CN101236085A - 奔月段基于紫外敏感器、星敏感器的自主轨道估计方法 - Google Patents

Abstract

奔月段基于紫外敏感器、星敏感器的自主轨道估计方法，包括下列步骤：(1)对紫外敏感器拍摄的图像进行分割，根据分割后目标几何特点判断所拍摄图像内是否存在地球或月球，若无地球或月球，则不具备实现自主轨道估计的条件，等待下次拍摄的图像；否则，进行地球、月球的识别，判断地球与月球是否在同一张图像内，若二者不在同一张图像内，则转步骤(2)，否则转步骤(3)；(2)根据星敏感器输出的惯性姿态数据，紫外敏感器输出的半张角、月球矢量或地球矢量进行轨道估计；(3)仅根据紫外敏感器的测量值进行轨道估计，或根据紫外敏感器的测量值和星敏感器的输出值进行轨道估计。

Description

奔月段基于紫外敏感器、星敏感器的自主轨道估计方法

技术领域

本发明涉及一种本月段的自主轨道估计算法，属光学成像姿态敏感器应用领域。

背景技术

随着成像探测器件以及处理器技术的快速进步，航天器姿态敏感器逐渐由单元扫描式向成像式发展，紫外敏感器就是一种有别于传统地平仪的大视场成像式姿态敏感器。

紫外敏感器具备奔月段获取地球、月球图像的能力，利用获取的地球/月球图像信息计算出地心/月心矢量并完成相对于地心/月心的距离估计，这儿可实现两个功能a与标称轨道比较，估计轨道误差b配合星敏输出惯性姿态实现自主导航测试。

尽管国外比如欧洲的Smart1也提出在奔月段利用高精度可见光相机与惯性姿态进行在轨导航试验，但是具体实现算法并没有涉及，而如何实现是本领域的技术人员一直渴望解决的技术难题。

宇航学报，2006年第3期，“基于联邦UKF算法的月球探测器自主组合导航”介绍了地月转移轨道利用红外地球敏感器输出地心矢量、利用紫外敏感器输出月心矢量、星敏感器计算惯性姿态由三组信息组合后经滤波实现自主导航。与本发明技术相比其差异和不足在应用目标不同体现在于红外地球敏感器属于扫描类型精度较低且仅适于近地球轨道，因此文中算法不适于奔月轨道；另外文中没有涉及紫外敏感器拍摄图像相关处理方法、以及单独使用紫外敏感器的轨道估计方法。

空间科学学报，2003年第2期，“一种卫星天文自主定轨定姿方法研究”介绍了基于紫外敏感器、太阳敏感器、雷达测高计的地球卫星自主导航算法。与本方明技术相比其差异和与不足在于应用目标不同文中方法适合于近地卫星的轨道估计，没有涉及紫外敏感器的图像处理、未介绍单独使用紫外敏感器和配合星敏感器的轨道估计方法。

航天控制，2004年第22卷第3期，“基于紫外敏感器的航天器自主导航”中对基于紫外敏感器的卫星自主导航方法进行了研究，给出了自主轨道确定的滤波算法。文中方法适于近地轨道不涉及月球目标，文中未有紫外图像相关处理与判断方法，另外文中也没有单独使用紫外敏感器获得的地球、月球进行轨道估计的介绍，最后文中是一种通过动力学方程的滤波方法而不是简单的光学方法。

美国专利号US5319969，名称“Method for determining 3-axis spacecraftattitude”。介绍了一种利用紫外谱段姿态敏感器的三轴姿态确定方法，其中未涉及轨道估计问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种奔月段基于紫外敏感器、星敏感器的自主轨道估计方法，该方法可以仅利用紫外敏感器，或者紫外敏感器配合星敏感器进行自主轨道估计。

本发明的技术解决方案是：奔月段基于紫外敏感器、星敏感器的自主轨道估计方法，包括下列步骤：

(1)对紫外敏感器拍摄的图像进行分割，根据分割后目标几何特点判断所拍摄图像内是否存在地球或月球，若无地球或月球，则不具备实现自主轨道估计的条件，等待下次拍摄的图像；否则，进行地球、月球的识别，判断地球与月球是否在同一张图像内的判断，若二者不在同一张图像内，则转步骤(2)，否则转步骤(3)；

(2)根据星敏感器输出的惯性姿态数据，紫外敏感器输出的半张角、月球矢量或地球矢量进行轨道估计；

(3)仅根据紫外敏感器的测量值进行轨道估计，或根据紫外敏感器的测量值和星敏感器的输出值进行轨道估计。

轨道估计后，还进行轨道误差估计，所述的轨道误差估计采用自主计算的轨道值与地面预测值比较得到轨道误差，或根据预测轨道下地球、月球成像位置与实际所摄图像中位置进行比较进行轨道误差估计。

所述步骤(1)中判断所拍摄图像内是否存在地球或月球，判断方法为：

第一步，根据灰度阈值判断分割后的图像内是否形成像斑，若没有像斑，说明图像内无地球或月球，停止后续工作，否则对像斑大小进行分析，计算像斑内像素数目Num，判断像斑内像素数目Num与数目阈值T_N的大小，若Num＞＝T_N，像斑可能为地球或月球，打上标记，若Num＜T_N，像斑不是地球或月球目标；

第二步，统计第一步中打上标记的像斑数目M，若

M＝0，图像内没有地球或月球，停止后续工作；

M＝1，图像内有地球或月球，但不是同时存在；

M＝2，图像内同时存在地球、月球；

M＞2，图像内存在较大噪声干扰，停止后续工作；

其中，灰度阈值选择地面注入或先验默认值，一般大于2倍的最大背景灰度值；

数目阈值T_N，由标称轨道、弦月来决定。

所述第二步中M＝1时，地球或月球的识别方法如下：

第一步，计算地球/月球标称半张角，计算公式为：

             _E＝asin(R_E/L_E)      _M＝asin(R_M/L_M)

其中，L_E、L_M分别为卫星与地球/月球的距离；

R_E、R_M分别为地球半径，月球半径；

第二步，对像斑进行圆拟合分析得到像斑半张角，计算与第一步中的标称半张角误差：

              Δ_E＝|-_E|      Δ_M＝|-_M|

当Δ_E＞Δ_M & Δ_M＜T_Δ，此像斑为月球；

Δ_E＜Δ_M & Δ_E＜T_Δ，此像斑为地球；

其它，不满足计算条件，停止后续工作；

式中T_Δ为角度阈值，大小由标称轨道误差决定。

所述第二步中M＝2时，地球、月球的识别方法如下：

第一步，求解两个目标像斑的平均灰度值当 ${\stackrel{\&OverBar;}{G}}_2>{\stackrel{\&OverBar;}{G}}_1,$ 标记2像斑为地球，标记1像斑为月球； ${\stackrel{\&OverBar;}{G}}_2<{\stackrel{\&OverBar;}{G}}_1,$ 标记1像斑为地球，标记2像斑为月球。

所述步骤(2)中轨道估计存在图像中仅出现月球和仅出现地球两种情况，其中：

当图像中仅出现月球时，实现过程为：

第一步，计算月心惯性系下的卫星矢量：

           V_SC＝C_IB×V_M

第二步，计算卫星与月心距离L_M：

           L_M＝R_M/sin_M

第三步，月心惯性系下的轨道位置：

           [X_MI Y_MI Z_MI]＝L_M·V_SC

其中，R_M为月球半径；

C_IB为星敏感器输出惯性姿态阵；

V_M、_M分别为紫外敏感器输出本体系下的月球矢量、月半张角；

当图像中仅出现地球时，实现过程为：

第一步，计算地心惯性系下的卫星矢量，计算公式为：

           V_SCE＝C_IB×V_E

第二步，计算卫星与地心距离L_E：

           L_E＝R_E/sin_E

第三步，地心惯性系下的轨道位置：

           [X_EI Y_EI Z_EI]＝L_E·V_SCE

其中，R_E为地球半径；

C_IB为星敏感器输出惯性姿态阵；

V_E、_E分别为紫外敏感器输出本体系下的地球矢量、地半张角。

所述步骤(3)中的仅根据紫外敏感器的测量值进行轨道估计，实现过程为：

第一步，根据紫外敏感器测量的月心矢量V_M、月半张角_M、月相、地心矢量V_E、地半张角_E、地相，已知数值R_M、R_E计算地心距L_E、月心距L_M以及由月相、地相得到的太阳矢量V_S；

第二步，计算地月矢量之差，V_EM＝V_E-V_M；

第三步，根据计算得到的太阳矢量V_S、地月矢量之差V_EM求解卫星本体系到惯性系姿态转换阵C_IB；

第四步，利用计算得到的转换阵C_IB，计算在月心惯性系和地心惯性系下的轨道位置[X_MI Y_MI Z_MI]和[X_EI Y_EI Z_EI]。

所述的月心惯性系和地心惯性系下的轨道位置[X_MI Y_MI Z_MI]和[X_EI Y_EI Z_EI]计算公式为：

[X_MI Y_MI Z_MI]＝L_m·V_SC

[X_EI Y_EI Z_EI]＝L_E·V_SCE

其中，L_M-卫星与月心距离，L_M＝R_M/sin_M；

L_E-卫星与地心距离，L_E＝R_E/sin_E；

V_SC-月心惯性系下的卫星矢量，V_SC＝C_IB×V_M；

V_SCE-地心惯性系下的卫星矢量，V_SCE＝C_IB×V_E；

R_M为月球半径；

R_E为地球半径；

C_IB为星敏感器输出惯性姿态阵；

V_M、_M分别为紫外敏感器输出本体系下的月球矢量、月半张角；

V_E、_E分别为紫外敏感器输出本体系下的地球矢量、地半张角。

所述步骤(3)中的根据紫外敏感器的测量值和星敏感器的输出值进行轨道估计，实现过程为：

第一步，利用星敏感器输出的姿态转换阵C_IB分别计算月心惯性系和地心惯性系下的轨道位置[X_MI Y_MI Z_MI]和[X_EI Y_EI Z_EI]；

第二步，将地心惯性系下轨道位置转换到月心惯性系下，公式为：

[X′_MI Y′_MI Z′_MI]＝[X_EI Y_EI Z_EI]+[X_D Y_D Z_D]

其中，[X_D Y_D Z_D]为地心惯性系到月心惯性系的平移量；

第三步，计算轨道估计值，计算公式为：

$\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_{\mathrm{MI}}& {\stackrel{\&OverBar;}{Y}}_{\mathrm{MI}}& {\stackrel{\&OverBar;}{Z}}_{\mathrm{MI}}\end{array}\right]=(\left[\begin{array}{ccc}{X^{\&prime;}}_{\mathrm{MI}}& {Y^{\&prime;}}_{\mathrm{MI}}& {Z^{\&prime;}}_{\mathrm{MI}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{X}_{\mathrm{MI}}& Y_{\mathrm{MI}}& Z_{\mathrm{MI}}\end{array}\right])/2.$

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明对紫外敏感器输出的图像进行分割后分析，并进行地球月球识别，识别后可仅利用紫外敏感器进行轨道估计，也可以利用紫外敏感器配合星敏感器完成轨道估计，与现有轨道估计方法相比，本发明充分利用紫外敏感器的特点，实现自主轨道估计，具有精度高、自主性强的优点。

(2)本发明采用图像处理配合先验信息的方法进行地球、月球出现判断及目标识别，与现有技术事先假设图像中为地球或月球进行轨道估计的方式相比，本发明更能反应现实情况、解决实际问题。

(3)本发明误差估计采用了图像比较法即比较预测成像位置与实际所拍摄图位置，利用图像位置代替轨道差与现有技术一般采用滤波方法得到误差相比，本发明方法简单、适于工程上应用。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明对月拍摄仿真图像。

具体实施方式

本发明中涉及的紫外敏感器可以采用Honeywell公司申请的专利号为US5837894名称“Wide Field of View Sensor with diffractive OpticalCorrector”中公开的一种利用紫外谱段的三轴姿态敏感器。还可以采用美国专利US5319969名称“Method for determining 3-axis spacecraft attitude”中公开的一种利用紫外谱段的三轴姿态敏感器。

如图1所示，为本发明方法流程图，具体步骤如下：

(1)将紫外图像读入内存，同时引入星敏感器输出的惯性姿态数据。利用图像处理中的目标分割算法对紫外图像进行目标分割，分割算法可选择阈值分割法。具体算法见文章“图像分割的阈值法综述”系统工程与电子技术，2002Vol.24 No.6。奔月轨道中紫外地球、月球将出现类整圆、半圆的成像，根据分割后目标进行判断所拍摄图像内是否存在地球或月球。紫外图像内没有地球或者月球，那么不具备实现自主轨道估计的条件，等待下一次传输的图像。根据标称轨道或预测轨道按照成像亮度、成像像斑大小进行地球/月球的判断与识别。在紫外敏感器所拍摄的图像内可能的空间扩展目标只可能是地球、月球，在一定轨道与姿态允许下地球和月球会同时出现在图片内。若月球/地球不同在一图片内则转到(2)，否则转到(3)。

判断与识别方法如下：

第一步，根据灰度阈值判断分割后的图像内是否形成像斑，若没有像斑，说明图像内无地球或月球，停止后续工作，否则对像斑大小进行分析，计算像斑内像素数目Num，判断像斑内像素数目Num与数目阈值T_N的大小，若Num＞＝T_N，像斑可能为地球或月球，打上标记，若Num＜T_N，像斑不是地球或月球目标；

第二步，统计第一步中打上标记的像斑数目M，

若M＝0，图像内没有地球或月球，停止后续工作；

M＝1，图像内有地球或月球，但不是同时存在；

M＝2，图像内同时存在地球、月球；

M＞2，图像内存在较大噪声干扰，停止后续工作；

其中，灰度阈值选择地面注入或先验默认值，一般大于2倍的最大背景灰度值；

数目阈值T_N，由标称轨道、弦月来决定。

上面第二步中M＝1时，地球或月球的识别方法如下：

首先，计算地球/月球标称半张角，计算公式为：

         _E＝asin(R_E/L_E)         _M＝asin(R_M/L_M)

其中，L_E、L_M分别为卫星与地球/月球的距离；

R_E、R_M分别为地球半径，月球半径；

然后，对像斑进行圆拟合分析得到像斑半张角，计算与第一步中的标称半张角误差：

          Δ_E＝|-_E|       Δ_M＝|-_M|

当Δ_E＞Δ_M & Δ_M＜T_Δ，此像斑为月球；

Δ_E＜Δ_M & Δ_E＜T_Δ，此像斑为地球；

其它，不满足计算条件，停止后续工作；

式中T_Δ为角度阈值，大小由标称轨道误差决定。

所述第二步中M＝2时，地球、月球的识别方法如下：

求解两个目标像斑的平均灰度值

当 ${\stackrel{\&OverBar;}{G}}_2{>\stackrel{\&OverBar;}{G}}_1,$ 标记2像斑为地球，标记1像斑为月球；

当 ${\stackrel{\&OverBar;}{G}}_2<{\stackrel{\&OverBar;}{G}}_1,$ 标记1像斑为地球，标记2像斑为月球。

(2)此时图像内只有月球或者地球一个目标，星敏感器输出惯性姿态阵C_IB，紫外敏感器输出本体系下的月球矢量V_M或地球矢量V_E和月半张角_M。

a.以月球图像为例，那么在月心惯性系下卫星矢量：

        V_SC＝C_IB×V_M                      (1)

卫星与月心距离L_M，设月球半径为R_M：

        L_M＝R_M/sin_M                     (2)

那么在月心惯性系下的轨道位置：

        [X_MI Y_MI Z_MI]＝L_M·V_SC            (3)

b.以地球图像为例，计算地心惯性系下的卫星矢量，计算公式为：

        V_SCE＝C_IB×V_E                (4)

卫星与地心距离L_E：

        L_E＝R_E/sin_E                (5)

地心惯性系下的轨道位置：

        [X_EI Y_EI Z_EI]＝L_E·V_SCE      (6)

其中，R_E为地球半径；

C_IB为星敏感器输出惯性姿态阵；

V_E、_E分别为紫外敏感器输出本体系下的地球矢量、地半张角。

(3)当紫外敏感器所拍摄图片内地球、月球同在时可以直接凭借单一紫外敏感器进行轨道估计。此时的测量值有月心矢量V_M、月半角_M、月相、地心矢量V_E、地半角_E、地相，已知数值为R_M、R_E；利用上面测量值还可以得到地心距L_E、月心距L_M以及太阳矢量V_S，卫星本体系下利用紫外敏感器计算太阳矢量V_S具体公式如下：

$V_S=\frac{{\sin \mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{sm}}}{\sin \&PartialD;}{V}_{\mathrm{AC},B}-(\sin {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{sm}}\mathrm{ctg}\&PartialD;+\cos {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{sm}})M_B$

其中，V_Ac，B为卫星本体系下图像中亮弧中点矢量；为月球/地球视半径；θ_sm为月心矢量/地心矢量与太阳矢量夹角；M_B为卫星本体系下月心矢量/地心矢量。上面所述的、θ_sm、M_B为同时取地球量值或月球量值。

计算地月矢量之差：

                  V_EM＝V_E-V_M              (7)

根据惯性双矢量V_S、V_EM可以求解惯性到本体姿态阵的转换矩阵C_IB，双矢量定姿计算公式见《卫星姿态动力学与控制》，宇航出版社，2003年9月。

下面根据步骤(2)中的公式(1)～(6)可分别计算出月心惯性系和地心惯性系下的轨道位置。

当图像中既有地球也存在月球时，根据紫外敏感器的测量值和星敏感器的输出值进行轨道估计，计算在月心惯性系和地心惯性系下的轨道位置[X_MI Y_MI Z_MI]和[X_EI Y_EI Z_EI]；

[X_MI Y_MI Z_MI]和[X_EI Y_EI Z_EI]的计算可采用步骤(2)中的计算公式。

设定两坐标系只存在平移量[X_D Y_D Z_D]，那么统一到月心坐标系有：

[X′_MI Y′_MI Z′_MI]＝[X_EI Y_EI Z_EI]+[X_D Y_D Z_D]         (8)

根据两组数据平均估计值：

$\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_{\mathrm{MI}}& {\stackrel{\&OverBar;}{Y}}_{\mathrm{MI}}& {\stackrel{\&OverBar;}{Z}}_{\mathrm{MI}}\end{array}\right]=(\left[\begin{array}{ccc}{X^{\&prime;}}_{\mathrm{MI}}& {Y^{\&prime;}}_{\mathrm{MI}}& {Z^{\&prime;}}_{\mathrm{MI}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{X}_{\mathrm{MI}}& Y_{\mathrm{MI}}& Z_{\mathrm{MI}}\end{array}\right])/2---\left(9\right)$

为了对计算出的结果进行评价及后续分析，轨道估计后还需要进行轨道误差估计，轨道误差估计可以采用两种方法，一种采用计算值与预测值比较得到轨道误差，另一种，根据预测轨道下地球、月球成像位置与实际所拍摄图位置进行比较得到误差。

实施例：

输入紫外敏感器图像数据见图2，星敏感器输出姿态四元数：

q＝[q₁ q₂ q₃ q₄]＝[-0.1722692 0.7476803 -0.5625995 0.3078623]

从四元数得到惯性系到本体系的转换矩阵R：

$R=\left[\begin{array}{ccc}-0.751& -0.604& -0.266\\ 0.088& 0.308& -0.947\\ 0.654& -0.735& -0.177\end{array}\right]$

判断图像得到图像有两个像斑，选择像素数目阈值为100，则只有一个像斑满足大小要求，另外根据标称轨道位置可判断出为月球，由图像经处理后得到月心矢量在本体系描述M_b：

            M_b＝[0.2247 -0.27 0.936]

得到视半径：

            _M＝2.64°

与月心的距离：

$L_M=\frac{R_M}{\sin {\&PartialD;}_M}=\frac{1738}{0.0461}=37701\mathrm{km}$

月心惯性系中月心矢量描述：

         M_I＝R×M_b＝[-0.2552 -0.949 0.179]

月心惯性系中卫星的轨道位置：

         SC(X，Y，Z)＝-L_M·M_I＝[9621 35778 6748]。

本发明思想与方法可以推广应用于其它空间敏感器轨道估计上，只要利用本发明的思想实现的方法都落入本发明的保护范围，本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (12)

1、奔月段基于紫外敏感器、星敏感器的自主轨道估计方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)对紫外敏感器拍摄的图像进行分割，根据分割后目标几何特点判断所拍摄图像内是否存在地球或月球，若无地球或月球，则不具备实现自主轨道估计的条件，等待下次拍摄的图像；否则，进行地球、月球的识别，判断地球与月球是否在同一张图像内的判断，若二者不在同一张图像内，则转步骤(2)，否则转步骤(3)；

(2)根据星敏感器输出的惯性姿态数据，紫外敏感器输出的半张角、月球矢量或地球矢量进行轨道估计；

(3)仅根据紫外敏感器的测量值进行轨道估计，或根据紫外敏感器的测量值和星敏感器的输出值进行轨道估计。

2、根据权利要求1所述的奔月段基于紫外敏感器、星敏感器的自主轨道估计方法，其特征在于：轨道估计后，还进行轨道误差估计。

3、根据权利要求2所述的奔月段基于紫外敏感器、星敏感器的自主轨道估计方法，其特征在于：所述的轨道误差估计采用自主计算的轨道值与地面预测值比较得到轨道误差，或根据预测轨道下地球、月球成像位置与实际所摄图像中位置进行比较进行轨道误差估计。

4、根据权利要求1或2所述奔月段基于紫外敏感器、星敏感器的自主轨道估计方法，其特征在于：所述步骤(1)中判断所拍摄图像内是否存在地球或月球，判断方法为：

第一步，根据灰度阈值判断分割后的图像内是否形成像斑，若没有像斑，说明图像内无地球或月球，停止后续工作，否则对像斑大小进行分析，计算像斑内像素数目Num，判断像斑内像素数目Num与数目阈值T_N的大小，若Num＞＝T_N，像斑可能为地球或月球，打上标记，若Num＜T_N，像斑不是地球或月球目标；

第二步，统计第一步中打上标记的像斑数目M，若

M＝0，图像内没有地球或月球，停止后续工作；

M＝1，图像内有地球或月球，但不是同时存在；

M＝2，图像内同时存在地球、月球；

M＞2，图像内存在较大噪声干扰，停止后续工作；其中，灰度阈值选择地面注入或先验默认值，一般大于2倍的最大背景灰度值；

数目阈值T_N，由标称轨道、弦月来决定。

5、根据权利要求4所述奔月段基于紫外敏感器、星敏感器的自主轨道估计方法，其特征在于：所述第二步中M＝1时，地球或月球的识别方法如下：

首先，计算地球/月球标称半张角，计算公式为：

         _E＝asin(R_E/L_E)        _M＝asin(R_M/L_M)

其中，L_E、L_M分别为卫星与地球/月球的距离；

R_E、R_M分别为地球半径，月球半径；

然后，对像斑进行圆拟合分析得到像斑半张角，计算与第一步中的标称半张角误差：

          Δ_E＝|-_E|      Δ_M＝|-_M|

当Δ_E＞Δ_M & Δ_M＜T_Δ，此像斑为月球；

Δ_E＜Δ_M & Δ_E＜T_Δ，此像斑为地球；

其它，不满足计算条件，停止后续工作；

式中T_Δ为角度阈值，大小由标称轨道误差决定。

6、根据权利要求4所述奔月段基于紫外敏感器、星敏感器的自主轨道估计方法，其特征在于：所述第二步中M＝2时，地球、月球的识别方法如下：

求解两个目标像斑的平均灰度值

当 ${\stackrel{\&OverBar;}{G}}_2>{\stackrel{\&OverBar;}{G}}_1,$ 标记2像斑为地球，标记1像斑为月球；

当 ${\stackrel{\&OverBar;}{G}}_2{<\stackrel{\&OverBar;}{G}}_1,$ 标记1像斑为地球，标记2像斑为月球。

7、根据权利要求1或2所述的奔月段基于紫外敏感器、星敏感器的自主轨道估计方法，其特征在于：所述步骤(2)中轨道估计存在图像中仅出现月球和仅出现地球两种情况，其中：

当图像中仅出现月球时，实现过程为：

第一步，计算月心惯性系下的卫星矢量：

           V_SC＝C_IB×V_M

第二步，计算卫星与月心距离L_M：

           L_M＝R_M/sin_M

第三步，月心惯性系下的轨道位置：

           [X_MI Y_MI Z_MI]＝L_M·V_SC

其中，R_M为月球半径；

C_IB为星敏感器输出惯性姿态阵；

V_M、_M分别为紫外敏感器输出本体系下的月球矢量、月半张角；

当图像中仅出现地球时，实现过程为：

第一步，计算地心惯性系下的卫星矢量，计算公式为：

           V_SCE＝C_IB×V_E

第二步，计算卫星与地心距离L_E：

           L_E＝R_E/sin_E

第三步，地心惯性系下的轨道位置：

           [X_EI Y_EI Z_EI]＝L_E·V_SCE

其中，R_E为地球半径；

C_IB为星敏感器输出惯性姿态阵；

V_E、_E分别为紫外敏感器输出本体系下的地球矢量、地半张角。

8、根据权利要求1或2所述的奔月段基于紫外敏感器、星敏感器的自主轨道估计方法，其特征在于：所述步骤(3)中的仅根据紫外敏感器的测量值进行轨道估计，实现过程为：

第一步，根据紫外敏感器测量的月心矢量V_M、月半张角_M、月相、地心矢量V_E、地半张角_E、地相，已知数值R_M、R_E计算地心距L_E、月心距L_M以及太阳矢量V_S；

第二步，计算地月矢量之差，V_EM＝V_E-V_M；

第三步，根据计算得到的太阳矢量V_S、地月矢量之差V_EM求解卫星本体系到惯性系姿态转换阵C_IB；

第四步，利用计算得到的转换阵C_IB，计算在月心惯性系和地心惯性系下的轨道位置[X_MI Y_MI Z_MI]和[X_EI Y_EI Z_EI]。

9、根据权利要求8所述的奔月段基于紫外敏感器、星敏感器的自主轨道估计方法，其特征在于：所述的月心惯性系和地心惯性系下的轨道位置[X_MI Y_MI Z_MI]和[X_EI Y_EI Z_EI]计算公式为：

[X_MI Y_MI Z_MI]＝L_M·V_SC

[X_EI Y_EI Z_EI]＝L_E·V_SCE

其中，L_M-卫星与月心距离，L_M＝R_M/sin_M；

L_E-卫星与地心距离，L_E＝R_E/sin_E；

V_SC-月心惯性系下的卫星矢量，V_SC＝C_IB×V_M；

V_SCE-地心惯性系下的卫星矢量，V_SCE＝C_IB×V_E；

R_M为月球半径；

R_E为地球半径；

C_IB为星敏感器输出惯性姿态阵；

V_M、_M分别为紫外敏感器输出本体系下的月球矢量、月半张角；

V_E、_E分别为紫外敏感器输出本体系下的地球矢量、地半张角。

10、根据权利要求8所述的奔月段基于紫外敏感器、星敏感器的自主轨道估计方法，其特征在于：所述的太阳矢量V_S计算公式为：

$V_S=\frac{{\sin \mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{sm}}}{\sin \&PartialD;}{V}_{\mathrm{AC},B}-(\sin {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{sm}}\mathrm{ctg}\&PartialD;+\cos {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{sm}})M_B$

其中，V_Ac，B为卫星本体系下图像中亮弧中点矢量；

为月球/地球视半径；

θ_sm为月心矢量/地心矢量与太阳矢量夹角；

M_B为卫星本体系下月心矢量/地心矢量。

11、根据权利要求1或2所述的奔月段基于紫外敏感器、星敏感器的自主轨道估计方法，其特征在于：所述步骤(3)中的根据紫外敏感器的测量值和星敏感器的输出值进行轨道估计，实现过程为：

第一步，利用星敏感器输出的姿态转换阵C_IB分别计算月心惯性系和地心惯性系下的轨道位置[X_MI Y_MI Z_MI]和[X_EI Y_EI Z_EI]；

第二步，将地心惯性系下轨道位置转换到月心惯性系下，公式为：

[X′_MI Y′_MI Z′_MI]＝[X_EI Y_EI Z_EI]+[X_D Y_D Z_D]

其中，[X_D Y_S Z_D]为地心惯性系到月心惯性系的平移量；

第三步，计算轨道估计值，计算公式为：

$\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_{\mathrm{MI}}& {\stackrel{\&OverBar;}{Y}}_{\mathrm{MI}}& {\stackrel{\&OverBar;}{Z}}_{\mathrm{MI}}\end{array}\right]=(\left[\begin{array}{ccc}{X^{\&prime;}}_{\mathrm{MI}}& {Y^{\&prime;}}_{\mathrm{MI}}& {Z^{\&prime;}}_{\mathrm{MI}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{X}_{\mathrm{MI}}& Y_{\mathrm{MI}}& Z_{\mathrm{MI}}\end{array}\right])/2.$

12、根据权利要求11所述的奔月段基于紫外敏感器、星敏感器的自主轨道估计方法，其特征在于：所述的月心惯性系和地心惯性系下的轨道位置[X_MI Y_MI Z_MI]和[X_EI Y_EI Z_EI]计算公式为：

[X_MI Y_MI Z_MI]＝L_M·V_SC

[X_EI Y_EI Z_EI]＝L_E·V_SCE

其中，L_M-卫星与月心距离，L_M＝R_M/sin_M；

L_E-卫星与地心距离，L_E＝R_E/sin_E；

V_SC-月心惯性系下的卫星矢量，V_SC＝C_IB×V_M；

V_SCE-地心惯性系下的卫星矢量，V_SCE＝C_IB×V_E；

R_M-月球半径；

R_E-地球半径；

C_IB-星敏感器输出惯性姿态阵；

V_M、_M-分别为紫外敏感器输出本体系下的月球矢量、月半张角；

V_E、_E-分别为紫外敏感器输出本体系下的地球矢量、地半张角。

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