2008-05-14'航天器自主导航原理及应用第二章

航天器天文导航是通过观测天体来测定飞行中的航天器所在位置的技术。

天体和人造天体。

确位置。

在航天器飞行过程中那些便于用星载设备进行观测的自然天体就构成了天文导航的信标，通过对信标

在位置。

天文导航的主要资料：天文年历

天文导航设备：六分仪、星体跟踪器、天文罗盘等

间基准器，等

天文导航起源于航海，发展与航空，辉煌于航天 1730年出现了航海六分仪

1761年天文钟在海上试用成功

1837年美国人沙姆纳发明了等高线法

2.1.1

直到年代无线电导航技术问世前的二千多 航海和航空天文导航要求通过天体测量确定航行中运动体的位置和航向。2.1.1

2.1.1

优点：仪器简单可靠，测得位置时不用电源，不需影响

导航专家S.Levine等指出：“事实上，对于需要高性能和自主导航的场合，现代人和古代人一样，仍然可以信赖星体”

一、天文定位

度、纬度和相对于海平面的高度这三个参数，即要求进行三维定位。2.1.1

2.1.1 航海与航空天文定位与定向技术简况

2.1.1 航海与航空天文定位与定向技术简况

一、天文定位

经纬度，要使用天文钟和天文年历。

9 2.1.1

2.1.1 航海与航空天文定位与定向技术简况

2.1.1 航海与航空天文定位与定向技术简况

2.1.1

一、天文定位

船位的先验知识来判断真实的船位，若在导航时再增加第三颗星的观测，则称为三星导航，三星导航的三个等高圈必相交于真实船位。

一、天文定位

9导航技术的发展：改进天文观测仪器、简化计算程2.1.1

一、天文定位

9这种仪器在早期进行天体仰角测量时只能变化六分2.1.1

2.1.1 航海与航空天文定位与定向技术简况

2.1.1 航海与航空天文定位与定向技术简况

二、天文定向

的技术。

9 2.1.1

二、天文定向

9地平式：定向面与天体地平圈重合9赤道式：定向面与天体的赤经圈重合2.1.1

2.1.1 航海与航空天文定位与定向技术简况

三、天文导航在航海和航空中的应用

9天文导航方法利用对天体的光学测量进行定位定限制，因而只能离散地进行定位定向。2.1.1

2.1.1

三、天文导航在航海和航空中的应用

定向初值的方法，而用天文导航方法在一定时间间隔内修正其积累误差，使得系统的综合性能最佳。

深空探测的航天飞行的特点之一为飞行距离远，飞 特点之二是进行长时间的自由飞行，在自由飞行过程中，无法用惯性导航技术进行定位

特点之三是精度要求高

特点之四是要求航天器设备的功耗小、设备轻、可2.1.2

在现有的导航方法中，天文导航方法特别适用于这 虽然近地飞行的航天器目前主要采用地基轨道确定技术进行定位，但由于自主轨道位置保持以及在星上对收集的数据与图像进行预处理的需要都要求进行自主定位，因而天文导航在近地航天中也有广阔的应用前景。2.1.2

2.1.2

航天天文导航中的自主轨道确定与姿态确定，即定

的，一般说来由于轨道变化比姿态变化缓慢，在精度要求高的情况下，希望轨道确定和姿态确定互相分开。

2.1.2

航天天文导航不同于航海和航空：

92 航天飞行器飞行过程中，外力对飞行器运动的影

后，可以通过计算得出以后各时刻航天器的位置与

直接敏感地平、利用星光折射间接敏感地平

息的基础上，利用滤波技术精确估计航天器的位置和速度 同航天器基于轨道动力学方程的天文导航基本原理

1.直接敏感地平自主天文导航方法的基本原理

利用星敏感器观测导航恒星得到该星光在星敏感器测量坐标系的方向，通过星敏感器安装矩阵的转换，可算得星光在航天器本体坐标系中的方向

利用红外地球敏感器或空间六分仪直接测定航天器垂线方向或航天器至地球边缘的切线方向，得到地心矢量在航天器本体坐标系中的方向

继而得到天文量测信息如星光角距等，再结合轨道动力学方程和先进的滤波技术即可估计出航天器的位置信息。1.直接敏感地平自主天文导航方法的基本原理

1.直接敏感地平自主天文导航方法的基本原理

利用星敏感器同时观测两颗星，一颗星的星光高度远大于大气层的高度，星光未受折射，而另一颗星的星光则被大气折射，这样两颗星光之间的角距将不同于标称值，该角距的变化量即为星光折射角。2.利用星光折射间接敏感地平自主天文导航基本原理

2.利用星光折射间接敏感地平自主天文导航基本原理

星光折射角与大气密度之间存在较精确的函数关系，而大气密度随高度的变化也有较准确的模型，从而可以精确地确定出折射星光在大气层中的高度r k，这个观测量反映了航天器与地球之间的几何关系，从中可以获得间接的地平信息。

2.利用星光折射间接敏感地平自主天文导航基本原理

由于星敏感器的精度远高于地平仪的精度，因此，利用星光折射法可以得到更为精确的航天器位置信息。2.利用星光折射间接敏感地平自主天文导航基本原理

航天器纯天文几何解析方法基本原理

由于天体在惯性空间中任意时刻的位置是可以确定的，因此通过航天器观测得到的天体方位信息，就可以确定航天器在该时刻姿态信息。

但要确定航天器在空间中的位置，则还需要位置已知的近天体的观测数据。

位置面是当被测参数为常值时，飞行器可能位置形 在任一时刻t 要由测量装置提供足够的位置面才能进行空间定位。

面，通过位置面的组合进行定位的方法2.2.1

（1）用来进行导航的天体，在观测时刻对已知坐标99太阳系中的天体称为近天体，并认为近天体是半径为已知的圆球9恒星称为远天体2.2.2