簡介
自從第一顆人造地球衛星上天以來,人類在航天領域取得了舉世矚目的成就。隨著進人太空的太空飛行器種類和數目的急劇增加,地面站對太空飛行器進行跟蹤、測控和數據處理的負擔越來越重。除非在太空飛行器上對這類數據進行自動處理,否則這種迅速增加的數據將成為地面的一種沉重的負擔。此外,為了在和平時期提供全球數據和話音服務,在危機時期提供關鍵的通信服務,要求有為數眾多的高存活率衛星組網,但這要以昂貴的地面連續支持為代價。為了降低地面支持成本,或不依賴地面支持,這就要求太空飛行器自主運行,而太空飛行器要實現自主,首先要求實現自主導航。太空飛行器自主導航除了能大大降低地面支持成本外,還直接有助於提高衛星網的生存能力,即在地面台站發生阻塞甚至被破壞時仍能保持系統正常運行。隨著太空飛行器測量技術的進展以及星上計算功能愈來愈強大,太空飛行器的自主導航己從需要變為可能。
利用星光折射間接測量地平法是20世紀80年代初發展起來的一種低成本、高精度的自主衛星導航方法。它僅利用星敏感器來量測折射角，結合大氣層的較精確的數學模型來間接敏感地平，從而實現載體的精確定位。星光折射自主導航方法一種擺脫水平基準精度制約、提高自主定位精度的有效方法。
有關自主導航領域的研究工作著重在如下四個方面:
(1)動力學模型的建立;
(2)導航測量的類型及導航敏感器;
(3)導航算法;
(4)星載或船載計算機。
沿地球軌道運行的太空飛行器其動力學模型目前都是套用非保守力描述的。近地軌道太空飛行器的干擾力主要考慮非球形地球引力和大氣阻力。還要考慮太陽輻射壓力,這要視太空飛行器的構形和軌道高度而定。目前太空飛行器軌道動力學模型己有相當高的精度,在這方面不存在什麼技術問題。導航測量分為矢量和標量測量兩種。目前利用固定地面位置的標量測距數據可以有效地提供衛星軌道確定和導航的數據。而矢量測量是最容易實現的星基測量。導航算法己取得歷史性突破,目前主要採用卡爾曼濾波算法。
原理
利用慣性系下基於加性四元數的非線性慣導誤差傳播方程作為組合導航系統的狀態方程，將基於星光折射技術的天文導航推廣到非軌道運動的航天飛行器，同時利用星敏感器得到的相對於慣性空間的高精度姿態信息，採用無跡卡爾曼濾波器（Unscented Kalman filter, UKF）進行信息融合，構成非線性的INS/ CNS組合導航系統，對系統狀態進行全參量最優估計，實現全面自主導航。
航天自主導航將姿態信息與星光折射敏感地平信息作為觀測信息，充分利用星敏感器的量測信息，與慣導系統構成非線性的INS/CNS組合導航系統，利用UKF實現全面最優的組合導航，為飛行器提供高精度的導航信息。
星敏感器得到的姿態和星光折射法敏感地平都是相對於慣性空間的信息，採用J2000地心慣性系i作為導航坐標系不會產生轉換到當地地理水平坐標系的轉換誤差並且便於誤差分析。
基於星光折射間接敏感地平和星敏測姿信息的INS/CNS組合導航方案，高效地利用了星敏感器的高精度量測信息，且擺脫了傳統INS/CNS組合導航方法對水平基準的依賴，提供高精度的全參數的導航信息。由於採用了基於加性四元數的非線性誤差模型，算法在系統存在大角度誤差的情況仍然適用。另經驗證，導航精度隨觀測折射數量的增多得到明顯提高。該導航方案具有成本低、導航精度高、自主性強的特點，不僅能用於地球軌道衛星導航，還能為空天飛行器、高空長航時飛行器等提供導航服務，具有較高的實際套用價值。
分類
自主導航按其獲得信息的方法可分為三類:
(1)連續地將測量的加速度或速度對時間積分得到位置信息,如慣性導航等。
(2)直接由測量信息獲得位置信息,屬這類導航的有天文導航,無線電導航等。
(3)圖形匹配導航。將觀測到的圖形與己知圖形進行比較後獲得位置信息。採用這類導航方法的有光學、雷達等圖形匹配導航。
按照測量原理可將自主導航系統分為三類:
(1)測量對位置敏感的太空飛行器與天體的夾角。基於此類測量方案的典型自主導航系統有：
①LES8/9,測量太陽矢量和當地重線;
②SS一ANARS,利用空間六分儀的自主導航和姿態基準系統,測量太空飛行器與月球和恆星的夾角。
③AGN,自主制導和導航系統,測量太空飛行器與行星和恆星的夾角。
(2)測量地基參考目標
①己知自然陸標識別;包括區域相關器和線性特徵檢測;
②人造陸標識別:包括套用光學發射器(如雷射和探照燈)的自主導航系統以及利用微波發射器(如雷達)的干涉儀陸標跟蹤器(ILT);
(3)測量與己知信標的距離
GPS是基於此類測量方案的典型導航系統。它不是完全自主的導航方法,因為利用GPS導航要測量太空飛行器與人造地球衛星星座(三顆以上全球定位導航星)的距離。
發展史
從1963年開始,國外就開始研究太空飛行器的自主導航方案。與此相平行,不斷發展了與各種自主導航系統方案相配套的敏感器,包括地平掃瞄器,已知和末知陸標跟蹤器,CCD星敏感器,捷聯式陀螺,鑲嵌式敏感器,以及空間六分儀等。
自主導航系統的近期發展強調了下述四種方法:
(1)直接敏感地平;
(2)通過星光折射間接敏感地平;
(3)太空飛行器之間的相互觀測;
(4)利用全球定位系統(GPS)。
其中方法(2)要使用星載敏感器,目前主要採用CCD星敏感器。方法(3)需要採用測量太空飛行器之間相對距離的設備。利用GPS的方法(4)並不是完全自主的導航方案,因為GPS衛星需要地面監控站跟蹤,且衛星要求定期獲得GPS的修正信號。方法(1)直接敏感地平,可以提供一種自主導航的廉價方法,但精度較低。
