三视场红外地球敏感器导航算法分析及研究.pdf

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1、第３７卷第６期仪器仪表学报Ｖｏｌ３７Ｎｏ６２０１６年６月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＪｕｎ．２０１６三视场红外地球敏感器导航算法分析及研究１，２１，２１，２王洪剑，邢飞，尤政（１．清华大学精密仪器系北京１０００８４；２．清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室北京１０００８４）摘要：红外地球敏感器广泛运用于空间飞行器，尤其是在地球轨道附近。目前最新的静态地球敏感器使用焦平面探测器来覆盖整个地球红外辐射圆。若面向飞行在７０～１００ｋｍ处的临近空间飞行器，地球敏感器就需要有很大的视场（＞

2、１２０°）且相对分辨率很低。针对临近空间飞行器的天文导航运用，采用线阵ＣＣＤ作为探测器，设计了一个三视场红外地球敏感器。地球敏感器的３个视场按照二维角度均匀分布以确保每个光学头能够均匀地指向地球红外辐射圆上。每个ＣＣＤ覆盖２０°以便能够精确地分辨地球辐射和空间的边界点。综合考虑地球辐射模型和地球扁率等因素，利用地球敏感器观测的向量可以获得地球水平、地心矢量和飞行高度。以７０～１００ｋｍ飞行高度为示例，建立相应的数学模型，同时提出了相应的姿态和高度确定算法并进行了仿真。综合上述分析，研制了一套三视场地球敏感器原理样机并进行相关测试。仿

3、真和实验结果表明：高度测量精度优于２００ｍ，姿态测量精度优于０．００２°。关键词：红外地球敏感器；三视场；牛顿拉普森方法；姿态测量；高度测量中图分类号：ＴＨ７５２Ｖ４４８文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：４６０．４０３０ＮｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｔｕｄｙｏｆｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｗｉｔｈｔｒｉｐｌｅＦＯＶｉｎｆｒａｒｅｄｅａｒｔｈｓｅｎｓｏｒ１，２１，２１，２ＷａｎｇＨｏｎｇｊｉａｎ，ＸｉｎｇＦｅｉ，ＹｏｕＺｈｅｎｇ（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＩｎｓｔｒｕ

4、ｍｅｎｔｓ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｆｒａｒｅｄｅａｒｔｈｓｅｎｓｏｒｓａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｓｐａｃｅｃｒａｆｔ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｏｎｅｓａｒｏｕｎｄｅａｒｔｈｏｒｂｉｔ．Ｎｏｗａｄａｙｓｔｈｅｓｔａｔｅｏｆａｒｔｓｔａｔｉｃ

5、ｅａｒｔｈｓｅｎｓｏｒｅｍｐｌｏｙｓａｆｏｃａｌｐｌａｎｅｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒｔｏｃｏｖｅｒｔｈｅｅｎｔｉｒｅｅａｒｔｈｉｎｆｒａｒｅｄｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎｃｉｒｃｌｅ．Ａｓａｒｅｓｕｌｔ，ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｎｅａｒｓｐａｃｅｖｅｈｉｃｌｅｓａｔｔｈｅｈｅｉｇｈｔｏｆ７０～１００ｋｍ，ｔｈｅｅａｒｔｈｓｅｎｓｏｒｎｅｅｄｓｔｏｈａｖｅａｖｅｒｙｌａｒｇｅｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗ（ＦＯＶ）（＞１２０°）ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅａｃｃｕｒａｃｙｉｓｐｏｏｒ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｎｅａｒｓｐａ

6、ｃｅｖｅｈｉｃｌｅａｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ａｔｒｉｐｌｅＦＯＶ（ｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗ）ｉｎｆｒａｒｅｄｅａｒｔｈｓｅｎｓｏｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｕｓｉｎｇｌｉｎｅＣＣＤｓａｓｔｈｅｄｅｔｅｃｔｏｒｓ．ＴｈｒｅｅＦＯＶｓｏｆｔｈｅｅａｒｔｈｓｅｎｓｏｒａｒｅｕｎｉｆｏｒｍｌｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｉｎ２ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌａｎｇｌｅｉｎｓｐａｃｅ，ｗｈｉｃｈｇｕａｒａｎｔｅｅｓｔｈａｔｅａｃｈｏｐｔｉｃａｌｈｅａｄｉｓｕｎｉｆｏｒｍｌｙｐｏｉｎｔｉｎｇｔｏｔｈｅｓｐｏｔｓｏｎｔｈｅｅ

7、ａｒｔｈｉｎｆｒａｒｅｄｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎｃｉｒｃｌｅ．ＥａｃｈＣＣＤｏｎｌｙｃｏｖｅｒｓａｎＦＯＶｏｆ２０°，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙｐｏｉｎｔｓｂｅｔｗｅｅｎｅａｒｔｈｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎａｎｄｓｐａｃｅａｒｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｅｄ．Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｅａｒｔｈｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｅａｒｔｈｏｂｌａｔｅｎｅｓｓａｎｄｅｔｃ．，ｆｒｏｍｔｈｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｖｅｃｔｏｒｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｔｈｅｅａｒｔｈｓｅｎｓｏｒ，

8、ｔｈｅｅａｒｔｈｈｏｒｉｚｏｎ，ｇｅｏｃｅｎｔｒｉｃｖｅｃｔｏｒａｎｄｆｌｙｉｎｇａｌｔｉｔｕｄｅｃｏｕｌｄｂｅｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙｏｂｔａｉｎｅｄｉｎｔｈｅｎｅａｒｓｐａｃｅｖｅｈｉｃｌｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ．Ｔ