《太空飛行器光譜紅移自主導航方法》是上海衛星工程研究所於2013年3月6日申請的專利，該專利的公布號為CN103206955A，申請號為201310072007X，授權公布日為2013年7月17日，發明人是張偉、方寶東、陳曉、尤偉、張嵬、葉輝。
《太空飛行器光譜紅移自主導航方法》提供一種太空飛行器光譜紅移自主導航方法，在太陽系，直接利用太陽系天體作為發光源，太空飛行器依靠自身攜帶的光譜紅移測量敏感器接收到光譜信息，根據光譜紅移測量值參數，利用太空飛行器星光敏感器測量的太空飛行器姿態信息，獲得太空飛行器的速度參數，進而通過積分獲得太空飛行器的位置參數。該發明原理簡單，方法新穎，是太空飛行器自主導航方法的新突破，拓展了太空飛行器導航手段，提高了導航能力，可實現真正意義上的太空飛行器自主導航，可直接套用於中國深空探測自主導航任務，在深空探測領域具有廣闊的套用前景，並可為近地太空飛行器自主導航提供借鑑和參考。
2018年12月20日，《太空飛行器光譜紅移自主導航方法》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《太空飛行器光譜紅移自主導航方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：太空飛行器光譜紅移自主導航方法
- 公布號：CN103206955A
- 授權日：2013年7月17日
- 申請號：201310072007X
- 申請日：2013年3月6日
- 申請人：上海衛星工程研究所
- 地址：上海市閔行區華寧路251號
- 發明人：張偉、方寶東、陳曉、尤偉、張嵬、葉輝
- Int.Cl.：G01C21/24(2006.01)I
- 代理機構：上海漢聲智慧財產權代理有限公司
- 代理人：郭國中
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
太空飛行器太空飛行，導航信息至關重要。截至2013年3月，常用的導航方法有地面無線電導航、光學導航、天文導航、慣性導航以及組合導航等，這些導航方法和技術的發展已經非常成熟，並廣泛套用於航天任務中，但也都有各自的適用範圍和局限性，尤其對深空探測，這些局限性使深空自主導航的實現更加困難，從原理上看，這些方法均涉及到三方面的基本內容，一是太空飛行器軌道動力學模型；二是系統量觀測及建模；三是濾波方法，這三方面直接決定和影響著太空飛行器的導航精度和技術實現的複雜度。
發明內容
專利目的
太空飛行器光譜紅移導航方法是直接利用太陽系天體做光源，根據光譜紅移特性測量獲得太空飛行器在慣性坐標系下的飛行速度參數，結合太空飛行器姿態信息，通過積分獲得太空飛行器在慣性坐標系下的位置參數。在此基礎上，結合星光敏感器測量獲得姿態角度參數，可進一步提高太空飛行器的導航定位精度。
技術方案
根據《太空飛行器光譜紅移自主導航方法》的一個方面，提供一種太空飛行器光譜紅移自主導航方法，在太陽系，直接利用太陽系天體作為發光源，太空飛行器依靠自身攜帶的光譜紅移測量敏感器接收到光譜信息，根據光譜紅移測量值參數，利用太空飛行器星光敏感器測量的太空飛行器姿態信息，根據光譜信息、太陽系天體星曆信息、太空飛行器姿態信息獲得太空飛行器的速度參數，進而通過積分獲得太空飛行器的位置參數。
優選地，利用太陽、木星、以及地球中的任一個或任多個作為發光源。
優選地，根據多源光譜紅移特性測量值參數獲得太空飛行器在慣性坐標系下的速度參數。
優選地，太空飛行器姿態信息包括聯合恆星敏感器、太陽敏感器測量獲得的姿態角度參數。
優選地，具體包括如下步驟：
步驟1：根據光譜紅移特徵頻移公式，當太空飛行器相對於光源運動時，在太空飛行器上接收到的光源頻率fm與地面標定特徵頻率f0的關係描述為：
其中
為太空飛行器在慣性坐標系下的速度，θ為太空飛行器-光源連線與速度的夾角，c為真空中光速；
步驟2：選取天體慣性坐標系OXYZ；
步驟3：在慣性坐標系OXYZ下，測量得到太空飛行器相對第一參考天體（如太陽）的徑向速率vr1（紅移測速），太空飛行器相對第二參考天體（如木星）的徑向速率vr2（紅移測速），太空飛行器相對第三參考天體（如地球）的徑向速率vr3（紅移測速）；
步驟4：在該體系下太空飛行器通過太敏或星敏測得第一參考天體位置的單位矢量
、第二參考天體位置的單位矢量
、第三參考天體位置的的單位矢量
；
步驟5：根據幾何關係，得向量方程：
其中v1，v2，v3為慣性系下各天體指向太空飛行器位置的單位矢量，通過姿態敏感器獲取並結合探測器該體系轉換到慣性系的轉換矩陣Aib推導獲得，其觀測方程如下：
vr1，vr2，vr3通過天體紅移參數推導獲得，其觀測方程如下：
其中fm1，fm2，fm3分別為太空飛行器接收到的各參考天體光源頻率；
由此建立對速度矢量、位置矢量的狀態估計方程組：
給定初值後，通過求解上述方程組，得到太空飛行器在慣性坐標系下的速度矢量vp及位置矢量rp。
優選地，在步驟2中，坐標原點O選取為日心、或者地心。
改善效果
《太空飛行器光譜紅移自主導航方法》所述太空飛行器光譜紅移自主導航方法，不依賴地面無線電信息、不需要太空飛行器軌道動力學方程的介入，僅需要光譜信息、太陽系天體星曆信息和太空飛行器姿態信息即可實現太空飛行器飛行過程的自主導航，是高度自主的導航新方法，簡單易行，同時，與地面無線電導航方法相比，還具有無時延的明顯優勢與特點。
《太空飛行器光譜紅移自主導航方法》原理簡單，方法新穎，是太空飛行器自主導航方法的新突破，拓展了太空飛行器導航手段，提高了導航能力，可實現真正意義上的太空飛行器自主導航，可直接套用於中國深空探測自主導航任務，在深空探測領域具有廣闊的套用前景，並可為近地太空飛行器自主導航提供借鑑和參考。
附圖說明
圖1為太空飛行器光譜紅移自主導航方法原理圖。
技術領域
《太空飛行器光譜紅移自主導航方法》涉及一種太空飛行器導航定位新方法，可套用於太空飛行器在軌飛行的導航任務，尤其適用於深空探測領域。
權利要求
1.一種太空飛行器光譜紅移自主導航方法，其特徵在於，在太陽系，直接利用太陽系天體作為發光源，太空飛行器依靠自身攜帶的光譜紅移測量敏感器接收到光譜信息，根據光譜紅移測量值參數，利用太空飛行器星光敏感器測量的太空飛行器姿態信息，獲得太空飛行器的速度參數，進而通過積分獲得太空飛行器的位置參數；利用太陽、木星、以及地球中的任一個或任多個作為發光源；
具體包括如下步驟：
步驟1：根據光譜紅移特徵頻移公式，當太空飛行器相對於光源運動時，在太空飛行器上接收到的光源頻率fm與地面標定特徵頻率f0的關係描述為：
其中v為太空飛行器在慣性坐標系下的速度，θ為太空飛行器-光源連線與速度v的夾角，c為真空中光速；
步驟2：選取天體慣性坐標系OXYZ；
步驟3：在慣性坐標系OXYZ下，測量得到太空飛行器相對第一參考天體的徑向速率vr1，太空飛行器相對第二參考天體的徑向速率vr2，太空飛行器相對第三參考天體的徑向速率vr3；
步驟4：在該體系下太空飛行器通過太敏或星敏測得第一參考天體位置的單位矢量第二參考天體位置的單位矢量第三參考天體位置的的單位矢量
步驟5：根據幾何關係，得向量方程：
根據幾何關係，得向量方程：
其中v1，v2，v3為慣性系下各天體指向太空飛行器位置的單位矢量，通過姿態敏感器獲取並結合探測器該體系轉換到慣性系的轉換矩陣Aib推導獲得，其觀測方程如下：
vr1，vr2，vr3通過天體紅移參數推導獲得，其觀測方程如下：
其中fm1，fm2，fm3分別為太空飛行器接收到的各參考天體光源頻率；
由此建立對速度矢量、位置矢量的狀態估計方程組：
給定初值後，通過求解上述方程組，可得到太空飛行器在慣性坐標系下的速度矢量vp及位置矢量rp。
2.根據權利要求1所述的太空飛行器光譜紅移自主導航方法，其特徵在於，根據多源光譜紅移特性測量值參數獲得太空飛行器在慣性坐標系下的速度參數。
3.根據權利要求1所述的太空飛行器光譜紅移自主導航方法，其特徵在於，太空飛行器姿態信息包括聯合恆星敏感器、太陽敏感器測量獲得的姿態角度參數。
4.根據權利要求1所述的太空飛行器光譜紅移自主導航方法，其特徵在於，在步驟2中，坐標原點O選取為日心、或者地心。
實施方式
《太空飛行器光譜紅移自主導航方法》的基本原理是：在太陽系，直接利用太陽系天體作為發光源，太空飛行器依靠自身攜帶的光譜紅移測量敏感器接收到光信號，根據光譜紅移測量值參數，利用太空飛行器星光敏感器測量的姿態信息，通過計算可獲得太空飛行器的速度參數，進而通過積分可獲得太空飛行器的位置參數。
如圖1所示，是太空飛行器光譜紅移自主導航原理圖，在太陽系，直接利用太陽系天體作為發光源，太空飛行器依靠自身攜帶的光譜紅移測量敏感器接收到光信號，給出光譜紅移量，結合太空飛行器姿態信息，通過計算即可獲得太空飛行器的速度參數，進而通過積分可獲得太空飛行器的位置。
步驟是：
（1）建立太陽系慣性坐標系OXYZ。
（2）根據星曆，選擇光源（3個或多個）：光源A、光源B、光源C。
（3）在太陽系慣性坐標系OXYZ下，在t時刻，太空飛行器S同時接收到光源A、光源B、光源C的光信號，根據光譜紅移測量值，結合太空飛行器姿態信息，通過計算，得出太空飛行器S在慣性坐標系下的速度矢量。
（4）根據步驟（3）獲得的太空飛行器S在慣性坐標系的速度矢量，通過積分，得出太空飛行器S在慣性坐標系下的位置。
（5）在步驟（3）和步驟（4）的基礎上，在結合太空飛行器S自身攜帶的星光敏感器獲得的姿態角度參數，進一步消除定位積分誤差，提高太空飛行器S的自主導航定位精度。
該方法的具體描述如下：
已知：
1、根據光譜紅移特徵頻移公式，當太空飛行器相對於光源運動時，在太空飛行器上接收到的光源頻率fm與地面標定特徵頻率f0的關係可描述為：
其中為太空飛行器在慣性坐標系下的速度，θ為太空飛行器-光源連線與速度的夾角，c為真空中光速。
2、根據需要選取天體慣性坐標系OXYZ。坐標原點O可根據導航需求選取，如日心、地心等。
3、在慣性坐標系OXYZ下，太空飛行器相對第一參考天體（如太陽）的徑向速率vr1（紅移測速）。
4、太空飛行器相對第二參考天體（如木星）的徑向速率vr2（紅移測速）。
5、太空飛行器相對第三參考天體（如地球）的徑向速率vr3（紅移測速）。
6、在該體系下太空飛行器測得的第一參考天體位置的單位矢量（通過太敏或星敏測量）。
7、在該體系下太空飛行器測得的第二參考天體位置的單位矢量（通過太敏或星敏測量）。
8、在該體系下太空飛行器測得的第三參考天體位置的的單位矢量（通過太敏或星敏測量）。
求解：
在慣性坐標系OXYZ下，太空飛行器的速度矢量vp和位置矢量rp。
求解過程：
根據幾何關係，得向量方程：
其中v1，v2，v3為慣性系下各天體指向太空飛行器位置的單位矢量，通過姿態敏感器獲取並結合探測器該體系轉換到慣性系的轉換矩陣Aib推導獲得，其觀測方程如下：
vr1，vr2，vr3通過天體紅移參數推導獲得，其觀測方程如下：
其中fm1，fm2，fm3分別為太空飛行器接收到的各參考天體光源頻率；
由此建立對速度矢量、位置矢量的狀態估計方程組：
給定初值後，通過求解上述方程組，可得到太空飛行器在慣性坐標系下的速度矢量vp及位置矢量rp。
以上對《太空飛行器光譜紅移自主導航方法》的具體實施例進行了描述。需要理解的是，《太空飛行器光譜紅移自主導航方法》並不局限於上述特定實施方式，該領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響《太空飛行器光譜紅移自主導航方法》的實質內容。
榮譽表彰
2018年12月20日，《太空飛行器光譜紅移自主導航方法》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
