专利名称：用于光谱图像天文导航的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明的领域一般涉及天文导航系统，并且具体来说涉及用于多光谱天文导航系统的方法和系统。
背景技术：
天文导航系统提供非阻塞、非发射、自包含的导航解决方案，该解决方案很适合在地球表面以及空运和星载运载工具(vehicle)上使用。至少一些已知的天文导航系统使用耦合到可见范围CCD成像器的透镜系统，并且系统受制于非常有限制性的因素，因为它们遭受诸如但不限于云、雾和烟的天气现象造成的遮蔽。由于现有的天文导航系统有时间歇地提供定位信息，所以当天文导航系统不能提供导航信息时，这样的系统与其他类型的导航系统协作使用以提供导航信息，其他类型的系统诸如惯性或航位推测系统、GPS定位技 术以及基于地面的导航系统(无线电辅助设施)。现有的惯性解决方案倾向于随时间发生漂移，GPS解决方案易遭受电子干扰、伪造信号以及对基于地面和基于太空的基础设施的攻击。基于地面的导航(无线电辅助设施)维护较昂贵，与现有的INS和GPS技术相比倾向于产生大误差，并且目前正在被淘汰。
发明内容
在一个实施例中，提供多光谱天文导航系统。系统包括响应于电磁辐射中的至少第一波长带和第二波长带的第一传感器。传感器配置成生成与电磁辐射的第一波长带相关的第一输出和生成与电磁福射的第二波长带相关的第二输出。系统也包括处理器，其被编程为接收第一输出和第二输出，使用存储的星表(star catalog)和接收的第一输出和第二输出来确定传感器相对于一个或多个星的位置，并且输出确定的位置。在另一实施例中，提供使用多光谱天文成像器确定运载工具地点的方法。方法包括使用响应于电磁辐射中的至少第一波长带和第二波长带的成像器的传感器获取天空的图像，使用获取的图像确定图像中的多个恒星对象，并且比较恒星对象和存储的星表。方法还包括确定成像器相对于确定的恒星对象的位置以及成像器相对于恒星对象的姿态中的至少一个，以及输出确定的位置和确定的姿态中的至少一个。在又一实施例中，提供运载工具。运载工具包括多个传感器，每个传感器响应于由传感器的视野中的多个恒星对象发射的电磁辐射的至少第一波长带和第二波长带，其中每个传感器被通信地耦合到传感器板载(onboard)的传感器处理器。传感器处理器被编程为生成多个恒星对象的图像。运载工具还包括被通信地耦合到传感器处理器的主处理器，其中主处理器被编程为接收由传感器处理器生成的图像，使用存储的星表和接收的图像确定各个传感器相对于一个或多个星的位置，并且输出确定的位置。
图I 图9示出本文描述的方法和系统的示范性实施例。
图I是根据本发明的一示范性实施例的多光谱天文导航系统的示意框图；图2是根据本发明的一示范性实施例的、图I所示的多光谱传感器的示意框图；图3是根据本发明的另一实施例的、图I所示的多光谱传感器的示意框图；图4是根据本发明的另一实施例的、图I所示的多光谱天文导航系统的另一示意框图；图5是根据本发明的一示范性实施例的、图I所示的多光谱传感器的控制/数据流程图；图6是根据本发明的一示范性实施例的多光谱天文导航系统的控制/数据流程图；
图7是根据本发明的一示范性实施例的、使用图I所示的多光谱天文导航系统来确定运载工具位置和/或方位的方法的流程图；图8是根据本发明的一示范性实施例的、用于模拟大气失真的方法的流程图；以及图9是根据本发明的一示范性实施例的、用于修正传感器图像中的失真的方法流程图。
具体实施例方式以下的详细描述以示例的方式而不是以限制的方式来说明本发明的实施例。可以预见的是，本发明一般应用于在工业的、商业的和居民的应用中仅使用天文单元确定运载工具导航位置的分析的及方法的实施例。如本文使用的，在以单数形式陈述并以单词“一”开头的元件或步骤应该被理解为不排除复数个元件或步骤，除非此类排除被明确地陈述。此外，对本发明的“一个实施例”的引用不意于被解释为排除同样结合所陈述的特征的附加实施例的存在。图I是与根据发明的一示范性实施例的多光谱天文导航系统100的示意框图。在示范性实施例中，系统100被安装在运载工具102上，运载工具诸如(但不限于)航行器、轮式运载工具、履带式运载工具、船舶、太空运载工具、弹道导弹或制导的武器系统。系统100包括至少一个多光谱传感器104。在示范性实施例中，传感器104包括壳体106，耦合在壳体106上的遮光物108。遮光物108被设定尺寸和/或配置成阻挡杂散光照和/或限制传感器104的视野110。传感器104也包括探测器112，该探测器112配置成接收如由星和恒星对象114发射的那样的电磁辐射。透镜116用于保护探测器112和修正电磁辐射的射线路径以进行聚焦或校准射线或修正视野110以匹配遮光物108的开口 118。在一个实施例中，传感器104包括板载处理器120。在各种其他实施例中，传感器104不包括板载处理器，而是进行将通过探测器112接收的数据传送至板外处理器或主处理器122的处理。在一个实施例中，传感器104包括能够观察到整个天空的数字成像器，以消除对追踪所选择的星的独立镜头或万向节的需要。在数字成像器能够观察整个天空的实施例中，遮光物108是不需要的并且通常不存在于传感器104上。传感器104在红外、紫外、可见和无线电波长带中响应，以改进白天的可见度和穿过烟、雾和云的可见度两者。由于穿过烟、雾和云而观看的多光谱能力，系统100意于成为独立于例如惯性、GPS和助航系统的独立导航系统。在操作期间，传感器104进行相对于仅附属于每个传感器104的体固定参照系的星观查。传感器104能同时为多个星提供相对于传感器104固定的参照系中的星位置。传感器104报告星114在传感器104的视野110中的笛卡尔坐标位置。这些(x，y)位置可被转换为在参照系124中表达的单位向量，该参照系124包括通常与传感器104的视轴128共线的Z轴126，X轴130以及Y轴132。在示范性实施例中，传感器104被刚性地耦合在运载工具102上，因此参照系124对应于运载工具102的参照系，这允许在运载工具102的固定参照系及要定义的参照系124之间进行时不变变换。在一个实施例中，迷失太空(lost-in-space)恒星姿态获取过程被用于确定每个传感器104的方位。该过程接受传感器104数据和存储的星表数据作为输入。处理器120或系统100从该信息计算出姿态估计及由每一个传感器104获取的已识别的星列表。更大的视野110允许更精确的姿态确定。
图2是根据本发明的一示范性实施例的多光谱传感器104(示出于图I)的示意框图。在示范性实施例中，传感器104包括响应于电磁辐射的至少第一波长带和第二波长带的单探测器112。在各种实施例中，电磁辐射的波长带包括但不限于红外、紫外、可见和无线电波长带。在一个实施例中，探测器112包括响应于电磁辐射的第一波长带的第一探测表面区域202以及响应于电磁辐射的第二波长带的第二探测表面区域204。在各种其他实施例中，使用多于两个探测器表面区域。图3是根据本发明的另一实施例的传感器104的示意框图。在该实施例中，传感器104包括单探测器112，该探测器112包括响应于电磁辐射的第一波长带的第一探测器层302以及响应于电磁辐射的第二波长带的第二探测器层304。在另一实施例中，单探测器112包括响应于电磁辐射的至少第一波长带的探测器层或探测器表面区域，以及响应电磁辐射的第一波长带和第二波长带的第二探测器层或探测器表面区域，以便可以在第二探测器层或探测器表面区域中抵销对电磁辐射的第一波长带的响应，以允许确定第二层或表面区域只响应于电磁辐射的第二波长带。图4是根据本发明的另一实施例的多光谱天文导航系统100(示出于图I)的另一示意框图。在该实施例中，多个传感器104被通信地耦合到主处理器122。在该实施例中，每个传感器104不出为具有响应于电磁福射的单个波长带的、与传感器处理器120通信的单探测器112。然而，每个传感器104可具有响应于电磁辐射的多于一个波长带的多于一个单探测器112。传感器104位于运载工具102的表面附近(示出于图I)或在运载工具102内部，具有对天空的视野。传感器104通过高速数据传输总线402与主处理器122通信地耦合。主处理器122负责混合从传感器104接收的图像并且负责执行天文导航计算。主处理器122可内置于将被安装在航行器的任何地方的独立盒子中，或者只要满足处理及存储器需求，处理软件可作为较大的航空电子套件(suite)的一部分(独立于目标硬件)或作为分区的ARINC-653环境的一部分来安装。图5是根据本发明的一示范性实施例的传感器104的控制/数据流程图500。在示出的控制/数据流程图500中，控制流程由实心箭头指示，数据流程由空心箭头指示。在不范性实施例中，一开始通电502,传感器104就初始化504并且执行一系列的自检测506。传感器104然后开始自动定序(auto-sequencing) 508。处理器120检查主处理器122命令510并且运行接收的命令。此类命令可包括传感器的再初始化512，传感器的自检测514或其他的命令。如果开启采样516，则图像被获取518，如果图像不是以数字形式获取的，则将图像转换为数字的并加上日期戳和时间戳520。图像获取的状态被传送到主处理器122并且控制循环返回到检查来自主处理器122的命令510。图6是根据本发明的一示范性实施例的多光谱天文导航系统100的控制/数据流程图600。一开始通电602，系统100就初始化604，执行一系列的自检测606，并且进入自动定序过程，该自动定序过程包括自配置，并对远程传感器进行检测608，协调板载星图数据库与远程传感器610，以及获得初始信息612(来自用户或其他系统的初始位置、时间等)。在另一个备选实施例中，使用从在启动期间获取的图像确定的数据自动地确定初始信息。自动定序包括处置/维持在失效情况下的远程传感器管理和下模变(downmoding)。一旦完全导航模式被输入614，为了产生导航输出620，引入的图像616被依据最新的误差模型修正618并且被组合。组合的多光谱图像也用于生成622大气模型和对于天空的给定部分的相关误差。误差模型基于测量对于来自相同光点的不同波长的大气效应来确定因大气失真而遭受的误差。在一个实施例中，误差模型是低速率模型，不会很快地改变，例如，大约每次更新小于一秒。然后公布结果623，由例如军用标准接口的外部系统624使用。自动定序循环通过检查任何新用户命令并且处理最近的捕获图像集来重新开始626。·除导航信息外，一些系统和自检测状态信息被公布，并且主处理器122负责维持星图数据库628，该星图数据库经由例如命令接口 630被更新并且被传送632到远程传感器104。图7是根据本发明的一示范性实施例的、使用多光谱天文导航系统100(示出于图I)确定运载工具位置和/或方位的方法700的流程图。在示范性实施例中，方法700包括使用响应于电磁辐射中的至少第一波长带和第二波长带的成像器的传感器获取702天空的图像，使用获取的图像确定704图像中的多个恒星对象，比较706恒星对象与存储的星表，确定708成像器相对于确定的恒星对象的位置或成像器相对于恒星对象的姿态中的至少一个，以及输出710确定的位置或确定的姿态中的至少一个。图8是根据本发明的一实施例的、用于模拟大气失真的方法800的流程图。在示范性实施例中，方法800包括在第一波长处接收802来自恒星对象的辐射，确定804恒星对象相对于在第一波长处接收辐射的传感器的第一位置，在第二波长处接收806来自恒星对象的辐射，确定808恒星对象相对于在第二波长处接收辐射的传感器的第二位置，使用第一位置及第二位置确定810传感器与恒星对象之间大气的失真效应，以及输出812已确定的失真效应。图9是根据本发明的一示范性实施例的、用于修正传感器图像中失真的方法900的流程图。在示范性实施例中，方法900包括接收902第一图像，该第一图像使用由传感器通过介质在第一波长处接收的辐射而生成，接收904第二图像，该第二图像使用由传感器通过介质在第二波长处接收的辐射而生成，使用第一图像和第二图像中的至少一个确定906介质中的失真的量，并且使用已确定的失真修正908第一图像。如本文使用的，失真是指图像中的对象表示精度的未预期的改变，该改变起因于介质在辐射通过介质时修改辐射的频率、振幅或路径而引起。如本文使用的术语“处理器”是指中央处理单元、微处理器、微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路和能够运行本文描述的功能的任意其他电路或处理器。如本文使用的术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储在存储器中的、用于由处理器120和处理器122运行的任何计算机程序，存储器包括RAM存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器和非易失性RAM存储器(NVRAM)。以上存储器类型仅是示例，并且因此不限于可用于计算机程序的存储的存储器类型。基于之前的说 明将认识到，公开的上述实施例可使用包括计算机软件、固件、硬件或其任何组合或子集的工程技术，或计算机编程来实现，其中技术效果是克服现有天文导航系统关于天体的遮蔽的主要局限，该天体用于确定该导航系统传感器的位置。此外，该系统还以测量/模拟对于来自同一光点的不同波长的大气效应的方式来克服由于大气失真而遭受的误差。根据本公开所讨论的实施例，具有计算机可读代码单元的任何这种产生的程序，可在一个或多个计算机可读介质内包含或提供，由此制备计算机程序产品(例如制造物品)。计算机可读介质可以是，例如但不限于固定的(硬盘)驱动、磁盘、光盘、磁带、诸如只读存储器(ROM)的半导体存储器，和/或诸如因特网或其他通信网络或链接的任何传送/接收介质。该包含计算机代码的制造物品可通过直接从一个介质运行代码、通过从一个介质复制代码到另一介质或通过经由网络传送代码来制备和/或使用。上述的多光谱天文导航的方法和系统的实施例提供了仅使用天体来确定运载工具的位置和/或姿态的划算的、可靠的单元。更具体地说，本文描述的方法和系统有助于允许成像器能够穿过遮蔽现象观察天空视野并且修正大气失真。此外，上述的方法和系统有助于不论运载工具的姿态如何而通过多个远程定位的冗余传感器观察天空。结果，本文描述的方法和系统有助于以划算并且可靠的方式仅使用天文导航来确定运载工具的位置和/或姿态。以上详细描述了用于仅利用天文导航来自动确定运载工具相对于预定参照的位置和/或姿态的示范性方法和系统。示出的设备不仅限于本文描述的具体实施例，而是每个的部件可与本文描述的其他部件独立地且分开地利用。每个系统部件也能与其他系统部件组合使用。本书面描述使用示例来公开包括最优模式的本发明，并且也使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制备和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与本权利要求的字面语言不相异的结构要素，或它们包括与权利要求的字面语言具有非本质区别的结构要素，则它们也意于处于本权利要求的范围之内。
权利要求
1.ー种多光谱天文导航系统，包括 第一传感器，响应于电磁辐射的至少第一波长带和第二波长带，所述传感器配置成生成与电磁辐射的所述第一波长带相关的第一输出，以及生成与电磁辐射的所述第二波长带相关的第二输出； 处理器，被编程为 接收所述第一输出和第二输出； 使用存储的星表和所接收的第一输出和第二输出来确定所述传感器相对于ー个或多个星的位置和所述第一传感器的姿态中的至少ー个；以及 输出所确定的位置和所确定的姿态中的至少ー个。
2.根据权利要求I所述的系统，其中电磁辐射的所述至少第一波长带和第二波长带包括红外、紫外、可见和无线电波长带中的至少ー个。
3.根据权利要求I所述的系统，其中所述处理器还被编程为确定所述传感器的姿态。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述处理器还被编程为使用多个星相对于所述传感器位置的平均位置来确定所述传感器的姿态。
5.根据权利要求I所述的系统，其中所述第一输出和第二输出包括天空的至少一部分图像，所述图像包括在星表中识别的星。
6.根据权利要求I所述的系统，其中所述处理器还被编程为分别使用所述第一输出和第二输出生成第一图像和第二图像。
7.根据权利要求I所述的系统，其中所述处理器包括主处理器，所述主处理器被编程为接收来自至少所述第一传感器的混合图像。
8.根据权利要求7所述的系统，还包括通信地耦合到所述主处理器的多个传感器。
9.根据权利要求7所述的系统，其中每个传感器包括所述处理器，所述处理器中的每个通信地耦合到所述主处理器。
10.根据权利要求I所述的系统，其中所述处理器和所述第一传感器封装于共同外壳内。
11.根据权利要求I所述的系统，其中所述第一传感器包括响应于电磁辐射的至少第一波长带和第二波长带的单探测器。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一传感器包括响应于电磁辐射的至少第一波长带和第二波长带的单探测器。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述单探測器包括第一探测器层和第二探測器层，所述第一探测器层响应于电磁辐射的第一波长带，所述第二探测器层响应于电磁辐射的第二波长带。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述单探測器包括第一探測器表面区域和第二探測器表面区域，所述第一探測器表面区域响应于电磁辐射的第一波长带，所述第二探測器表面区域响应于电磁辐射的第二波长带。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述单探測器包括第一响应于电磁辐射的至少第一波长带的探测器层和探測器表面区域中的至少ー个，以及第二 响应于电磁辐射的第一波长带和第二波长带之一的探测器层或探測器表面区域中的至少ー个。
16.ー种使用多光谱天文成像器确定运载工具的地点的方法，所述方法包括使用成像器的传感器获取天空的图像，所述传感器响应于电磁辐射的至少第一波长带和第二波长带； 使用所获取的图像确定所述图像中的多个恒星对象； 比较所述恒星对象和存储的星表； 确定所述成像器相对于所确定的恒星对象的位置和所述成像器相对于所述恒星对象的姿态中的至少ー个； 输出所确定的位置和所确定的姿态中的所述至少ー个。
17.根据权利要求16所述的方法，其中获取所述天空的图像包括穿过包含烟、雾、薄雾、烟雾、雨、雪、云和灰尘中的至少ー个的介质来获取所述天空的图像。
18.根据权利要求16所述的方法，其中获取所述天空的图像包括使用相对彼此以大于.90度的方向定向的第一成像器和第二成像器获取所述天空的图像。
19.一种运载工具,包括 多个传感器，所述多个传感器中的每个响应于由所述传感器的视野中的多个恒星对象发射的电磁辐射的至少第一波长带和第二波长带，每个传感器通信地耦合到传感器板载的传感器处理器，所述传感器处理器被编程为生成所述多个恒星对象的图像； 主处理器，通信地耦合到所述传感器处理器，所述主处理器被编程为 接收由所述传感器处理器生成的所述图像； 使用存储的星表和所接收的图像确定所述各个传感器相对于ー个或多个星的位置； 输出所确定的位置。
20.根据权利要求19所述的运载工具，其中所述多个传感器中的至少ー个包括单探测器，所述单探測器响应于电磁辐射的所述第一波长带和电磁辐射的所述第二波长带中的所述至少一个。
21.一种用于模拟大气失真的方法，所述方法包括 由传感器在第一波长处接收来自恒星对象的辐射； 确定所述恒星对象相对于在所述第一波长处接收所述辐射的所述传感器的第一位置； 由所述传感器在第二波长处接收来自所述恒星对象的辐射； 确定所述恒星对象相对于所述传感器的第二位置； 使用所述第一位置和所述第二位置确定所述恒星对象和所述传感器之间的大气失真效应；以及 输出所确定的失真效应。
22.—种用于修正传感器图像中的失真的方法，所述方法包括 接收使用由传感器通过介质在第一波长处接收的辐射而生成的第一图像； 接收使用由所述传感器通过所述介质在第二波长处接收的辐射而生成的第二图像； 使用所述第一图像和所述第二图像中的至少ー个确定所述介质中的失真的量；以及 使用所确定的失真修正所述第一图像。
全文摘要
本发明题为“用于光谱图像天文导航的方法和系统”。一种用于多光谱天文导航系统的方法和系统，包括响应于电磁辐射中的至少第一波长带和第二波长带的第一传感器。传感器配置成生成与电磁辐射的第一波长带相关的第一输出和生成与电磁辐射的第二波长带相关的第二输出。系统也包括一处理器，该处理器被编程为接收第一输出和第二输出，使用存储的星表和接收的第一输出和第二输出来确定传感器相对于一个或多个星的位置，并且输出确定的位置。
文档编号G01C21/02GK102695942SQ201080044181
公开日2012年9月26日 申请日期2010年8月6日 优先权日2009年9月30日
发明者T·M·布雷斯 申请人:通用电气航空系统有限责任公司
专业数控铣床产品供应商
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