基于地坐標提取的高層空間自主導航方法研究*

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基于地坐標提取的高層空間自主導航方法研究*

尤龍,姚宏瑛

(北京計算機技術及應用研究所，北京100039)

摘要：主要研究一種基于數字地球技術與圖像識別技術的高空自主導航方法。該導航方法使用對地觀測傳感器對全球范圍內3個不同區域的地表特征點進行觀測并提取其WGS-84坐標，通過矢量導航算法完成飛行器高空自主定位定姿導航。仿真分析表明，本導航方法具有導航基線長、導航精度高、抗干擾能力強、誤差不隨時間累積等優點，為2 000~40 000 km高空自主導航問題探索了新的技術途徑。

關鍵詞：數字地球；圖像識別；高空自主導航；抗干擾；長航時；高精度

0引言

隨著航天技術發展，近年來臨近空間[1]、衛星軌道空間甚至地球外層空間成為世界各國軍事爭奪的焦點。而在這類空間中的軍事應用對導航系統提出了自主性，抗干擾性，高精度與長航時等特殊要求，現有的導航技術不能完全滿足其導航要求，高空導航成為技術瓶頸。而隨著數字地球技術、對地觀測技術及計算機技術的飛速發展，使得突破高空導航技術瓶頸成為可能。本文基于這些技術發展，研究一種用于2 000~40 000 km高層空間的新型自主導航原理，經過仿真證明了此原理的可行性與有效性。

1研究重點

導航信息主要指飛行器的位置信息、姿態信息、速度信息，其中以位置信息與姿態信息尤為重要。本導航方法主要針對導航高度為2 000~40 000 km高層空間的軍用導航問題，提取分布于全球任意3個不同區域內的地表信息進行高空自主導航，其導航基線長，導航定位定姿精度高；由于地表信息具有時間、空間穩定性，人為因素很難全球大范圍內改變地表地理面貌，這使得該導航方法具有抗干擾能力。

目前針對空間導航技術的研究主要集中在視覺導航、衛星導航、慣性導航和天文導航[2-6]，而基于數字地球技術與圖像識別技術使用地表特征點信息進行高層自主導航的方法未有相關論文涉及。本導航方法現有導航方法相比有明顯的不同：與視覺導航系統相比，其不再需要高度表，使用的也不是地形地貌而是WGS-84坐標信息；與衛星導航方法相比其抗干擾能力強，導航高度可達2 000~40 000 km；與慣性導航方法相比，其導航誤差不隨時間累積，可以完成長航時導航任務；與天文導航方法相比，其具有更高的導航精度。

本文主要研究本導航方法的導航原理，建立定位定姿數學模型并推導其計算公式，使用數學仿真與實驗室半實物仿真系統驗證導航原理的可行性，通過仿真結果分析該方法的誤差特性。

2導航數學模型

2.1坐標系說明

本導航方法涉及的坐標系有：

(1) WGS-84地球直角坐標系——E系；

(2) 導航測量直角坐標系——N系。

其中每個坐標系的單位方向矢量表示為(ex,ey,ez)與(nx,ny,nz)，兩者存在以下關系：

(1)

定位矢量(m1,m2,m3)與(nx,ny,nz)的關系矩陣為

(2)

定位矢量(m1,m2,m3)與(ex,ey,ez)的關系矩陣為

(3)

將式(2)，(3)帶入式(1)可得

(4)

2.2矢量導航定位、定姿數學模型及算法

矢量導航定位原理模型由如圖1所示。導航系統捷聯安裝于飛行器上，對全球地表范圍內的任意3個不同區域進行地表信息同步獲取，對獲取區域內地表特征點的WGS-84坐標進行提取并用于導航計算。

圖1　導航定位原理圖Fig.1　Vector navigation principle

其中點O(x,y,z)代表飛行器位置在E系下坐標信息，是未知量；A(xA,yA,zA)，B(xB,yB,zB)與C(xC,yC,zC)是通過圖像識別技術[7-10]與數字地球技術[11-12]獲得的3個地表特征點在E系下的坐標信息，是已知量；矢量OA(m1)，OB(m2),OC(m3)的兩兩夾角分別為∠AOB,∠AOC和∠BOC，可以通過式(3)的關系矩陣獲得，該關系矩陣通過傳感器設計標定獲取，是已知量。最后根據空間矢量夾角公式，含飛行器位置點O(x,y,z)的方程為

(5)

公式(5)是3個未知量、3個方程，方程的可解條件是定位矢量OA(m1)，OB(m2),OC(m3)不共線(設計保證)，其求解方法成熟[6]，可計算獲得O(x,y,z)坐標，完成導航定位。

導航定姿原理模型如圖2所示。

圖2　導航定姿原理圖Fig.2　Vector navigation principle

(6)

通過公式(5)計算獲得點O(x,y,z)坐標后，由公式(4)得定位矢量OA(m1)，OB(m2),OC(m3)在E系中的關系矩陣為

(7)

定位矢量OA(m1)，OB(m2),OC(m3)不共線(設計保證)保證公式(7)為可逆的滿秩矩陣。所以公式(4)等式右邊的參數矩陣均為已知量，求解獲得姿態矩陣，進而計算獲得滾轉角α，俯仰角β與偏航角γ，完成導航定姿。

3高空導航影響因素

根據高空導航原理分析，本導航方法的導航精度主要受到傳感器對地分辨精度，傳感器安裝精度及大氣折射因素影響，本文根據目前技術發展，針對每種影響因素進行分別說明。

(1) 傳感器對地分辨精度

目前對地成像技術主要使用光學成像技術、紅外成像技術與雷達成像技術作為對地敏感方法，其中以本文所使用的光學成像技術可以與紅外成像技術組合使用具備夜間觀察能力[13]。目前光學成像技術的使用高度為2 000 km以下，2 000 km以上的對地成像技術雖無工程應用但有成熟的技術支撐。目前投入使用的光學對地成像系統以美國為例，其工作在2 000 km軌道高度，在空間分辨率方面，美國光學成像衛星的軍用全色分辨率為0.1 m、商用分辨率為0.4 m；紅外分辨率為1 m；其他國家如俄羅斯、法國、以色列衛星的軍用全色分辨率優于0.5 m[14]。如圖3所示法國“太陽神-2”(Helios-2)衛星。

圖3　法國“太陽神-2”衛星外形圖Fig.3　Outline of Helions-2

該衛星帶有1臺全色(具有紅外能力)高分辨率相機(HRZ)和1臺寬視場相機(HRG)。高分辨率相機主要采用推掃成像，高分辨率通道分辨率為0.5 m，超高分辨率通道分辨率為0.25～0.35 m，紅外通道可拍攝紅外圖像，使該衛星具備了夜間光學偵察能力。

(2) 傳感器安裝精度

根據本文導航原理，對地傳感器按照一定夾角設計安裝于導航系統中，其安裝精度可以通過3支傳感器的聯合標定校正。目前針對光學相機的標定技術已經有十分成熟，主要分為傳統與自標定2種方法[15]，標定精度根據不同的標定方法而異。2類方法比較而言，傳統方法的標定精度高于自標定方法，但傳統方法的標定更為復雜，要求更為苛刻[16]。無論哪種標定方法，均可實現實驗室標定，完成安裝精度的標校工作，最高標定精度可達0.07″[17-18]。

(3) 大氣折射

在使用對地成像技術過程中，大氣折射因素會影響導航定位精度，針對此問題，可使用大氣折射模型修正其折射誤差，而大氣折射模型修正技術早已應用于天文觀測，雷達目標定位，衛星測控定軌與微波定位導航應用中[19]，目前理論修正精度可達亞毫秒級別[20]，在實際使用過程中可以忽略。

綜上所述，2 000 km的高空導航影響因素在目前均有成熟技術可以解決，現已具備應用能力，2 000~40 000 km的應用局限因素主要是在此高度范圍內由于缺乏對地成像技術的應用需求而造成的沒有相關對地成像設備，但根據對地成像空間分辨率與像元關系[21]，現有技術可以保證在此高度的對地成像空間分辨率滿足本導航方法。

4數學仿真

數學仿真分析用于驗證導航原理的可行性與誤差影響因素。根據公式(1)-(2)可以將導航中的誤差分為以下2類：

(1) 矢量之間的夾角∠AOB,∠AOC和∠BOC誤差；

(2) 地表特征點A(xA,yZ,zA),B(xB,yB,zB),C(xC,yC,zC)的位置誤差。

其中矢量之間的夾角誤差來自傳感器安裝與大氣折射因素，其誤差可以通過標定方法與建模方法補償到忽略的量級，故在仿真過程中忽略不計；地表特征點的位置誤差來自對地成像系統的分辨精度。此類誤差無法進行修正，在數學仿真過程中重點考慮此項誤差。

仿真過程中對距地2 000 km與40 000 km 2種狀態進行仿真。A(xA,yA,zA),B(xB,yB,zB),C(xC,yC,zC)，3點在WGS-84地球坐標系中的坐標見表1。

選取其中的典型仿真結果見圖4，5。

表1　仿真位置參數

表2　2 000 km仿真結果

表3　40 000 km仿真結果

圖4　2 000 km 水平擾動(100σ(m))仿真結果Fig.4　2,000 km level perturbations(100σ(m)) simulation results

圖5　40 000 km垂直擾動(100σ(m))仿真結果Fig.5　40,000 km vertical perturbations (100σ(m)) simulation results

根據仿真結果，本導航方法在2 000~40 000 km可實現全球長基線定位定姿導航，導航精度高。從表2，3中不同數據之間的比較可得以下幾項結果：地表特征點分辨精度越低，導航誤差越大；地表特征點的水平分辨精度影響大于垂直分辨精度影響；隨著高度的增高，定位誤差也隨之增大，姿態誤差減小。

5結束語

當前人類已經進入了空間時代，高空導航技術對快速進入、控制、使用高層空間有重要的作用。本文針對當前導航方法在2 000~40 000 km高度所存在的技術瓶頸，研究一種長基線、高精度、抗干擾、長航時、全自主的軍用高層空間飛行器定位定姿導航方法，并結合數學仿真證明該方法的原理可行性與定位定姿有效性，分析相關誤差對導航精度的影響。

展望本導航方法的發展，其所使用的對地敏感設備可以由可見光(攝像鏡頭)、微波(合成孔徑雷達)等多種對地成像傳感器完成地表信息感知；導航過程中所涉及的數字地球技術與圖像識別技術在近年來發展迅速，為本導航方法奠定了工程基礎；而誤差分析結果表明，本導航方法精度主要受地表特征點位置誤差影響，其導航精度隨著地表特征點位置誤差的減小還會有較大的提升空間。

綜上所述，本導航方法原理可行，基礎技術成熟，未來可以2 000~40 000 km高層空間中進行工程應用，具有應用價值。

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Research of Senior Space Autonomous Navigation Based on Ground Coordinate Extraction

YOU Long , YAO Hong-ying

(Beijing Computer Technology and Application Reserch Institute，Beijing 100039,China)

Abstract:A new way for senior space autonomous navigation based on Digital earth technologyandImage Recognition Technology is studied. Observation sensors are used to getthe information of three different regions around the globe to extractthe surface feature points' WGS-84 coordinates, and then complete senior spaceautonomousnavigation by Vector navigation algorithm. Simulation results show that the method has a long navigation baseline, high accuracy, strong anti-jamming capability and the error does not accumulate over time, making a new way for 2 000~40 000 km altitude autonomous navigation issues.

Key words:digital earth；image recognition；senior space autonomous navigation；antijamming；long-endurance； high accuracy.

中圖分類號：V249.31

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-02-0062-07

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.02.011

通信地址：100039北京142信箱406分箱1號E-mail：631135776@qq.com

作者簡介：尤龍(1988-)，男，河南開封人。碩士生，主要研究方向為飛行器導航與控制。

* 收稿日期：2014-10-20；
修回日期：2014-12-05