基于单星测量的星光惯性组合导航

乔川; 李晓; 庞少龙; 闫蓬勃; 李丹凤; 夏梦绮; 徐卿

doi:10.37188/OPE.20212903.0503

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基于单星测量的星光惯性组合导航

更新时间：2021-04-09

- 基于单星测量的星光惯性组合导航
- Starlight-inertial integrated navigation based on single star vector
- 光学精密工程 2021年29卷第3期页码：503-512
- 作者机构：
  
  1.北京控制工程研究所，北京100190
  2.空间光电测量与感知实验室，北京100190
- 作者简介：
  
  [ "乔　川（1993-），男，北京人，博士，2019年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事星敏感器设计、星光惯性组合导航技术的研究。E-mail：qc_chuan@163.com" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(11903004;51905034)
- DOI：10.37188/OPE.20212903.0503
  中图分类号： V448.2
- 收稿日期：2020-07-09，
  
  修回日期：2020-09-01，
  
  纸质出版日期：2021-03-15
- 稿件说明：
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乔川,李晓,庞少龙等.基于单星测量的星光惯性组合导航[J].光学精密工程,2021,29(03):503-512.

QIAO Chuan,LI Xiao,PANG Shao-long,et al.Starlight-inertial integrated navigation based on single star vector[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(03):503-512.
乔川,李晓,庞少龙等.基于单星测量的星光惯性组合导航[J].光学精密工程,2021,29(03):503-512. DOI： 10.37188/OPE.20212903.0503.

QIAO Chuan,LI Xiao,PANG Shao-long,et al.Starlight-inertial integrated navigation based on single star vector[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(03):503-512. DOI： 10.37188/OPE.20212903.0503.

摘要

为减小杂光影响，全天时星光定向仪一般采用小视场，同一时刻只能观测一颗恒星无法输出姿态信息。本文提出一种基于单星测量的星光惯性组合导航系统，首先根据惯导输出的姿态和位置信息，控制转台和星光定向仪摆镜保证星光定向仪对目标导航星的观测，之后根据惯导的误差模型建立系统状态方程，根据星光定向仪测量的导航星方向矢量建立测量方程，利用卡尔曼滤波算法修正惯导输出的姿态位置信息。该方法引入星光定向仪与惯导安装误差作为系统状态量，在修正导航信息的同时对星光定向仪与惯导之间的安装误差进行估计，因此无需在实验室进行标定。通过仿真分析了不同安装姿态误差及不同惯导和星光定向仪误差对组合导航系统导航精度的影响。结果显示采用该方法导航1 h，位置精度优于90 m，姿态精度优于8″，相比利用实验室标定的安装姿态进行导航，该方法的精度更高。最后进行了静态导航实验，结果显示组合导航的位置误差为102.90 m，相比直接采用实验室标定的安装姿态进行解算结果提高近45.39%，验证了该算法的有效性。

Abstract

A small-field optical system is typically used in an all-day star sensor to reduce the stray light effect. Generally， only one star can be observed at a particular time by an all-day star sensor， and attitude information cannot be output. Therefore， a method of starlight-inertial integrated navigation based on a single star vector was developed in this study. First， the turntable and the mirror were controlled using the position and attitude information provided by the inertial navigation system to track the star. Next， the state equation was derived using the inertial navigation error model， and the measurement equation was established based on the direction vector of a single star， which was measured using the star sensor. The position and the attitude information were corrected through Kalman filtering. Because the installation attitude error was pulled in the state quantity， the installation attitude error and the navigation information were estimated simultaneously. It was unnecessary to calibrate the installation attitude between the star sensor and inertial navigation in the laboratory. Therefore， this method was proven to show stronger project practicability. The effects of the star sensor and inertial navigation error and the calibration error of the installation attitude were analyzed through simulation， which showed that the position and attitude errors after 1 h were less than 90 m and 8″， respectively. Compared to the navigation method， which is typically used for installation attitude calibration in the laboratory， this integrated navigation algorithm showed better accuracy. Finally， the validity of the integrated navigation algorithm was verified through static navigation tests. The navigation position error was 102.90 m， which was lower than that obtained based on the calibrated installation attitude by 45.39%.

关键词

Keywords

references

李葆华，刘国良，刘睿，等 . 天文导航中的星敏感器技术［J］. 光学精密工程， 2009 ， 17 （ 7 ）： 1615 - 1620 .

LI B H ， LIU G L ， LIU R ， et al . . Key techniques of star sensors for celestial navigation ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2009 ， 17 （ 7 ）： 1615 - 1620 . （in Chinese）

叶涛，杨飞 . 应用非线性优化算法自主标定星敏感器［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 9 ）： 2483 - 2489 .

YE T ， YANG F . Autonomous calibration of star sensors based on nonlinear optimization algorithm ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 9 ）： 2483 - 2489 . （in Chinese）

承德保，陆志东，岳亚洲 . 机载惯性/天文组合导航技术综述［J］. 光学与光电技术， 2009 ， 7 （ 3 ）： 49 - 52 .

CHENG D B ， LU ZH D ， YUE Y ZH . A survey on airborne inertial-celestial integrated navigation technology ［J］. Optics & Optoelectronic Technology ， 2009 ， 7 （ 3 ）： 49 - 52 . （in Chinese）

钱华明，郎希开，钱林琛，等 . 弹道导弹的捷联惯性/天文组合导航方法［J］. 北京航空航天大学学报， 2017 ， 43 （ 5 ）： 857 - 864 .

QIAN H M ， LANG X K ， QIAN L CH ， et al . . Ballistic missile SINS/CNS integrated navigation method ［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics ， 2017 ， 43 （ 5 ）： 857 - 864 . （in Chinese）

DIETZ K L ， RAMSEY B D ， ALEXANDER C D ， et al . . Daytime aspect camera for balloon altitudes ［J］. Optical Engineering ， 2002 ， 41 （ 10 ）： 2641 - 2651 .

卢欣，李春艳，李晓，等 . 星光导航技术现状与发展综述［J］. 空间控制技术与应用， 2017 ， 43 （ 4 ）： 1 - 8 .

LU X ， LI CH Y ， LI X ， et al . . Current situation and development trends of starlight navigation technology ［J］. Aerospace Control and Application ， 2017 ， 43 （ 4 ）： 1 - 8 . （in Chinese）

袁红卫 . 光电导航技术与装备发展研究［J］. 光学与光电技术， 2011 ， 9 （ 1 ）： 88 - 92 .

YUAN H W . Research on electro-optical navigation technology and equipment development ［J］. Optics & Optoelectronic Technology ， 2011 ， 9 （ 1 ）： 88 - 92 . （in Chinese）

BELENKII M ， BRUNS D G ， RYE V A ， et al .. Daytime stellar imager ： US7349804 ［P］. 2008-03-25 .

徐卿，赵春晖，李晓 . 白昼星敏感器的研究现状及关键技术［J］. 光学技术， 2016 ， 42 （ 6 ）： 523 - 528 .

XU Q ， ZHAO CH H ， LI X . Current situation and key technologies of daytime star sensor ［J］. Optical Technique ， 2016 ， 42 （ 6 ）： 523 - 528 . （in Chinese）

Northrop Grumman LN- 120 G Stellar-Inertial Navigation System［Z/OL］ . http：//www.northropgrumman.com/Capabilities/LN120GStellarInertialNavigationSystem/Docume-nts/ln120g.pdf http://www.northropgrumman.com/Capabilities/LN120GStellarInertialNavigationSystem/Docume-nts/ln120g.pdf

杨波，王跃钢，徐洪涛 . 弹载惯性/卫星/星光高精度组合导航［J］. 中国惯性技术学报， 2010 ， 18 （ 4 ）： 444 - 449 .

YANG B ， WANG Y G ， XU H T . High-precision integrated inertial/satellite/starlight navigation for missile ［J］. Journal of Chinese Inertial Technology ， 2010 ， 18 （ 4 ）： 444 - 449 . （in Chinese）

张承 . 空天飞行器惯性/天文组合导航技术研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2012 .

ZHANG CH . Research on SINS/CNS Integrated Navigation Technique of Aerospace Vehicle ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2012 . （in Chinese）

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 Y ， WANG K D ， LIU B . INS/CNS integration schemes for a maneuvering spacecraft ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2012 ， 41 （ 6 ）： 1622 - 1628 . （in Chinese）

张金亮，秦永元，吴枫 . 捷联惯导基于星体跟踪器的高精度初始对准算法［J］. 中国惯性技术学报， 2013 ， 21 （ 1 ）： 22 - 25，36 .

ZHANG J L ， QIN Y Y ， WU F . Precise SINS initial alignment algorithm based on star tracker ［J］. Journal of Chinese Inertial Technology ， 2013 ， 21 （ 1 ）： 22 - 25，36 . （in Chinese）

王智，吴国栋 . 测绘相机立方镜与星敏立方镜转换矩阵的标定［J］. 光学精密工程， 2012 ， 20 （ 1 ）： 96 - 101 .

WANG ZH ， WU G D . Calibration of transition matrix on cubic prisms in mapping camera and star sensor ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2012 ， 20 （ 1 ）： 96 - 101 . （in Chinese）

焦宏伟，郭敬明，苏绪伟，等 . 船载星敏感器安装矩阵动态标定方法［J］. 光电工程， 2016 ， 43 （ 6 ）： 7 - 12 .

JIAO H W ， GUO J M ， SU X W ， et al . . A dynamic installation matrix calibration method of ship-borne star sensor ［J］. Opto-Electronic Engineering ， 2016 ， 43 （ 6 ）： 7 - 12 . （in Chinese）

郭敬明，赵金宇，何昕，等 . 船载高精度星敏感器安装角的标定［J］. 光学精密工程， 2016 ， 24 （ 3 ）： 609 - 615 .

GUO J M ， ZHAO J Y ， HE X ， et al . . Calibration of installation angle for high accuracy shipboard star sensor ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2016 ， 24 （ 3 ）： 609 - 615 . （in Chinese）

刘朝山 . 弹载星敏感器原理及系统应用［M］. 北京：国防工业出版社， 2010 .

LIU CH SH . Principle and Application of Missile Borne Star Sensor ［M］. Beijing ： National Defense Industry Press ， 2010 . （in Chinese）

秦永元 . 惯性导航［M］. 2版 . 北京：科学出版社， 2014 .

QIN Y Y . Inertial Navigation ［M］. 2nd Edition . Beijing ： Science Press ， 2014 . （in Chinese）

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