基于显式测量模型的序贯恒星折射角观测临近空间定位

《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》：Near-Space Geolocation Using Sequential Stellar Refraction Angle Observations With an Explicit Measurement Model

　　当全球导航卫星系统（GNSS）不可用时，近空间飞行器需要实现自主地理定位。星体折射导航利用星光穿过大气层时的弯曲效应，可作为一种独立的辅助定位信息源。然而，传统的星体折射模型假设航天器位于大气层之外，此时光线路径具有对称性，因此不能直接适用于大气层内的飞行器；此外，固定单向的恒星敏感器提供的定位可观测性有限。为了解决这两个局限性，本文建立了一种用于近空间定位的显式星体折射角测量模型，并提出了一种单传感器顺序观测方法。该测量模型将大气折射物理与大气层内光线路径几何相结合，形成了一个将折射角与飞行器位置关联起来的隐式系统。该隐式系统通过离线求解，其解使用二维对数域切比雪夫多项式进行近似。所得到的显式模型在留出的测试集上达到了0.124角分分（arcsec）的均方根残差，对应相对均方根误差为0.046%。所得显式函数具有解析可微性，可直接用于扩展卡尔曼滤波器（EKF）。该顺序观测方法采用旋转型恒星敏感器，在两个观测方向之间交替切换，并通过延迟量测融合方案来组合非同时观测数据；迹归一化的D-效率指标进一步表明，正交方向可提供最均衡的定位信息。蒙特卡洛仿真（100次运行）结果表明，所提出的顺序双向观测方案实现了平均三维均方根误差295.88米，相比固定单向配置（764.43米）降低了61.3%，且平均均方根误差仅比使用两个持续可用方向所得结果（243.81米）高52.07米。在测试的旋转角度中，……**I. 引言**近空间（20–100公里）是航空航天领域与航空领域之间的过渡区域，具有长航时、超视距通信以及以较低成本获得类空间性能等独特优势[1], [2]。在该区域内，近空间飞行器越来越多地被期望执行地球观测和遥感任务，这对导航系统提出了严格要求[3]。目前，近空间导航主要依赖惯性导航系统，并以全球导航卫星系统（GNSS）进行辅助。虽然惯性导航系统可提供连续的自主导航，但在缺乏外部修正的情况下，其位置误差会随时间积累[4]。GNSS的可用性可能因有意干扰、信号遮挡以及某些高速飞行阶段的电离导致衰减而下降[5]。因此，需要在GNSS降级或GNSS拒止环境中运行的近空间飞行器拥有一种不依赖外部无线电信号的独立导航信息源。