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一种高精度的星光折射天文导航观星方法

詹先军,  王新龙

詹先军,王新龙. 一种高精度的星光折射天文导航观星方法[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(10):3627-3634
引用本文: 詹先军,王新龙. 一种高精度的星光折射天文导航观星方法[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(10):3627-3634
Zhan X J,Wang X L. A high-precision starlight refraction celestial navigation observation method[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(10):3627-3634 (in Chinese)
Citation: Zhan X J,Wang X L. A high-precision starlight refraction celestial navigation observation method[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(10):3627-3634 (in Chinese)

一种高精度的星光折射天文导航观星方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2025.0491
基金项目: 

国家自然科学基金(61673040); 航空科学基金(20170151002); 天地一体化信息技术国家重点实验室基金(2015-SGIIT-KFJJ-DH-01)

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:xlwon@163.com

  • 中图分类号: V448.22+4

A high-precision starlight refraction celestial navigation observation method

Funds: 

National Natural Science Foundation of China (61673040); Aeronautical Science Foundation of China (20170151002); Open Research Fund of State Key Laboratory of Space-Ground Integrated Information Technology (2015-SGIIT-KFJJ-DH-01)

More Information
  • 摘要:

    在星光折射间接敏感地平定位方法中,传统固定视轴观星方案导致折射星数量少,且分布不均匀,进而影响星光折射定位的精度和可靠性。为此,提出了一种高精度的星光折射天文导航观星方案。根据平流层大气所形成的折射环带与星敏感器视场(FOV)之间的几何关系,建立了星敏感器视场对折射环带的覆盖面积与视轴高度角之间的关系模型,通过折射环带的覆盖面积最大化,结合飞行器的飞行参数,确定星敏感器视轴的最佳高度角,以提高可观测折射星数量;通过推导构建折射星空间构型与定位精度之间的定量关系模型,基于最小定位精度因子(PDOP)准则,确定折射星最佳空间几何构型,进而得到星敏感器视轴的最佳方位角,从而借助星光折射间接敏感地平定位方法实现对折射星连续、均匀的观测,以提高天文导航的定位精度。仿真验证结果表明,与传统观测方案相比,所提观测方案的位置与速度估计误差分别提升了75.7%和66.7%。

     

  • 图 1  星光折射间接敏感地平定位原理

    Figure 1.  Principle of starlight refraction indirect horizon-sensing positioning

    图 2  视高度为20~50 km的折射星光

    Figure 2.  Refracted starlight with apparent height of 20-50 km

    图 3  天球坐标系下星敏感器视轴指向示意图

    Figure 3.  Schematic diagram showing the line of sight of a star sensor in celestial coordinate system

    图 4  折射星地心法向矢量的几何分布示意图

    Figure 4.  Distribution of refracted star geocentric normal vector between the star and the Earth

    图 5  折射星的最优几何构型

    Figure 5.  Optimal geometry of refracted stars

    图 6  折射星光观测方案实施流程

    Figure 6.  Flowchart of the refracted starlight observation plan

    图 7  星敏感器折射星光观测示意图

    Figure 7.  Observation of refracted starlight by star sensor

    图 8  不同折射星观测方案的位置估计误差

    Figure 8.  Position errors of different refracted star observation schemes

    图 9  不同折射星观测方案的速度估计误差

    Figure 9.  Velocity errors of different refracted star observation schemes

    图 10  不同观测方位角下的位置估计误差

    Figure 10.  Position errors under different observation azimuths

    图 11  不同观测方位角下的速度估计误差

    Figure 11.  Velocity errors under different observation azimuths

    图 12  不同飞行高度下的位置估计误差

    Figure 12.  Position errors at different flight heights

    图 13  不同飞行高度下的速度估计误差

    Figure 13.  Velocity errors at different flight heights

    表  1  不同折射星观测方案的导航精度对比

    Table  1.   Comparison of navigation accuracy by different refracted star observation schemes

    折射星光
    观测方案
    位置估计误差/m 速度估计误差/(m·s−1)
    均值 均方差 均值 均方差
    传统方案 100.28 143.85 0.34 0.51
    本文观测方案 45.48 34.95 0.06 0.17
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    表  2  不同观测方位角的导航精度对比

    Table  2.   Comparison of navigation accuracy of different observation azimuths

    观测方位角
    之差/(°)
    位置估计误差/m 速度估计误差/(m·s−1)
    均值 均方差 均值 均方差
    30 186.22 349.77 0.81 0.86
    60 103.72 125.74 0.24 0.59
    120 45.48 34.95 0.06 0.17
    下载: 导出CSV

    表  3  不同飞行高度的导航精度对比

    Table  3.   Comparison of navigation accuracy at different flight heights

    飞行高度/km 位置估计误差/m 速度估计误差/(m·s−1)
    均值 均方差 均值 均方差
    500 45.48 34.95 0.06 0.17
    1000 86.97 75.74 0.33 0.28
    2000 163.76 112.40 0.56 0.53
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-07-17
  • 录用日期:  2025-09-08
  • 网络出版日期:  2025-09-30
  • 整期出版日期:  2026-10-31

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