

S4：根据S2步骤得到的导航观测模型构建导航量测方程，结合该导航量测方程以及S3步骤建立的导航状态方程，选取集中式的扩展卡尔曼滤波算法，对导航状态量进行实时估计。

其中，S1步骤包含以下步骤：

S11：对实时获取的遥感图像数据进行预处理，该预处理包含大气矫正、图像去噪、图像地形起伏影响去除、图像地球曲率影响去除，从而完成对地球表面曲率、地球自转、大气折射引起的图像模糊、几何形变、辐射失真问题的矫正，通过与标准特征库进行匹配，提取得到用于自主导航的地面特征点；

S12：对实时获取的背景恒星图像数据进行预处理，并与Hipparcos以及Gaia星表进行匹配，获取对应恒星的视线矢量。

其中，所述步骤S2中，包含以下步骤：

S21：基于遥感图像数据的预处理以及匹配结果，建立以地面特征景物视线矢量为观测量的导航观测模型；

S22：根据背景恒星图像数据的匹配结果，建立基于恒星光行差测量的导航观测模型。

根据S11步骤的地面特征点，得到相对于地面特征点的视线矢量，结合地面特征点实际地固坐标，建立S21步骤的导航观测模型：

式子中，为航天器在第k张图像成像时刻的惯性位置，为第i个特征点在地固系下的坐标，为地固坐标系到惯性系的转换矩阵。