运动载体的惯性/天文导航系统仿真研究

　　1　引言

　　惯性导航系统(InertialNavigation System, INS)是以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统[1]。它能够自主隐蔽进行连续的三维空间定位、定向、跟踪以及反映航行体的任何机动,且输出平稳,但由于陀螺等惯性器件的漂移使导航输出误差随时间而积累,使得载体的定姿定位遇到一定的障碍。

　　天文导航系统(CelestialNavigation System, CNS)和惯性导航系统同属于自主导航系统,它是利用光学敏感器测得的天体(如月球、地球、太阳、其他行星和恒星)信息,经解算确定测量点所在载体的导航信息。

　　天文导航系统具有误差不随时间积累的优势,而且测量精度高。结合两者的优势,文献[2][3]中通过建立不同数学模型,利用天文导航系统中星敏感器输出信息对惯性导航系统信息进行修正,进而提高了载体的导航精度。但文献中研究对象多是低动态载体,载体姿态变化非常缓慢,且都忽略了天文导航数据输出延迟到来而带来的载体定姿定位不准的问题。为了探索将天文导航系统应用于姿态变化相对较快的载体,本文研究利用一种在卡尔曼滤波校正过程中补偿延迟误差的数据处理方法,补偿天文导航系统输出延迟带来的误差,并进行了仿真分析。仿真结果表明该方法能较好的对运动载体进行定姿定位。

　　2　SINS/CNS组合导航系统原理

　　所谓组合导航就是通过系统控制和数据处理方法或信息融合算法将多种导航手段综合利用或组成最优工作方式的一种导航系统。采用组合导航的方式,可有效利用来自各种设备的导航信息。

　　星敏感器是当前广泛应用的光学姿态敏感器,它是天文导航系统中一个很重要的组成部分,它以恒星作为姿态测量的参考源,可输出恒星在星敏感器坐标下的矢量方向,为航天器的姿态控制和天文导航系统提供高精度测量数据方程。星敏感器姿态信息获取的工作原理为:恒星所发出的星光通过光学系统成像在CCD光敏面上,由CCD信号检测电路将星光的光能转化成模拟信号,模拟信号处理单元对其进行放大、滤波、整形等处理后,模数转换单元对其进行模数转换和数据采集。当天空星图以数字量的形式存储于内存时,数据处理单元对数字化后的星图进行处理,星提取软件对星图进行大目标剔出、星点提取、星点坐标计算和星等计算。星识别软件对星图中的星按匹配方法构造匹配模式,与导航星库中的已有模式进行匹配、处理,形成观测星与导航星的唯一匹配星对。利用匹配星对,姿态计算软件通过姿态计算方法确定星敏感器光轴在惯性空间中的指向,最后由姿态指向及星敏感器与载体安装误差关系就可以完成载体瞬时姿态的测量[5][6][7]。