一种基于星光/地磁组合信息的小卫星自主导航系统及其导航方法

摘要

本发明提出一种基于星光/地磁组合信息的小卫星自主导航系统及其导航方法，属于组合导航技术领域。该自主导航系统包括星敏感器测量系统、地磁场测量系统、轨道确定系统和姿态确定系统；该导航方法包括：导航系统状态方程的建立、导航系统的量测方程建立和基于UKF的组合导航系统信息融合。本发明利用大视场星敏感器同时观测多颗导航星的星光矢量信息，弥补因磁强计测量噪声过大引起的缺陷，从而获得较高的导航精度。且本发明充分利用磁强计和星敏感器的测量值中包含的轨道和姿态信息，综合考虑各种因素的影响建立系统的量测方程，提高了滤波器对测量噪声的适应能力和稳定性，适用于对于采用小型廉价自主导航系统的低轨小卫星的导航。

主权项

一种基于星光/地磁组合信息的小卫星自主导航系统，其特征在于：包括星敏感器测量系统、地磁场测量系统、轨道确定系统和姿态确定系统；星敏感器测量系统包括大视场星敏感器、数据采集单元、星图识别单元、导航星历和星光矢量获取单元；大视场星敏感器将测量得到的星光矢量信息提供给数据采集单元和星光矢量获取单元；数据采集单元对来自大视场星敏感器的星光矢量信息进行数据预处理，将预处理信息发送至星图识别单元；星图识别单元根据来自数据采集单元的预处理信息和导航星历提供的参考信息进行星图匹配，获得星光矢量在惯性坐标系下的分量并将其提供给星光矢量获取单元；星光矢量获取单元将大视场星敏感器测得星光矢量和星光矢量在惯性坐标系下的分量提供给轨道确定系统和姿态确定系统；地磁场测量系统包括三轴磁强计、国际地磁场模型和地磁矢量误差获取单元，三轴磁强计通过测量地球表面以及近地空间的地磁场，获得当地地磁场矢量在卫星本体坐标系中的分量，地磁场矢量的测量值；国际地磁场模型提供地磁场矢量的估计值；地磁矢量误差获取单元利用三轴磁强计测得的地磁场矢量的测量值和国际地磁场模型得到的估计值计算二者的地磁场矢量误差，并将其提供给轨道确定系统和姿态确定系统；轨道确定系统包括卫星轨道动力学模型单元、β角获取单元、UKF滤波器A单元以及卫星轨道信息获取单元；轨道确定系统根据轨道动力学模型单元建立用于轨道确定的状态方程，并将该状态方程发送至UKF滤波器A单元；β角获取单元利用得到的地磁场矢量的测量值和星光矢量信息计算二者之间的夹角，并将其作为观测量提供给UKF滤波器A单元；UKF滤波器A单元根据得到的观测量和用于轨道确定的状态方程，进行信息融合，实时估计并校正卫星的轨道参数误差，并将获得的轨道参数提供给卫星轨道信息获取单元；卫星轨道信息获取单元将得到的轨道参数提供给卫星，完成卫星的轨道确定；姿态确定系统包括卫星姿态动力学模型单元、UKF滤波器B单元、姿态预估单元、姿态误差估计单元和卫星姿态信息获取单元，姿态确定系统根据姿态动力学模型单元建立用于姿态确定的状态方程；UKF滤波器B单元根据得到的测量信息和用于姿态确定的状态方程，进行信息融合；姿态预估单元根据姿态动力学模型单元获得的姿态信息对卫星姿态进行预估计，得到姿态预估信息；姿态误差估计单元根据来自UKF滤波器B单元的信息估计卫星的姿态误差；姿态预估单元和姿态误差估计单元通过信息交流实现姿态校正，姿态预估单元将校正后的姿态信息提供给卫星姿态信息获取单元；卫星姿态信息获取单元将得到的姿态信息提供给卫星，实现卫星的姿态确定。