基于地坐标提取的高层空间自主导航方法研究*



基于地坐标提取的高层空间自主导航方法研究*

尤龙,姚宏瑛

(北京计算机技术及应用研究所，北京100039)

摘要：主要研究一种基于数字地球技术与图像识别技术的高空自主导航方法。该导航方法使用对地观测传感器对全球范围内3个不同区域的地表特征点进行观测并提取其WGS-84坐标，通过矢量导航算法完成飞行器高空自主定位定姿导航。仿真分析表明，本导航方法具有导航基线长、导航精度高、抗干扰能力强、误差不随时间累积等优点，为2 000~40 000 km高空自主导航问题探索了新的技术途径。

关键词：数字地球；图像识别；高空自主导航；抗干扰；长航时；高精度

0引言

随着航天技术发展，近年来临近空间[1]、卫星轨道空间甚至地球外层空间成为世界各国军事争夺的焦点。而在这类空间中的军事应用对导航系统提出了自主性，抗干扰性，高精度与长航时等特殊要求，现有的导航技术不能完全满足其导航要求，高空导航成为技术瓶颈。而随着数字地球技术、对地观测技术及计算机技术的飞速发展，使得突破高空导航技术瓶颈成为可能。本文基于这些技术发展，研究一种用于2 000~40 000 km高层空间的新型自主导航原理，经过仿真证明了此原理的可行性与有效性。

1研究重点

导航信息主要指飞行器的位置信息、姿态信息、速度信息，其中以位置信息与姿态信息尤为重要。本导航方法主要针对导航高度为2 000~40 000 km高层空间的军用导航问题，提取分布于全球任意3个不同区域内的地表信息进行高空自主导航，其导航基线长，导航定位定姿精度高；由于地表信息具有时间、空间稳定性，人为因素很难全球大范围内改变地表地理面貌，这使得该导航方法具有抗干扰能力。

目前针对空间导航技术的研究主要集中在视觉导航、卫星导航、惯性导航和天文导航[2-6]，而基于数字地球技术与图像识别技术使用地表特征点信息进行高层自主导航的方法未有相关论文涉及。本导航方法现有导航方法相比有明显的不同：与视觉导航系统相比，其不再需要高度表，使用的也不是地形地貌而是WGS-84坐标信息；与卫星导航方法相比其抗干扰能力强，导航高度可达2 000~40 000 km；与惯性导航方法相比，其导航误差不随时间累积，可以完成长航时导航任务；与天文导航方法相比，其具有更高的导航精度。

本文主要研究本导航方法的导航原理，建立定位定姿数学模型并推导其计算公式，使用数学仿真与实验室半实物仿真系统验证导航原理的可行性，通过仿真结果分析该方法的误差特性。

2导航数学模型

2.1坐标系说明

本导航方法涉及的坐标系有：

(1) WGS-84地球直角坐标系——E系；

(2) 导航测量直角坐标系——N系。

其中每个坐标系的单位方向矢量表示为(ex,ey,ez)与(nx,ny,nz)，两者存在以下关系：

(1)

定位矢量(m1,m2,m3)与(nx,ny,nz)的关系矩阵为

(2)

定位矢量(m1,m2,m3)与(ex,ey,ez)的关系矩阵为

(3)

将式(2)，(3)带入式(1)可得

(4)

2.2矢量导航定位、定姿数学模型及算法

矢量导航定位原理模型由如图1所示。导航系统捷联安装于飞行器上，对全球地表范围内的任意3个不同区域进行地表信息同步获取，对获取区域内地表特征点的WGS-84坐标进行提取并用于导航计算。

图1　导航定位原理图Fig.1　Vector navigation principle

其中点O(x,y,z)代表飞行器位置在E系下坐标信息，是未知量；A(xA,yA,zA)，B(xB,yB,zB)与C(xC,yC,zC)是通过图像识别技术[7-10]与数字地球技术[11-12]获得的3个地表特征点在E系下的坐标信息，是已知量；矢量OA(m1)，OB(m2),OC(m3)的两两夹角分别为∠AOB,∠AOC和∠BOC，可以通过式(3)的关系矩阵获得，该关系矩阵通过传感器设计标定获取，是已知量。最后根据空间矢量夹角公式，含飞行器位置点O(x,y,z)的方程为

(5)

公式(5)是3个未知量、3个方程，方程的可解条件是定位矢量OA(m1)，OB(m2),OC(m3)不共线(设计保证)，其求解方法成熟[6]，可计算获得O(x,y,z)坐标，完成导航定位。

导航定姿原理模型如图2所示。

图2　导航定姿原理图Fig.2　Vector navigation principle

(6)

通过公式(5)计算获得点O(x,y,z)坐标后，由公式(4)得定位矢量OA(m1)，OB(m2),OC(m3)在E系中的关系矩阵为

(7)

定位矢量OA(m1)，OB(m2),OC(m3)不共线(设计保证)保证公式(7)为可逆的满秩矩阵。所以公式(4)等式右边的参数矩阵均为已知量，求解获得姿态矩阵，进而计算获得滚转角α，俯仰角β与偏航角γ，完成导航定姿。

3高空导航影响因素

根据高空导航原理分析，本导航方法的导航精度主要受到传感器对地分辨精度，传感器安装精度及大气折射因素影响，本文根据目前技术发展，针对每种影响因素进行分别说明。

(1) 传感器对地分辨精度

目前对地成像技术主要使用光学成像技术、红外成像技术与雷达成像技术作为对地敏感方法，其中以本文所使用的光学成像技术可以与红外成像技术组合使用具备夜间观察能力[13]。目前光学成像技术的使用高度为2 000 km以下，2 000 km以上的对地成像技术虽无工程应用但有成熟的技术支撑。目前投入使用的光学对地成像系统以美国为例，其工作在2 000 km轨道高度，在空间分辨率方面，美国光学成像卫星的军用全色分辨率为0.1 m、商用分辨率为0.4 m；红外分辨率为1 m；其他国家如俄罗斯、法国、以色列卫星的军用全色分辨率优于0.5 m[14]。如图3所示法国“太阳神-2”(Helios-2)卫星。

图3　法国“太阳神-2”卫星外形图Fig.3　Outline of Helions-2

该卫星带有1台全色(具有红外能力)高分辨率相机(HRZ)和1台宽视场相机(HRG)。高分辨率相机主要采用推扫成像，高分辨率通道分辨率为0.5 m，超高分辨率通道分辨率为0.25～0.35 m，红外通道可拍摄红外图像，使该卫星具备了夜间光学侦察能力。

(2) 传感器安装精度

根据本文导航原理，对地传感器按照一定夹角设计安装于导航系统中，其安装精度可以通过3支传感器的联合标定校正。目前针对光学相机的标定技术已经有十分成熟，主要分为传统与自标定2种方法[15]，标定精度根据不同的标定方法而异。2类方法比较而言，传统方法的标定精度高于自标定方法，但传统方法的标定更为复杂，要求更为苛刻[16]。无论哪种标定方法，均可实现实验室标定，完成安装精度的标校工作，最高标定精度可达0.07″[17-18]。

(3) 大气折射

在使用对地成像技术过程中，大气折射因素会影响导航定位精度，针对此问题，可使用大气折射模型修正其折射误差，而大气折射模型修正技术早已应用于天文观测，雷达目标定位，卫星测控定轨与微波定位导航应用中[19]，目前理论修正精度可达亚毫秒级别[20]，在实际使用过程中可以忽略。

综上所述，2 000 km的高空导航影响因素在目前均有成熟技术可以解决，现已具备应用能力，2 000~40 000 km的应用局限因素主要是在此高度范围内由于缺乏对地成像技术的应用需求而造成的没有相关对地成像设备，但根据对地成像空间分辨率与像元关系[21]，现有技术可以保证在此高度的对地成像空间分辨率满足本导航方法。

4数学仿真

数学仿真分析用于验证导航原理的可行性与误差影响因素。根据公式(1)-(2)可以将导航中的误差分为以下2类：

(1) 矢量之间的夹角∠AOB,∠AOC和∠BOC误差；

(2) 地表特征点A(xA,yZ,zA),B(xB,yB,zB),C(xC,yC,zC)的位置误差。

其中矢量之间的夹角误差来自传感器安装与大气折射因素，其误差可以通过标定方法与建模方法补偿到忽略的量级，故在仿真过程中忽略不计；地表特征点的位置误差来自对地成像系统的分辨精度。此类误差无法进行修正，在数学仿真过程中重点考虑此项误差。

仿真过程中对距地2 000 km与40 000 km 2种状态进行仿真。A(xA,yA,zA),B(xB,yB,zB),C(xC,yC,zC)，3点在WGS-84地球坐标系中的坐标见表1。

选取其中的典型仿真结果见图4，5。

表1　仿真位置参数

表2　2 000 km仿真结果

表3　40 000 km仿真结果

图4　2 000 km 水平扰动(100σ(m))仿真结果Fig.4　2,000 km level perturbations(100σ(m)) simulation results

图5　40 000 km垂直扰动(100σ(m))仿真结果Fig.5　40,000 km vertical perturbations (100σ(m)) simulation results

根据仿真结果，本导航方法在2 000~40 000 km可实现全球长基线定位定姿导航，导航精度高。从表2，3中不同数据之间的比较可得以下几项结果：地表特征点分辨精度越低，导航误差越大；地表特征点的水平分辨精度影响大于垂直分辨精度影响；随着高度的增高，定位误差也随之增大，姿态误差减小。

5结束语

当前人类已经进入了空间时代，高空导航技术对快速进入、控制、使用高层空间有重要的作用。本文针对当前导航方法在2 000~40 000 km高度所存在的技术瓶颈，研究一种长基线、高精度、抗干扰、长航时、全自主的军用高层空间飞行器定位定姿导航方法，并结合数学仿真证明该方法的原理可行性与定位定姿有效性，分析相关误差对导航精度的影响。

展望本导航方法的发展，其所使用的对地敏感设备可以由可见光(摄像镜头)、微波(合成孔径雷达)等多种对地成像传感器完成地表信息感知；导航过程中所涉及的数字地球技术与图像识别技术在近年来发展迅速，为本导航方法奠定了工程基础；而误差分析结果表明，本导航方法精度主要受地表特征点位置误差影响，其导航精度随着地表特征点位置误差的减小还会有较大的提升空间。

综上所述，本导航方法原理可行，基础技术成熟，未来可以2 000~40 000 km高层空间中进行工程应用，具有应用价值。

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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.

中图分类号：V249.31

文献标志码：A

文章编号：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号E-mail：631135776@qq.com

作者简介：尤龙(1988-)，男，河南开封人。硕士生，主要研究方向为飞行器导航与控制。

* 收稿日期：2014-10-20；
修回日期：2014-12-05