基于光电导航的伪卫星空中基站定位算法

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1、2012年6月第3期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology基于光电导航的伪卫星空中基站定位算法王玮1关宇威1胡胜军1刘宗玉2(1北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191)(2北京控制工程研究所，北京100083)摘要由于具有抗干扰能力强和布置灵活机动的特点，伪卫星在增强卫星系统和独立组网为用户提供更高精度导航定位信息方面具有广阔的应用前景。伪卫星空中基站的精确定位是构建伪卫星区域定位系统的一个关键问题。为此，研究了一种基于光电导航的定位算法，综合利用光电探测成像信息和惯

2、性导航信息，根据伪卫星空中基站的特点建立了相应的误差模型，并采用最小二乘法估计位置误差。计算机仿真结果表明所提算法简单，具有较大的实用价值。关键词光电导航空中基站定位惯性导航最小二乘估计伪卫星DOI：10．3780／j．issn．i000758X．2012．03．003l引言以GPS为代表的卫星导航系统具有精度高、全天候、全球性的特点，但GPS系统对于非美国国防部授权的用户在特殊环境下并不总是可靠的。在中国自己的卫星导航系统尚未完全工作前，建立一种替代系统——伪卫星区域定位系统显得尤其必要。伪卫星[】]也被称为陆基发射机或陆基

3、卫星，与导航卫星相比，伪卫星的一个突出的优点是成本低。不仅伪卫星本身的单价和维护费用比导航旱便宜得多，而且现有的用户接收机只需对相应的软件稍作升级即可接收伪卫星的信号，应用成本也不高。伪卫星还具有设置灵活机动、抗干扰性能好等特点。此外，用户可以根据应用需要来设计伪卫星的信号结构和电文格式，具有完全的自主权。因此，伪卫星技术得到了广泛的关注，不仅能够提高卫星定位系统的性能，还可用独立组网为用户提供导航定位信息。伪卫星空中基站能够扩大覆盖范围、改善几何布局、提高系统的灵活机动能力，已是基于伪卫星的区域定位系统发展的趋势。但是，伪卫

4、星空中基站的活动性使得其自身位置的实时确定成为保证定位系统性能的关键问题。因此，精确确定伪卫星空中基站的位置是其能否增强已有卫星系统或独立进行导航定位的前提。伪卫星空中基站一般建立在高空飞艇或直升机上，运动速度较低，姿态变化不大，尤其适合采用光电／惯性组合定位方法。光电／惯性组合定位系统利用光电成像系统获得地面景物特征信息，分辨出标志点，借以进行定位导航或辅助导航，具有较好的自主性和抗电子干扰能力，在导航定位领域得到越来越多的关注和应用k1]。本文研究了基于光电／惯性组合导航的伪卫星空中基站定位方法，并通过计算机仿真验证了算法

5、的有效性。该算法还可推广到高空飞艇等通讯、探测平台的精确定位，具有广阔的应用前景。国家自然科学基金(60804056)资助项目收稿U期：2011—07—20。收修改稿Lt期；2011-09—08中国空间科学技术2012年6月光电／惯性组合导航定位算法2．1坐标系定义本文研究中涉及以下坐标系¨j：1)地理坐标系(简称n系)采用东北天坐标系，原点为载体质心，X。轴指向东，y。轴指向北，Z。轴指向天顶。2)机体坐标系(简称b系)，原点位于载体质心，y。与机体轴平行，并且位于载体对称而内，Xe垂直于载体对称面指向右侧，z。由笛卡尔右手

6、准则确定。3)摄像机坐标系(简称C系)，使用理想的针孔摄像机模型，坐标原点为光学中心，y。为光轴方向，沿着光轴方向看去时，X。平行于像平面指向右侧，相应的z。平行于像平面指向上方。4)图像坐标系(平面坐标系统)原点0在图像的左下角，U轴平行于摄像机X。轴，V轴平行于摄像机Z。轴。以上坐标系之间的关系如图1所示，其中，摄像机坐标系与机体坐标系的原点是重合的，为了表示清楚将两个坐标系分开绘制。图1坐标系之间的关系Fig．1RelationshipofcoordinatesP圈=臣三墨]匡习=Fo匡]c·，扣抖引㈣fcosZ0一si

7、ny]f101fcosl／F—sinW01cy2【。二y。1。。o-]’G2k—co。；s蚶O。s。ib。纠’G。【8i：9。薯9：』!!!!笙!旦主垦窒塑型兰堇查!王-f1o1f。os口sinao]卵印弘l⋯--s印infl甜卜。o。sct0001j。’【co印J【oJ．DF一匡]=[蒌1=G醭[[圣]一匡i】]ca，实际上，载体的真实位置、姿态都是未知的，可使用惯导系统输出的位置、姿态信息，其与真巨三]=匡i1+【薹j，【兰]=【三]+[兰封式中(zh。，y∽z；。)7为惯导系统给出的载体在地理系下的位置坐标；(Ax，Ay

8、，Az)7为惯导位置误差；(护；。，’，；。，蛾。)7为惯导系统给出的载体姿态航向；(／X0，△y。△皿)’为惯导的姿态航向误差。由于惯导系统姿态误差对成像影响较小，可先不考虑，将惯导系统输出位置、航向代人式(4)，f“’1P+血1川=吒·I渺+△yI(5)式中8z—z。一z