弹载星敏感器原理及系统应用PDF电子书下载

第1章 星光导航基础 1

1.1 恒星参考系 1

1.2 国际天球参考系 2

1.3 运动的瞬时参考架 2

1.4 时间系统 3

1.4.1 恒星时 4

1.4.2 世界时 4

1.4.3 历书时 6

1.4.4 原子时、协调时、力学时 6

1.4.5 时间和地理经度 7

1.4.6 儒略日 8

1.5 天球坐标系 10

1.5.1 天球基本点、线、圈 10

1.5.2 天球坐标 11

1.5.3 天球坐标变换关系 14

1.6 恒星的位置 14

1.6.1 几种恒星位置 15

1.6.2 影响恒星位置的各种因素 16

1.7 用直角坐标法精确计算恒星的视位置 19

1.7.1 恒星自行和视差修正 19

1.7.2 周年光行差的修正 21

1.7.3 岁差、章动改正 21

1.8 恒星辐射模型 25

1.8.1 恒星光谱型 25

1.8.2 恒星的辐射能量 26

1.8.3 星等与辐射能量的关系 26

1.9 常用星表 31

参考文献 33

第2章 弹载星敏感器原理 35

2.1 引言 35

2.2 星敏感器原理 36

2.2.1 图像传感器在星敏感器中的应用现状 36

2.2.2 APS在星敏感器中的应用优势 37

2.2.3 APS星敏感器研究现状 38

2.2.4 APS结构与工作原理 39

2.3 星敏感器系统的主要技术指标 46

2.3.1 视场 46

2.3.2 测量精度 46

2.3.3 星等探测灵敏度 48

2.3.4 导航星库大小 49

2.3.5 更新速率、体积与质量 50

2.4 描述图像传感器的主要参数 50

2.4.1 像元阵列大小与视场角的关系 50

2.4.2 图像传感器芯片尺寸与焦距的关系 51

2.4.3 光学系统参数的确定 51

2.5 图像几何畸变 52

2.5.1 图像的几何畸变原理 52

2.5.2 畸变的校正 53

2.6 星图图像预处理技术 55

2.6.1 星图特点和阈值的确定 55

2.6.2 星点提取原理 57

2.6.3 星像质心细分定位方法 60

2.7 星图子窗口模式 66

2.8 提高星像信噪比的方法 67

2.9 运动补偿滤波 70

2.10 星敏感器在轨自校准技术 75

2.11 星敏感器系统软件设计 78

2.12 弹载星敏感器系统设计 80

2.12.1 弹道式导弹飞行特征分析 80

2.12.2 APS星敏感器探测能力分析 82

2.12.3 探测信噪比估算 83

2.12.4 光学孔径、曝光时间、焦距的关系 84

2.12.5 精度分析 84

2.12.6 弹载星敏感器系统指标 85

参考文献 86

第3章 基于星敏感器的星图识别算法 88

3.1 导航星的筛选 88

3.1.1 星等阈值法 89

3.1.2 正交网格法 94

3.1.3 优先追加法 95

3.1.4 Thinning方法 95

3.1.5 由弹道挑选导航星的方法 97

3.2 星图识别算法概述 100

3.2.1 星图识别特征的选取准则 101

3.2.2 导航星库构造方法 103

3.2.3 星库的读取 105

3.3 三角形匹配算法 108

3.4 改进的三角形算法 110

3.4.1 圆形区域法及其改进 111

3.4.2 考虑亮星的三角形构造方法 113

3.4.3 剖分算法精简导航三角形库技术 114

3.4.4 匹配策略的改进——公共边的四边形识别算法 115

3.4.5 三角形结构特征的改进方法 116

3.5 基于星图几何形状的凸多边形匹配算法 118

3.5.1 基于几何覆盖技术构造导航星视场集合 119

3.5.2 构造导航星凸多边形算法Ⅰ 123

3.5.3 构造导航星凸多边形算法Ⅱ 125

3.5.4 导航星凸多边形角距和顶角的定义 126

3.5.5 导航星数据库存储结构 127

3.5.6 基于凸多边形的星图识别算法 133

3.5.7 仿真试验及结果分析 136

3.6 凸多边形约束下的三角形识别算法 146

3.6.1 构造三角形导航星库 147

3.6.2 三角形特征矢量选择方法 150

3.6.3 导航星库的查找方式 151

3.7 星跟踪识别算法 153

3.7.1 快速星跟踪识别算法原理 154

3.7.2 仿真结果分析 157

3.8 栅格算法 158

3.9 传统识别方法分析 159

3.10 基于神经网络技术的星图识别算法 160

3.10.1 输入样本的构造 160

3.10.2 输出样本的构造 160

3.10.3 分类器设计思想 161

3.10.4 仿真结果 162

参考文献 162

第4章 基于惯性／星敏感器测量导弹三轴姿态和位置 165

4.1 基本坐标系 165

4.1.1 制导计算中的坐标系 165

4.1.2 星敏感器中的坐标系 166

4.1.3 天球坐标系 167

4.2 坐标系之间的转换关系 167

4.2.1 弹体坐标系与星敏感器坐标系的关系 168

4.2.2 弹体坐标系与发射坐标系的关系 169

4.2.3 发射惯性系与弹体坐标系的转换关系 170

4.2.4 发射惯性系与赤道直角坐标系的转换关系 170

4.3 弹体姿态描述 173

4.3.1 欧拉角表示姿态的算法 173

4.3.2 四元数表示姿态的算法 174

4.3.3 四元数与欧拉角的关系 175

4.3.4 Rodrigues参数姿态算法 177

4.4 基于星敏感器观测矢量确定姿态的原理 190

4.4.1 Wahba问题 191

4.4.2 TRIAD算法及改进 194

4.4.3 QUEST方法 197

4.4.4 最小二乘算法 199

4.4.5 姿态解算方法比较 200

4.5 基于焦平面坐标确定三轴姿态 202

4.5.1 星焦平面坐标的测量模型 203

4.5.2 捷联于弹体的星敏感器单点姿态测量模型 204

4.6 星敏感器测量姿态误差分析 205

4.7 星敏感器测量姿态精度与观测星数之间的关系 208

4.8 星敏感器的模拟及仿真结果 212

4.9 陀螺／星敏感器组合测量姿态方法研究 215

4.9.1 基于陀螺／星敏感器／KF的姿态四元数解算方法研究 215

4.9.2 基于陀螺／星敏感器／KF的姿态RPs解算方法研究 222

4.10 基于一种新的强跟踪滤波器的导弹姿态测量 223

4.10.1 一般强跟踪滤波算法及其缺陷 224

4.10.2 修正的强跟踪滤波算法推导 225

4.10.3 MSTEKF算法的优化与扩展 226

4.10.4 导弹姿态运动模型 228

4.10.5 干扰条件下EKF、STEKF与MSTEKF的比较 229

4.11 星敏感器测量导弹飞行位置的原理 233

4.11.1 星光大气折射模型 233

4.11.2 大气折射模型误差分析 236

4.11.3 导弹位置矢量与星光折射角的关系 237

4.11.4 仿真软件的设计 239

参考文献 241

第5章 光纤捷联惯性／全自主星光组合导航技术 244

5.1 恒温条件下的光纤陀螺捷联惯导模型 244

5.1.1 弹载捷联惯导方案 244

5.1.2 捷联惯导的输出模型 245

5.2 星敏感器可观测的INS误差 246

5.3 平台安装的星敏感器方案 247

5.3.1 平台单星方案原理 247

5.3.2 平台双星方案原理 249

5.4 捷联安装的星敏感器方案 252

5.4.1 捷联单（双）星方案 252

5.4.2 捷联星图匹配方案 253

5.5 基于单点姿态矩阵解算导弹初始定向、定位误差 254

5.6 利用星光方向矢量解算导弹初始定向、定位误差 255

5.7 基于最小二乘法的误差角分离 257

5.8 仿真结果 258

5.9 基于星光观测和弹体旋转的FSINS误差分离与估计方法 261

5.9.1 不可观测状态的可观测化激励方法 263

5.9.2 基于弹体旋转的陀螺组合误差估计及其仿真 263

5.10 导航参数的一次补偿算法 267

5.10.1 FSINS误差的传播特性 268

5.10.2 导航参数误差计算与补偿 268

5.10.3 导航参数补偿仿真 273

5.11 FSINS/CNS-AD/CNS-PD组合导航系统设计 277

5.12 FSINS/CNS-AD/CNS-PD模型 278

5.12.1 FSINS/CNS-AD状态方程和测量方程 278

5.12.2 FSINS/CNS-PD状态方程和测量方程 278

5.13 滤波器及融合算法设计 280

5.13.1 各子滤波器设计 280

5.13.2 融合算法设计 280

5.14 仿真及结果分析 282

参考文献 285

第6章 基于星敏感器的星光／惯性组合导航仿真系统 287

6.1 星敏感器仿真器 287

6.1.1 挑选导航星及构造导航星库 289

6.1.2 星图识别、姿态解算 290

6.1.3 姿态计算及INS误差分离 291

6.1.4 软件仿真结果 292

6.2 星光／惯性组合导航半实物仿真系统 298

6.2.1 星模拟器及工作原理 298

6.2.2 星模拟器光学系统分析及设计 299

6.2.3 星图模拟软件设计 300

6.2.4 星光／惯性组合导航仿真系统试验 301

6.2.5 星敏感器静态误差与动态误差的测试试验 302

6.2.6 星敏感器光轴与惯组测量坐标轴之间安装夹角的标定 302

6.2.7 弹载导航星库装订验证试验 303

6.2.8 星光／惯性组合导航系统地面系统性能仿真试验 303

参考文献 304