測(cè)日天文導(dǎo)航理論及技術(shù)研究.pdf

1、測(cè)日天文導(dǎo)航技術(shù)在月球/火星車自主導(dǎo)航、艦船導(dǎo)航及天文大地測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。論文分析了這一技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)，特別是針對(duì)目前存在的問題，展開了深入研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴目前國(guó)內(nèi)外主要采用灰度質(zhì)心法提取太陽(yáng)圖像質(zhì)心，算法抗噪能力差，精度較低，且沒有考慮視場(chǎng)邊緣非圓形太陽(yáng)圖像的質(zhì)心提取問題。本文采用Sobel+Zernike矩+圓擬合算法提取圓形太陽(yáng)圖像質(zhì)心，平均精度約為0.043pixels（1σ），目

2、前收集到的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中最好結(jié)果為0.072pixels，本文將這一精度提高了0.67倍。針對(duì)魚眼相機(jī)超大視場(chǎng)邊緣非圓形太陽(yáng)圖像，分別提出了Sobel+Zernike矩+橢圓擬合算法和Sobel+Zernike矩+球面圓擬合算法提取質(zhì)心，結(jié)果表明橢圓擬合算法更適合處理半視場(chǎng)角70o~80.3o的太陽(yáng)圖像，精度約為0.075pixels（1σ）；球面圓擬合算法更適合處理半視場(chǎng)角大于80.3o的太陽(yáng)圖像，精度約為0.082pixels（1σ）

3、。通過上述研究，實(shí)現(xiàn)了全天區(qū)太陽(yáng)圖像質(zhì)心提取，成功獲取了高精度的太陽(yáng)圖像質(zhì)心坐標(biāo)，為后續(xù)的導(dǎo)航解算提供了高質(zhì)量的觀測(cè)量。⑵針對(duì)基于半視場(chǎng)角約束的魚眼相機(jī)檢校模型在約束方位角誤差方面的不足，提出了基于矢量觀測(cè)的魚眼相機(jī)檢校模型。模型中的觀測(cè)量不僅包括天頂距，而且包括方位角。該模型通過引入羅德里格矩陣，采用三個(gè)羅德里格參數(shù)表示外方位元素，避免了復(fù)雜的三角函數(shù)計(jì)算，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算公式。在恒星法檢校的算例中，新模型與基于半視場(chǎng)角約束的魚眼相機(jī)檢

4、校模型相比，在約束半視場(chǎng)角誤差方面二者相當(dāng)，但在約束方位角誤差方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，新模型有效提高了魚眼相機(jī)的檢校精度。本文還將新模型應(yīng)用于魚眼相機(jī)測(cè)日自檢校，成功獲取了導(dǎo)航解算所需的相機(jī)參數(shù)。⑶目前采用的高度法測(cè)日絕對(duì)定位需要長(zhǎng)時(shí)間（一般大于30min）跟蹤觀測(cè)太陽(yáng)，影響了導(dǎo)航的實(shí)時(shí)性。論文從病態(tài)問題的角度看待測(cè)日定位問題，研究如何在超短跟蹤觀測(cè)時(shí)間（1min~2min）內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速、絕對(duì)定位。論文分析了高度法定位中病態(tài)問題產(chǎn)生的原因及診

5、斷方法，通過引入TSVD等有偏估計(jì)的方法在一定程度上改善了病態(tài)性，并針對(duì)初值對(duì)有偏估計(jì)的影響規(guī)律，進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，有偏估計(jì)總是能夠改善初值的精度，初值總是沿著太陽(yáng)方向穩(wěn)定收斂到一條與太陽(yáng)方向垂直的直線上，且這條直線通過真值。本文的研究可能具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，例如目前月球/火星車或地表其它載體在長(zhǎng)時(shí)間活動(dòng)中總會(huì)有短暫的停留，此時(shí)對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行1min~2min的觀測(cè)，將里程計(jì)或慣導(dǎo)推算的位置作為初值，采用有偏估計(jì)的方法重新估計(jì)位置，

6、可在一定程度上削弱里程計(jì)或慣導(dǎo)設(shè)備累計(jì)誤差的影響，提高絕對(duì)定位精度。⑷針對(duì)高度法測(cè)日絕對(duì)定位中的病態(tài)問題，本文從改進(jìn)定位模型的角度著手，提出了一種天文導(dǎo)航新算法。新算法從坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的角度看待天文定位問題，通過引入羅德里格矩陣，使得模型解算無(wú)需初值及迭代，且能夠?qū)崿F(xiàn)位置和航向的同時(shí)解算。在恒星定位的仿真算例中，與高度法定位相比，新算法將天文定位精度提高了30％~40%。在太陽(yáng)定位的仿真算例中，與高度法定位相比，新算法可以更好地克服測(cè)日定位中

7、的病態(tài)問題，提高定位精度，但提高程度與太陽(yáng)位置及跟蹤觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)有關(guān)。對(duì)實(shí)測(cè)的太陽(yáng)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，新算法將高度法的定位精度提高了大約12.8%。將新算法應(yīng)用于實(shí)際的魚眼相機(jī)測(cè)日定位，以30min為一個(gè)觀測(cè)時(shí)段，多個(gè)時(shí)段的定位誤差平均值約為3km。在相同的跟蹤觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，目前收集到的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中最好結(jié)果為8.546km，本文將這一精度提高了大約1.8倍。⑸將相關(guān)研究成果進(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用。一是將球面圓擬合算法應(yīng)用于全站儀測(cè)月快速定向，多個(gè)時(shí)段的定