一种面向NFOV星敏感器的高精度折射星光观测方案

《Advances in Space Research》：A high-precision refracted starlight observation scheme for NFOV star sensor

　　

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  提出了一种最优视轴（LOS）确定方法，以提高恒星折射定位精度。
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  引入了一种扫描跟踪观测策略，以实现折射恒星的最优空间分布。
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  通过半实物仿真（HIL）实验验证了所提方法的有效性。

引言

天体导航具有完全自主和强抗干扰的特点，因此在航天器及远程运载工具的导航系统中得到广泛应用（Shujie 等，2022；Yuchang 等，2025；Zhihao 等，2024）。在该领域中，恒星折射导航是一种高精度定位技术（Bin 等，2019；Xiaolin 等，2013；Xianjun 等，2024）。该方法利用星敏感器观测经地球大气折射的星光，通过建立恒星折射角与载体位置之间的映射关系，实现亚百米级的高精度定位。由于微小的恒星折射角误差会导致恒星折射定位误差显著增大，因此折射星光观测对星敏感器的测量精度提出了比观测直星光的传统天体导航方法更高的要求（Robert 等，1983）。

目前，星敏感器根据视场大小主要分为两类：宽视场（WFOV）和窄视场（NFOV）星敏感器（Xunjiang 等，2020；Xiaoheng 等，2023）。

WFOV星敏感器具有更大的探测范围，在较低的极限星等条件下也能获取足够的导航星。因此，可以通过减少导航星表中的恒星数量来提高星图识别效率（Dun 等，2013；Tong 等，2019）。然而，扩大的视场半径会导致视场边缘的像差增大，引起星点畸变和能量集中度降低，从而影响恒星质心提取精度（Tianqi 等，2023）。同时，由于WFOV星敏感器光学系统的相对孔径较小，每个像元接收到的星光能量分散，导致所捕获星图的信噪比降低，进而降低星光测量精度，难以满足恒星折射导航系统的高精度测量要求（Yu 等，2018）。

相比之下，NFOV星敏感器通常采用大口径和长焦距设计，使每个像元集中了更多的星光能量。这种设计提高了图像的信噪比和质心提取精度（Tianyu 等，2024）。此外，NFOV构型有效降低了大气背景噪声和强光干扰，更适合观测大气边缘的星光（Huaming 等，2019）。Furthermore，NFOV星敏感器具有轻量级和低功耗的特点，可以减少对运载工具发射资源的占用，适应严格的载荷约束条件（Khan 等，2015）。因此，NFOV星敏感器在折射星光观测方面具有显著优势。

大气折射主要发生在20-50 km的高度范围内（Yi 等，2023）。因此，为了在飞行过程中稳定观测折射星光，载体通常需要姿态机动以持续将星敏感器的视轴对准该折射区域（Chunxi 等，2021；Haonan 等，2025）。一些研究者对折射星光的各种观测方案进行了研究。Feng 和 Yiqun（2012a, 2012b）研究了基于恒星折射导航方法的可视性，并提出了一种使用单个星敏感器的锥形扫描观测方法。Xiaolin 等（2016）引入了一种带可视性分析的隐式无迹卡尔曼滤波器（IUKF），并比较了三种折射星光观测策略的导航精度。Haiyong 等（2018）研究了SINS/RCNS组合导航中折射星光观测的指令姿态规律，并开发了用于捷联星敏感器的机动姿态控制律。Chengzhen 等（2022）提出了一种在有限观测时间下的全局最优折射星光观测方案，利用遗传算法优化各观测窗口的起始时间和姿态角。然而，现有观测方案未考虑使用NFOV星敏感器时可观测恒星数量有限的情况。窄视场导致可观测的折射恒星数量显著减少。此外，折射恒星在视场内空间集中分布进一步降低了系统状态的可视性，从而降低了恒星折射导航方法的定位精度。

为解决上述问题，本文提出了一种面向NFOV星敏感器的高精度折射星光观测方案。通过采用扫描跟踪观测策略，在最优视轴方向捕获折射恒星，该方案增强了系统状态的可视性，从而提高了恒星折射导航方法的定位精度。

章节摘要

问题描述

当星光穿过地球大气层时，大气中连续的折射率梯度导致星光传播路径持续弯曲，产生恒星折射现象。如图1所示，载体观测到的折射光线相对于地球的视高度为$h_a$，而光线相对于地球的折射高度为$h_g$。未折射星光方向$\mathit{u}$与

星敏感器最优视轴方向确定方法

本地水平坐标系定义为n系，如图2所示。${\mathit{x}}_n$轴指向正北方向，${\mathit{y}}_n$轴指向正东方向，${\mathit{z}}_n$轴与地心矢量方向一致。

星敏感器视轴与${\mathit{z}}_n$轴之间的夹角定义为视轴仰角$\alpha$，星敏感器视轴在本地水平面上的投影与${\mathit{y}}_n$轴之间的夹角定义为视轴方位角$\beta$。在载体

SINS/RCNS组合导航方案设计

恒星折射导航方法提供高精度位置信息。将其与惯性导航系统集成，并采用扩展卡尔曼滤波器（EKF），设计了捷联惯性导航系统/折射天体导航系统（SINS/RCNS）组合导航方案，其结构如图9所示。

系统状态方程以平台失准角$\mathbf{\Phi }$、速度误差$\delta \mathit{V}$、位置误差$\delta \mathit{P}$、陀螺

半实物仿真（HIL）实验验证

为验证所提出高精度折射星光观测方案的性能，建立了SINS/RCNS半实物仿真（HIL）系统。通过将星模拟器和星敏感器等关键硬件设备集成到仿真系统回路中，构建了高置信度测试环境，使得能够在接近实际工作条件下对理论方案进行性能验证。

结论

在NFOV星敏感器条件下，可观测恒星数量不足且空间分布集中，导致系统定位精度较低。为解决这一问题，本文设计了面向NFOV星敏感器的高精度折射星光观测方案。通过理论分析和仿真验证，得出以下结论：

（1）恒星折射导航方法需要观测三颗或更多折射恒星才能实现

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作受国家自然科学基金委（NSFC）（项目编号：61673040）、中国航空科学基金（项目编号：20170151002）及天地一体化信息技术国家重点实验室开放研究基金（项目编号：2015-SGIIT-KFJJ-DH-01）支持。

丁源 | 王新龙