专利名称：一种sins/cns组合导航系统光学镜头焦距的快速确定方法
技术领域：
本发明涉及一种SINS/CNS(Strapdown Inertial Navigation System捷联惯性导航系统/Celestial Navigation System天文导航系统)组合导航系统光学镜头焦距的快速确定方法，可用于基于星敏感器的组合导航系统光学镜头焦距的快速有效地确定。
背景技术：
为满足空间对地观测、武器系统精确打击以及空间探索开发的需求，各类地球卫星、深空探测器、载人飞船、弹道导弹和运载火箭等航天器必须具备自主运行和自主管理的能力，而高精度的自主导航是其中的一项核心技术。目前，航天器的高精度自主导航，无法依靠任何单一导航手段独立实现。SINS能够自主、实时提供连续、全面的导航信息，短时精度高，但其误差随工作时间积累，难以满足航天器的长时间高精度导航要求；CNS能够提供高精度姿态信息，误差不随时间积累，但易受气候条件限制，且输出信息不连续；将这两者相结合、优势互补，构成SINS/CNS组合导航系统，是实现航天器长时间、高精度导航的最为有效的手段。
在SINS/CNS组合导航系统的姿态解算过程中，与姿态相关的量主要有两个镜头焦距和星点在敏感面阵上所成像点的坐标。其中后者可通过标准的点阵模板、栅格模板等方法精确地获得，因而系统光学镜头的焦距成为影响系统姿态的主要因素，其精度直接影响着姿态解算的精度。目前，光学镜头的焦距通常很难精确得到。常用的焦距确定方法一般首先都通过高精度的转台、光学准直仪等专门设备获取确定焦距的原始数据，后结合数理统计、回归分析以及最小二乘等方法，直接求解光学镜头焦距的解析表达式，进行较精确地确定；但该类方法速度慢、成本高，且由于获得的原始数据不可避免地存在误差会极大限制焦距的确定精度，特别光学镜头一旦使用若再进行焦距确定时都需要重新拆卸和装校。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有SINS/CNS组合导航系统光学镜头焦距确定方法的速度慢、成本高以及使用不灵活等的不足，提供一种避免求解镜头焦距的解析表达式，只通过判别它所直接决定的系统姿态矩阵实现镜头焦距的快速确定方法。
本发明的技术解决方案为本方法避免求解镜头焦距的解析表达式，只通过判别它所直接决定的系统姿态矩阵来实现镜头焦距的快速确定。首先，根据单位正交矩阵的性质，光学镜头焦距的判别函数定义为 F＝abs(T1-1)+abs(T2-1)+abs(T3-1)+abs(T4-1)+abs(T5-1)+abs(T6-1) 式中，abs()为求绝对值函数； 其中，aij∈A i，j＝1...3，矩阵A为组合导航系统姿态矩阵。
其次，确定光学镜头焦距的迭代计算公式为 fi＝f0+S×(i-M/2) 式中，fi为第i次迭代的焦距计算值，f0为初始的焦距值，S为迭代的步长，M为最大循环次数。
再次，进行姿态矩阵的求解，其步骤如下 a.首先设组合导航系统光学镜头的焦距为f，任意一颗恒星在光学镜头焦平面上成像的中心位置为p(u，v)，如图2所示，则求解光学透镜中心到p点连线的单位矢量在组合导航系统坐标系中的表示为 b.设系统光学镜头对准某一特定天区成像，捕获并识别了n颗恒星，由星识别算法可知n≥3，这些恒星在地心惯性空间中的坐标分别为(XL1，YL1，ZL1)，(XL2，YL2，ZL2)，...，(XLn，YLn，ZLn)；对应地在组合导航系统坐标系中的坐标为(xs1，ys1，zs1)，(xs2，ys2，zs2)，...，(xsn，ysn，zsn)；组合导航系统坐标系的xs、ys、zs三轴在地心惯性空间中的单位矢量分别为和则有 令 则式(2)简写为S＝GB 由于当n＝3时，显然有B＝G-1S或B-1＝S-1G，当n＞3时，采用最小二乘法求解有B＝(GTG)-1(GTS)，其中，B即为所求得的姿态矩阵； 最后，根据判别函数F的值完成系统光学镜头焦距的快速确定，其步骤为 ①.根据第i步焦距迭代值所对应的姿态矩阵，利用光学镜头焦距的判别函数F，求解相对应的判别函数值Fi，i＝1...M； ②.从所求解的所有判别函数值中，按照下式找出最小值 则最小值Fmin所对应的焦距迭代值即为本次计算所求得的光学镜头焦距的最优值fopt；当然也可继续对其进一步优化，这时只要将fopt设为初始的焦距f0，且适当调整迭代步长S和最大循环次数M即可。
本发明的原理是一种SINS/CNS组合导航系统光学镜头焦距的快速确定方法，在SINS/CNS组合导航中影响姿态矩阵的因素主要为光学镜头焦距、星点质心位置和星历信息；为了精确确定焦距，本发明将星点质心位置和星历信息设定为已知量，利用组合导航系统光学镜头焦距与系统姿态矩阵的关系即焦距值越准确，姿态矩阵越趋向单位正交矩阵，确定光学镜头焦距的判别函数；后根据初始的光学镜头焦距值，设定迭代步长和最大循环次数，迭代计算镜头焦距，并根据迭代值求解对应的姿态矩阵；最终根据判别函数的值完成光学镜头焦距的快速确定。本发明可有效解决SINS/CNS组合导航系统光学镜头焦距难以准确确定的问题。
本发明与现有技术相比的优点在于本发明克服了传统焦距确定方法速度慢、成本高，以及确定使用过程中的光学镜头焦距困难的不足，将姿态矩阵引入焦距的确定过程中，根据焦距和姿态矩阵之间内在的逻辑关系以及姿态矩阵本身的性质，实现SINS/CNS组合导航系统光学镜头焦距快速有效地确定。
图1为本发明的一种SINS/CNS组合导航系统光学镜头焦距的快速确定方法的流程图。
图2为光学透镜中心到任意一颗恒星在光学镜头焦平面上的成像点p连线的单位矢量示意图。
具体实施例方式 如图1所示，本发明的具体实施方法如下 首先，将初始的焦距值f0初始设为待确定光学镜头焦距的近似值(f0＝185.23mm)，并根据组合导航系统姿态矩阵的性质，定义光学镜头焦距的判别函数 F＝abs(T1-1)+abs(T2-1)+abs(T3-1)+abs(T4-1)+abs(T5-1)+abs(T6-1) 式中，abs()为求绝对值函数； 其中，aij∈A i，j＝1...3， 矩阵A为组合导航系统姿态矩阵。
其次，综合考虑焦距确定方法的精度和实时性，设定迭代步长S(一般根据f0的取值和其接近真值的程度，在此取S＝0.01)和最大循环次数M(一般根据S的取值和f0接近真值的程度，在此取M＝500)，则光学镜头焦距的迭代计算公式为 fi＝f0+S×(i-M/2) 式中，fi为第i次迭代的焦距计算值。
再次，根据每一步焦距的迭代值fi求解相对应的姿态矩阵；求解焦距值为fi时所对应的姿态矩阵的步骤如下 a.已知组合导航系统光学镜头的焦距为fi，任意一颗恒星在光学镜头焦平面上成像的中心位置为p(u，v)，如图2所示，则求解光学透镜中心到p点连线的单位矢量在组合导航系统坐标系中的表示为 b.此时系统光学镜头对准某一特定天区成像，捕获并识别了n颗恒星，由星识别算法可知n≥3，这些恒星在地心惯性空间中的坐标分别为(XL1，YL1，ZL1)，(XL2，YL2，ZL2)，...，(XLn，YLn，ZLn)；对应地在组合导航系统坐标系中的坐标为(xs1，ys1，zs1)，(xs2，ys2，zs2)，...，(xsn，ysn，zsn)；组合导航系统坐标系xs、ys、zs三轴在地心惯性空间中的单位矢量分别为和则有 在此设 则式(2)简写为S＝GB 当n＝3时，则可得B＝G-1S或B-1＝S-1G，当n＞3时，在此采用最小二乘法求解，则可得B＝(GTG)-1(GTS)，其中，B即为所求得的姿态矩阵； 最后，根据所求得的所有的姿态矩阵值和判别函数，求得相对应的判别函数值，并根据这些值完成系统光学镜头焦距的快速确定，其具体步骤为 ①.根据第i步焦距迭代值所对应姿态矩阵Bi，利用光学镜头焦距的判别函数F，求解相对应的判别函数值Fi Fi＝abs(T1-1)+abs(T2-1)+abs(T3-1)+abs(T4-1)+abs(T5-1)+abs(T6-1) 其中，bpq∈βi p，q＝1...3，i＝1...M， ②.从所求解的所有判别函数值中，按照下式找出最小值 则最小值Fmin所对应的焦距迭代值即为本次计算所求得的光学镜头焦距的最优值fopt；此时，也可继续对其进一步优化，这时只要将fopt设为初始的焦距f0，且适当调整迭代步长S和最大循环次数M即可。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
权利要求
1.一种SINS/CNS组合导航系统光学镜头焦距的快速确定方法，包括以下步骤
(1)初始化焦距，定义光学镜头焦距的判别函数；
(2)设定迭代步长和最大循环次数，完成镜头焦距的迭代计算；
(3)根据每一步焦距的迭代值求解相对应的姿态矩阵；
(4)根据判别函数的值确定系统光学镜头焦距。
2.根据权利要求1所述的一种SINS/CNS组合导航系统光学镜头焦距的快速确定方法，其特征在于所述的步骤(1)中光学镜头焦距的判别函数定义为
F＝abs(T1-1)+abs(T2-1)+abs(T3-1)+abs(T4-1)+abs(T5-1)+abs(T6-1)式中，abs()为求绝对值函数；
其中，aij∈Ai，j＝1...3，矩阵A为组合导航系统姿态矩阵。
3.根据权利要求1所述的一种SINS/CNS组合导航系统光学镜头焦距的快速确定方法，其特征在于所述的步骤(2)中镜头焦距的迭代计算公式为
fi＝f0+S×(i-M/2)
式中，fi为第i次迭代的焦距计算值，f0为初始的焦距值，S为迭代的步长，M为最大循环次数。
4.根据权利要求1所述的一种SINS/CNS组合导航系统光学镜头焦距的快速确定方法，其特征在于所述的步骤(3)中求解姿态矩阵的步骤如下
a.首先设组合导航系统光学镜头的焦距为f，任意一颗恒星在光学镜头焦平面上成像的中心位置为p(u，v)，则求解光学透镜中心到p点连线的单位矢量在组合导航系统坐标系中的表示为
b.设系统光学镜头对准特定天区成像，捕获并识别出了n颗恒星，且这些恒星在地心惯性空间中的坐标分别为(XL1，YL1，ZL1)，(XL2，YL2，ZL2)，...，(XLn，YLn，ZLn)；对应地在组合导航系统坐标系中的坐标为(xs1，ys1，zs1)，(xs2，ys2，zs2)，...，(xsn，ysn，zsn)；组合导航系统坐标系的xs、ys、zs三轴在地心惯性空间中的单位矢量分别为
和
则有
令
则式(2)简写为S＝GB
当n＝3时，显然有B＝G-1S或B-1＝S-1G，当n＞3时，采用最小二乘法求解有B＝(GTG)-1(GTS)，其中，B即为所求得的姿态矩阵。
5.根据权利要求1所述的一种SINS/CNS组合导航系统光学镜头焦距的快速确定方法，其特征在于所述的步骤(4)中根据判别函数F的值完成系统光学镜头焦距的快速确定，其步骤为
①.根据第i步焦距迭代值所对应的姿态矩阵，利用光学镜头焦距的判别函数F，求解相对应的判别函数值Fi，i＝1...M；
②.从所求解的所有判别函数值中，按照下式找出最小值
则最小值Fmin所对应的焦距迭代值即为本次计算所求得的光学镜头焦距的最优值fopt；当然也可继续对其进一步优化，这时只要将fopt设为初始的焦距f0，且适当调整迭代步长S和最大循环次数M即可。
全文摘要
一种SINS/CNS(Strapdown Inertial Navigation System捷联惯性导航系统/Celestial Navigation System天文导航系统)组合导航系统光学镜头焦距的快速确定方法，本发明涉及一种快速确定光学镜头焦距的方法。该方法避免求解镜头焦距的解析表达式，只通过判别它所直接决定的系统姿态矩阵来实现镜头焦距的快速确定。首先，初始化焦距，定义光学镜头焦距的判别函数；其次，设定迭代步长和最大循环次数，完成镜头焦距的迭代计算；再次，根据每一步焦距的迭代值求解对应的姿态矩阵；最后，根据判别函数的值确定光学镜头的焦距。本发明可有效地解决SINS/CNS组合导航系统光学镜头焦距难以准确确定的问题，可用于基于星敏感器的组合导航系统光学镜头焦距的快速有效地确定。
文档编号G01C21/10GK101131338SQ20071017588
公开日2008年2月27日 申请日期2007年10月15日 优先权日2007年10月15日
发明者房建成, 伟 全, 王广君, 帆 徐, 科 王, 钟慧敏 申请人:北京航空航天大学