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申请/专利权人：北京控制工程研究所

摘要：本发明涉及一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统及方法，通过固定在载体上的中微子探测器测量得到日心方向矢量在载体坐标系的投影，通过地平仪和指北仪测定载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵，通过坐标转换得到日心方向矢量在地理坐标系的投影；通过太阳星历和时钟计算得到当前时刻日心方向矢量在地心惯性系的投影，并通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影；解析计算得到载体所处位置的经纬度信息。中微子信号可以在电磁波难以到达的水下地下传输，从而为隐蔽环境中的用户提供了一种潜在的天文导航测量方式。本发明所述方法可为潜艇等处于隐蔽环境的载体提供导航定位服务，在未来信息化战场上具有较高的军事应用价值。

主权项：1.一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特征在于，步骤如下：1通过固定在载体上的中微子探测器测量得到日心方向矢量在载体坐标系的投影，通过地平仪和指北仪测定载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵，通过坐标转换得到日心方向矢量在地理坐标系的投影；2通过太阳星历和时钟计算得到当前时刻日心方向矢量在地心惯性系的投影，并通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影；3根据步骤1中得到的日心方向矢量在地理坐标系的投影和步骤2中得到的日心方向矢量在地球固连系的投影解析计算得到载体所处位置的经纬度信息；所述步骤1中日心方向矢量在地理坐标系的投影计算公式如下： 其中，Sb表示通过中微子探测器测量得到的日心方向矢量在载体坐标系的投影，表示通过地平仪和指北仪测定的载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵，Sn表示日心方向矢量在地理坐标系的投影；所述步骤2中通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影具体为： 其中，Si表示日心方向矢量在地心惯性系的投影，表示地心惯性系到地球固连系的转换矩阵，Se表示日心方向矢量在地球固连系的投影；所述步骤3中解析计算载体所处位置的经纬度信息的方法为： 其中，表示地球固连系到地理坐标系的转换矩阵，其表达式如下： 其中，L和λ分别表示载体的纬度和经度。

全文数据：一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统及方法技术领域本发明涉及一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统及方法，属于导航制导技术领域。背景技术精确定位、导航和授时PNT能力是衡量国家军事与经济实力的一个重要因素，在现代信息化作战环境中，作战平台的导航信息对作战意图能否实现具有至关重要的作用。目前，众多军用系统和作战平台依赖GNSS全球导航卫星系统或基于GNSS的组合导航系统获取导航信息。但是，卫星导航信号难以穿透密度较大的物质，进入水下或土壤后，无线电信号的衰减现象非常严重，在深海环境中难以应用。潜艇作为重要的水下作战平台，具备极强的攻击性和隐蔽性，能够在数百米的深水中持续活动数月，作为战略威慑的主要力量，是现代战争中必不可少的武器装备。由于潜艇必须深潜水下，不能获取传统光学和GNSS等导航信号；而惯性导航方式存在误差随时间积累的问题，制约了惯性系统的长期导航精度。因此，需要研究新概念PNT技术，实现高精度高安全性自主导航，为其水下作战和其他战术任务的实现提供保障。作为组成物质世界的基本粒子之一，中微子是一种性能稳定、不带电、以光速运动的微观粒子。中微子是原子核内的质子或中子发生衰变的产物，恒星发光、核反应堆发电等物理过程都会产生中微子，其最显著的特征是严格按直线传播，且具有极强的穿透能力，可穿透土壤或水层，甚至数光年厚的铅板。中微子作为导航信号载体的优势在于：首先，中微子信号具有极强的穿透能力，将中微子信号源作为导航信标，能够克服传统电磁波信号易受干扰和遮挡影响的缺陷，是一种先进的自主导航测量方式；其次，中微子信号严格按直线传播，在传播过程中不易发生反射、折射和衰减，能够从信号体制上保障测量的准确性。中微子信号可以在电磁波难以到达的水下地下传输，从而为隐蔽环境中的用户提供了一种潜在的天文导航测量方式，作为天文导航目标天体的太阳是一个理想的天然中微子信号源。应用本发明的定位方法，使得处于隐蔽环境中的用户可以更安全可靠地运作战场资源、集中优势兵力、实现系统设备校准和突然实施精确打击，从而将准确有效的导航信息转变为作战优势。发明内容本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，针对电磁波信号难以到达深海和地下，导致传统天文和无线电导航方式应用受限的问题，充分发挥中微子穿透力强和方向性好的优势，提出一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统及方法，能够在传统天文和无线电信号拒止的情况下为用户提供有效的导航信息。本发明的技术解决方案是：提供一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，步骤如下：1通过固定在载体上的中微子探测器测量得到日心方向矢量在载体坐标系的投影，通过地平仪和指北仪测定载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵，通过坐标转换得到日心方向矢量在地理坐标系的投影；2通过太阳星历和时钟计算得到当前时刻日心方向矢量在地心惯性系的投影，并通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影；3根据步骤1中得到的日心方向矢量在地理坐标系的投影和步骤2中得到的日心方向矢量在地球固连系的投影解析计算得到载体所处位置的经纬度信息。优选的，所述步骤1中日心方向矢量在地理坐标系的投影计算公式如下：其中，Sb表示通过中微子探测器测量得到的日心方向矢量在载体坐标系的投影，表示通过地平仪和指北仪测定的载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵，Sn表示日心方向矢量在地理坐标系的投影。优选的，通过地平仪和指北仪测定载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵的方法为：通过地平仪测量得到载体的俯仰角θ和横滚角γ，通过指北仪测量得到载体的航向角ψ，计算得到载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵优选的，所述载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵如下：优选的，所述步骤2中通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影具体为：其中，Si表示日心方向矢量在地心惯性系的投影，表示地心惯性系到地球固连系的转换矩阵，Se表示日心方向矢量在地球固连系的投影。优选的，通过太阳星历和时钟计算当前时刻日心方向矢量在地心惯性系的投影的方法为：根据太阳星历和时钟信息计算得到太阳的黄道经度λs和黄道纬度φs，计算日心方向矢量在地心惯性系的投影公式如下：其中：式中，ε为黄赤交角。优选的，地心惯性系到地球固连系的转换矩阵如下：式中，αG为格林威治赤经。优选的，所述步骤3中解析计算载体所处位置的经纬度信息的方法为：其中，表示地球固连系到地理坐标系的转换矩阵，其表达式如下：其中，L和λ分别表示载体的纬度和经度。优选的，在无线电信号缺失的情况下，采用基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法进行载体定位。同时提供一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统，隐蔽环境天文定位系统安装在待定位载体上，包括中微子探测器，地平仪、指北仪、时钟和处理器；中微子探测器用于测量日心方向矢量在载体坐标系的投影；地平仪和指北仪用于测量载体相对于地理坐标系的姿态；时钟为载体导航定位提供参考时间信息；处理器根据载体相对于地理坐标系的姿态获取载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵，将日心方向矢量在载体坐标系的投影通过坐标转换得到日心方向矢量在地理坐标系的投影；通过参考时间信息和太阳星历计算得到当前时刻日心方向矢量在地心惯性系的投影，并通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影；通过解析计算得到载体所处位置的经纬度信息。优选的，日心方向矢量在地理坐标系的投影计算公式如下：其中，Sb表示通过中微子探测器测量得到的日心方向矢量在载体坐标系的投影，表示通过地平仪和指北仪测定的载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵，Sn表示日心方向矢量在地理坐标系的投影。优选的，并通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影的方法为：其中，Si表示日心方向矢量在地心惯性系的投影，表示地心惯性系到地球固连系的转换矩阵，Se表示日心方向矢量在地球固连系的投影。优选的，解析计算载体所处位置的经纬度信息的方法为：其中，表示地球固连系到地理坐标系的转换矩阵，其表达式如下：其中，L和λ分别表示载体的纬度和经度。本发明与现有技术相比的有益效果是：1现有的用于替代或辅助GNSS的导航技术主要有惯性导航和天文导航等，尽管经过了多年的发展，但在长期导航或信号遮挡等应用条件下仍存在较大不足，如惯性导航系统受惯性器件自身特性限制，其误差随时间积累，制约了惯性系统的长期导航精度。传统天文导航敏感器对特定天体的光学信号实施观测，光学信号穿透海水传播的深度有限，难以满足水下用户导航定位的需求。基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法利用了中微子信号穿透力强和方向性好的优势，有助于解决传统GNSS和天文导航系统固有的脆弱性带来的问题，能够为隐蔽环境中的用户提供稳健的导航定位服务。2本发明计算方法能够在GNSS信号拒止的环境中实现导航定位，计算精度高，长期稳定性好，计算效率高，自主性好。单点定位精度可以达到km量级。3应用本发明的定位方法，使得处于隐蔽环境中的用户可以更安全可靠地运作战场资源、集中优势兵力、实现系统设备校准和突然实施精确打击，从而将准确有效的导航信息转变为作战优势。附图说明图1为本发明定位方法的流程图；图2为日心方向矢量观测示意图；图3为基于中微子信号的载体定位误差曲线，其中图3a为纬度误差曲线，图3b为经度误差曲线。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。本发明提出一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，如图1所示，步骤如下：1通过载体上的中微子探测器测量得到日心方向矢量在载体坐标系的投影，日心方向矢量观测示意图如图2所示。通过坐标转换得到日心方向矢量在地理坐标系的投影；通过地平仪测量得到载体的俯仰角θ和横滚角γ，通过指北仪测量得到载体的航向角ψ，通过公式计算得到载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵如下：日心方向矢量在地理坐标系的投影按下式计算：其中，Sb表示通过中微子探测器测量得到的日心方向矢量在载体坐标系的投影，表示通过地平仪和指北仪测定的载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵，Sn表示日心方向矢量在地理坐标系的投影。2根据太阳星历和时钟信息计算得到太阳的黄道经度λs和黄道纬度φs，利用下式计算日心方向矢量在地心惯性系的投影其中，式中，ε为黄赤交角，近似为23.439291°。地心惯性系到地球固连系的转换矩阵如下：通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影，坐标转换具体为：其中，Si表示日心方向矢量在地心惯性系的投影表示地心惯性系到地球固连系的转换矩阵，Se表示日心方向矢量在地球固连系的投影。3根据步骤1中得到的日心方向矢量在地理坐标系的投影和步骤2中得到的日心方向矢量在地球固连系的投影列写方程，通过解析计算得到用户所处位置的经纬度信息，从而实现基于中微子信号的隐蔽环境天文定位。列写方程形式为其中，表示地球固连系到地理坐标系的转换矩阵，其表达式如下：其中，L和λ分别表示载体的纬度和经度。根据上述公式不难看出，地球固连系到地理坐标系的坐标转换关系仅与载体的经度和纬度这两个未知数相关，通过求解方程组可以得到经度和纬度这两个未知数。定位系统由中微子探测器、地平仪、指北仪、处理器、时钟等构成，其中，中微子探测器用于测量日心方向矢量在载体坐标系的投影，地平仪和指北仪用于测量载体相对于地理坐标系的姿态，时钟为载体导航定位提供参考时间信息，处理器根据上述导航敏感器的输出计算载体的位置。下面，以位于地球表面的载体导航定位为例，通过仿真实例验证本发明所述方法的有效性。设载体位于东经73°，北纬41°，姿态保持对地稳定状态。载体上安装具有中微子信号源视线方向测量能力的中微子探测器，以及地平仪和指北仪。基于太阳这一自然中微子信号源的观测获取载体位置信息，假设中微子探测器的太阳视线方向测量随机误差标准差为0.02°，地平仪和指北仪的姿态测量误差标准差均为0.01°。仿真过程中，利用中微子探测器提供的日心方向矢量信息，结合地平仪和指北仪提供的对地姿态信息，以及已知的太阳在天球上的角位置信息，使用本发明所述方法，通过求解方程实现传统无线电和光学信号拒止环境下的载体位置确定。共进行100次仿真，得到的载体位置确定结果如图3所示。图中实线表示位置确定误差，图3a为纬度误差，图3b为经度误差，纵坐标表示位置确定误差的大小，单位为度，横坐标表示仿真次数。根据图3不难看出，本发明所述方法能够实现载体位置确定，通过统计计算可知，基于上述仿真条件，单点定位精度可以达到km量级。本发明的主要技术内容可用于解决水下作战平台自主导航问题，能够满足“高精度、长时间、自主性”的军事需求，在未来信息化战场上具有较高的军事应用价值。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的公知技术。

权利要求：1.一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特征在于，步骤如下：1通过固定在载体上的中微子探测器测量得到日心方向矢量在载体坐标系的投影，通过地平仪和指北仪测定载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵，通过坐标转换得到日心方向矢量在地理坐标系的投影；2通过太阳星历和时钟计算得到当前时刻日心方向矢量在地心惯性系的投影，并通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影；3根据步骤1中得到的日心方向矢量在地理坐标系的投影和步骤2中得到的日心方向矢量在地球固连系的投影解析计算得到载体所处位置的经纬度信息。2.根据权利要求1所述的一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特征在于：所述步骤1中日心方向矢量在地理坐标系的投影计算公式如下：其中，Sb表示通过中微子探测器测量得到的日心方向矢量在载体坐标系的投影，表示通过地平仪和指北仪测定的载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵，Sn表示日心方向矢量在地理坐标系的投影。3.根据权利要求2所述的一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特征在于：通过地平仪和指北仪测定载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵的方法为：通过地平仪测量得到载体的俯仰角θ和横滚角γ，通过指北仪测量得到载体的航向角ψ，计算得到载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵4.根据权利要求3所述的一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特征在于：所述载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵如下：5.根据权利要求1所述的一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特征在于：所述步骤2中通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影具体为：其中，Si表示日心方向矢量在地心惯性系的投影，表示地心惯性系到地球固连系的转换矩阵，Se表示日心方向矢量在地球固连系的投影。6.根据权利要求5所述的一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特征在于：通过太阳星历和时钟计算当前时刻日心方向矢量在地心惯性系的投影的方法为：根据太阳星历和时钟信息计算得到太阳的黄道经度λs和黄道纬度φs，计算日心方向矢量在地心惯性系的投影公式如下：其中：式中，ε为黄赤交角。7.根据权利要求5所述的一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特征在于：地心惯性系到地球固连系的转换矩阵如下：式中，αG为格林威治赤经。8.根据权利要求1所述的一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特征在于：所述步骤3中解析计算载体所处位置的经纬度信息的方法为：其中，表示地球固连系到地理坐标系的转换矩阵，其表达式如下：其中，L和λ分别表示载体的纬度和经度。9.根据权利要求1所述的一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法，其特征在于：在无线电信号缺失的情况下，采用基于中微子信号的隐蔽环境天文定位方法进行载体定位。10.一种基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统，其特征在于：隐蔽环境天文定位系统安装在待定位载体上，包括中微子探测器，地平仪、指北仪、时钟和处理器；中微子探测器用于测量日心方向矢量在载体坐标系的投影；地平仪和指北仪用于测量载体相对于地理坐标系的姿态；时钟为载体导航定位提供参考时间信息；处理器根据载体相对于地理坐标系的姿态获取载体坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵，将日心方向矢量在载体坐标系的投影通过坐标转换得到日心方向矢量在地理坐标系的投影；通过参考时间信息和太阳星历计算得到当前时刻日心方向矢量在地心惯性系的投影，并通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影；通过解析计算得到载体所处位置的经纬度信息。11.根据权利要求10所述的基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统，其特征在于：日心方向矢量在地理坐标系的投影计算公式如下：其中，Sb表示通过中微子探测器测量得到的日心方向矢量在载体坐标系的投影，表示通过地平仪和指北仪测定的载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵，Sn表示日心方向矢量在地理坐标系的投影。12.根据权利要求10所述的基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统，其特征在于：并通过坐标转换得到日心方向矢量在地球固连系的投影的方法为：其中，Si表示日心方向矢量在地心惯性系的投影，表示地心惯性系到地球固连系的转换矩阵，Se表示日心方向矢量在地球固连系的投影。13.根据权利要求10所述的基于中微子信号的隐蔽环境天文定位系统，其特征在于：解析计算载体所处位置的经纬度信息的方法为：其中，表示地球固连系到地理坐标系的转换矩阵，其表达式如下：其中，L和λ分别表示载体的纬度和经度。

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