CN104567881A - 一种基于太阳、地心及月表重力矢量的巡视器位置姿态确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太阳、地心及月表重力矢量的巡视器位置姿态确定方法，实现步骤包括倾斜姿态确定、太阳矢量计算、地心矢量计算以及航向与位置确定。本发明首先利用月表重力矢量确定巡视器的倾斜姿态，即确定俯仰角和滚动角；然后通过星历计算和敏感器测量得到太阳矢量和地心矢量；最后，基于双矢量定姿原理，计算得到巡视器的航向及月表位置，即偏航角和月表经纬度。本发明在巡视器静止状态下，仅利用自身敏感器的测量信息确定巡视器的绝对位置和姿态，原理简单，易于实现，能够实现巡视器长时间、长距离、高精度导航。

Description

一种基于太阳、地心及月表重力矢量的巡视器位置姿态确定方法

技术领域

本发明涉及一种基于太阳、地心及月表重力矢量的巡视器位置姿态确定方法，属于深空探测导航定位领域。

背景技术

对于月面巡视器来说，巡视器的导航定位是其进行月面探测工作的前提和关键。巡视器的导航定位主要包括确定巡视器所在的位置(一般用月表经度和月表纬度来描述)及巡视器的姿态信息。

巡视器位置确定的方法主要有无线电跟踪测量和基于下降成像的定位方法。无线电跟踪测量方法借助于地面三个以上测控站与巡视器上的定向天线确定巡视器到测控站的距离，然后建立距离方程解算出巡视器在地惯坐标系中的描述，再利用星历信息确定巡视器的经纬度，该方法对地面测控条件要求较高，并且处理过程比较复杂，成本较高；基于下降成像方法是利用探测器着陆过程中获取的一系列CCD图像，按照摄影测量的光束法平差求解CCD图像的定向参数，再结合CCD图像求解着陆点的三维位置，该方法受限于CCD图像中是否有明显的特征点。

巡视器采用惯性和天文组合导航方法，即利用月表重力矢量和太阳矢量进行姿态确定。该方法在巡视器位置已知和惯性测量敏感器正常有效的情况下可以获得较高精度的姿态信息，但在位置未知或者惯性测量敏感器发生故障时，则无法获得准确姿态信息，需要研究其他的姿态确定方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为克服现有技术的不足，提出一种基于太阳、地心及月表重力矢量的巡视器位置姿态确定方法，该方法能够在巡视器静止状态下，仅利用自身敏感器的测量信息实现巡视器的位置和姿态确定。

本发明技术解决方案：

一种基于太阳、地心及月表重力矢量的巡视器位置姿态确定方法，具体实现步骤如下：

(1)倾斜姿态确定

根据巡视器本体坐标系下的月表重力矢量、巡视器导航坐标系下的月表重力矢量，得到巡视器本体坐标系相对于巡视器导航坐标系的坐标转换关系，进而得到巡视器的滚动角和俯仰角，完成巡视器的倾斜姿态确定；

(2)太阳矢量计算

根据太阳矢量在月固坐标系下的坐标，得到太阳矢量在巡视器本体坐标系下的坐标；

(3)地心矢量计算

根据地心矢量在月固坐标系下的坐标，得到地心矢量在巡视器本体坐标系下的坐标；

(4)航向及位置确定

利用步骤(1)得到的巡视器滚动角和俯仰角，得到巡视器水平坐标系相对于巡视器本体坐标系的坐标转换关系；

利用步骤(2)得到的太阳矢量在巡视器本体坐标系下的坐标和步骤(3)得到的地心矢量在巡视器本体坐标系下的坐标，进行坐标转换，得到太阳矢量和地心矢量在巡视器水平坐标系下的坐标；通过将月固坐标系转换到巡视器水平坐标系，得到月表经度、月表纬度和偏航角，完成航向及位置确定。

所述步骤(1)中巡视器本体坐标系相对于巡视器导航坐标系的坐标转换关系按照3-2-1转序或者3-1-2转序进行。

所述步骤(4)中巡视器水平坐标系定义为：原点位于巡视器质心，X_R轴为巡视器前进方向在水平面上的投影，Y_R轴在水平面上与X_R轴垂直，指向巡视器的右侧，Z_R轴与X_R轴、Y_R轴满足右手定则。

所述步骤(4)中对月表经度、月表纬度和偏航角计算时，需对太阳矢量和地心矢量的夹角进行判断，若夹角小于20度，则另选时机，待夹角变大后重新进行计算。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提出的巡视器位置确定方法不需要地面测站信息或探测器的下降图像，仅依靠巡视器自身敏感器的测量信息确定巡视器的绝对位置，该方法原理简单，易于实现，能够实现巡视器长时间、长距离、高精度导航；

(2)本发明基于双矢量定姿的原理，将巡视器的位置确定问题转化为姿态确定问题，所采用的基于三个矢量位置姿态确定方法不仅适用于月面巡视器的导航定位，还可以推广到火星等其他行星探测车的导航定位，适用性强。

附图说明

图1为本发明的巡视器位置姿态确定流程图；

图2为本发明的巡视器各坐标系间相对关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的具体实现如下：

(1)倾斜姿态确定

利用巡视器配备的加速度计，可以得到巡视器所在位置处的月表重力矢量在巡视器本体坐标系下的表示，记为

巡视器导航坐标系下的月表重力矢量为已知的，这里记为其中，g₀为月球重力加速度；

巡视器的三轴姿态角分别记为滚动角俯仰角θ和偏航角ψ，按照3-2-1的转序，计算得到巡视器本体坐标系相对于导航坐标系的方向余弦矩阵C_BN，即：

上式中，R_Y(θ)和R_Z(ψ)分别表示绕X轴、绕Y轴和绕Z轴旋转某个角度的方向余弦矩阵，下同；

根据坐标转换，建立如下方程：

G_B＝C_BN·G_N              (2)

分别将G_B、G_N和C_BN代入式(2)，从而有：

求解上述方程，得到巡视器的滚动角和俯仰角θ：

(2)太阳矢量计算

通过星历计算求得太阳矢量在月固坐标系下的表示，记为S_M；

利用巡视器配备的太阳敏感器的测量信息，根据太阳敏感器的安装可以得到太阳矢量在巡视器本体坐标系下的表示，记为S_B；如果太阳敏感器发生故障，可以利用巡视器的相机对太阳成像获得太阳图像，通过对太阳图像处理提取出太阳中心点，根据相机成像原理求得太阳矢量在巡视器本体坐标系下的表示；

(3)地心矢量计算

通过星历计算求得地心矢量在月固坐标系下的表示，记为E_M；

利用巡视器的相机对地球成像获得地球图像，通过对地球图像处理提取出地球中心点，根据相机成像原理求得地心矢量在巡视器本体坐标系下的表示，记为E_B；

(4)航向及位置确定

根据巡视器姿态角的定义，利用步骤(1)得到的巡视器滚动角和俯仰角θ，求得巡视器水平坐标系相对于本体坐标系的方向余弦矩阵C_RB，即：

将步骤(2)和步骤(3)得到的太阳矢量在巡视器本体坐标系下的坐标S_B和地心矢量在巡视器本体坐标系下的坐标E_B，进行坐标转换，得到太阳矢量和地心矢量在巡视器水平坐标系下的坐标，分别记为S_R和E_R，即：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_R=C_{\mathrm{RB}}\·S_B\\ E_R=C_{\mathrm{RB}}\·E_B\end{array}\right.---\left(6\right)$

记巡视器所在位置的月表经度为α_Ln、月表纬度为α_La；

根据坐标系定义可知，由月固坐标系转换到巡视器水平坐标系需要利用月表经度α_Ln、月表纬度α_La和巡视器偏航角ψ进行三次旋转，将这三个角视为巡视器水平坐标系相对于月固坐标系的姿态角，则巡视器水平坐标系相对于月固坐标系的方向余弦矩阵C_RM为：

$\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{RM}}=R_Z\left(\mathrm{\ψ}\right)\·R_Y(-\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{La}})\·R_Z\left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{Ln}}\right)\\ =\left[\begin{array}{ccc}-\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{Ln}}\sin \mathrm{\ψ}-\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{Ln}}\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{La}}\cos \mathrm{\ψ}& \cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{Ln}}\sin \mathrm{\ψ}-\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{Ln}}\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{La}}\cos \mathrm{\ψ}& \cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{La}}\cos \mathrm{\ψ}\\ \cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{Ln}}\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{La}}\sin \mathrm{\ψ}-\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{Ln}}\cos \mathrm{\ψ}& \cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{Ln}}\cos \mathrm{\ψ}+\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{Ln}}\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{La}}\sin \mathrm{\ψ}& -\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{La}}\sin \mathrm{\ψ}\\ -\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{Ln}}\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{La}}& -\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{Ln}}\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{La}}& -\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{La}}\end{array}\right]\end{array}---\left(7\right)$

对太阳矢量、地心矢量建立如下方程：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_R=C_{\mathrm{RM}}\·S_M\\ E_R=C_{\mathrm{RM}}\·E_M\end{array}\right.---\left(8\right)$

式(8)中，S_R、E_R、S_M和E_M为已知量，方向余弦矩阵C_RM为未知量；

利用双矢量定姿原理，可以求解计算月表经度α_Ln、月表纬度α_La和巡视器偏航角ψ三个姿态角，具体过程如下：

记V_R＝E_R×S_R，V_M＝E_M×S_M，构造两个正交矩阵，分别记为M_R和M_M，即：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_R=\left[\begin{array}{ccc}{S}_R\×V_R& S_R& V_R\end{array}\right]\\ M_M=\left[\begin{array}{ccc}{S}_M\×V_M& S_M& V_M\end{array}\right]\end{array}\right.---\left(9\right)$

结合式(8)和式(9)，求得方向余弦矩阵C_RM，即：

$M_R=C_{\mathrm{RM}}\·M_M\⇒C_{\mathrm{RM}}=M_R\·{\left(M_M\right)}^{-1}=M_R\·{\left(M_M\right)}^T---\left(10\right)$

由式(7)和式(10)，可以求得巡视器月表经纬度和偏航角分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Ln}}=\arctan 2(-C_{\mathrm{RM}}\left(\mathrm{3,2}\right),-C_{\mathrm{RM}}(\mathrm{3,1},))\\ {\mathrm{\α}}_{\mathrm{La}}=\arcsin (-C_{\mathrm{RM}}\left(\mathrm{3,3}\right))\\ \mathrm{\ψ}=\arctan 2(-C_{\mathrm{RM}}\left(\mathrm{2,3}\right),C_{\mathrm{RM}}\left(\mathrm{1,3}\right))\end{array}\right.---\left(11\right)$

月固坐标系定义：原点位于月心，参考平面是月球赤道面，X_F轴指向月球赤道面与过月面上子午线的交线方向，Z_F轴指向月球自转方向，Y_F轴按右手定则定义。

巡视器导航坐标系定义：原点位于巡视器本体中心，X_N轴指向真北方向，Z_N轴垂直指向月心，Y_N轴按右手定则定义。

巡视器本体坐标系定义：原点位于巡视器本体中心，X_B轴指向巡视器前进方向，Z_B轴指向巡视器基本平面法线方向，Y_B轴按右手定则定义。

上述巡视器各坐标系之间的关系如图2所示。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种基于太阳、地心及月表重力矢量的巡视器位置姿态确定方法，其特征在于，具体实现步骤如下：

(1)倾斜姿态确定

根据巡视器本体坐标系下的月表重力矢量、巡视器导航坐标系下的月表重力矢量，得到巡视器本体坐标系相对于巡视器导航坐标系的坐标转换关系，进而得到巡视器的滚动角和俯仰角，完成巡视器的倾斜姿态确定；

(2)太阳矢量计算

根据太阳矢量在月固坐标系下的坐标，得到太阳矢量在巡视器本体坐标系下的坐标；

(3)地心矢量计算

根据地心矢量在月固坐标系下的坐标，得到地心矢量在巡视器本体坐标系下的坐标；

(4)航向及位置确定

利用步骤(1)得到的巡视器滚动角和俯仰角，得到巡视器水平坐标系相对于巡视器本体坐标系的坐标转换关系；

利用步骤(2)得到的太阳矢量在巡视器本体坐标系下的坐标和步骤(3)得到的地心矢量在巡视器本体坐标系下的坐标，进行坐标转换，得到太阳矢量和地心矢量在巡视器水平坐标系下的坐标；通过将月固坐标系转换到巡视器水平坐标系，得到月表经度、月表纬度和偏航角，完成航向及位置确定。

2.根据权利要求1所述的一种基于太阳、地心及月表重力矢量的巡视器位置姿态确定方法，其特征在于：所述步骤(1)中巡视器本体坐标系相对于巡视器导航坐标系的坐标转换关系按照3-2-1转序或者3-1-2转序进行。

3.根据权利要求1所述的一种基于太阳、地心及月表重力矢量的巡视器位置姿态确定方法，其特征在于：所述步骤(4)中巡视器水平坐标系定义为：原点位于巡视器质心，X_R轴为巡视器前进方向在水平面上的投影，Y_R轴在水平面上与X_R轴垂直，指向巡视器的右侧，Z_R轴与X_R轴、Y_R轴满足右手定则。

4.根据权利要求1所述的一种基于太阳、地心及月表重力矢量的巡视器位置姿态确定方法，其特征在于：所述步骤(4)中对月表经度、月表纬度和偏航角计算时，需对太阳矢量和地心矢量的夹角进行判断，若夹角小于20度，则另选时机，待夹角变大后重新进行计算。