CN108413969A - 一种采用卫星影像辅助和无线通信网络的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用卫星影像辅助和无线通信网络的定位方法，包括如下步骤：利用巡视器接收地外天体网络信号，根据无线网络定位原理，确定巡视器在天体固连坐标系中的位置；利用轨道器观测地外天体获得影像，经去噪处理后，通过提取标志点、建立坐标系，完成相对关系建立，确定巡视器在天体固连坐标系中的位置；采用预设的处理算法对网络定位系统时钟进行误差校正，得到矫正后的巡视器精确定位信息。本发明在地面测控站无法实时支持和校准的情况下，仅通过轨道器载荷提供的卫星影像信息修正时钟误差，使巡视器完成绝对定位，显著降低了对地面测控的依赖。

Description

一种采用卫星影像辅助和无线通信网络的定位方法

技术领域

本发明涉及一种采用卫星影像辅助和无线通信网络的定位方法，尤其适用于地外天体巡视器的绝对定位，属于航天器导航技术领域。

背景技术

随着各国深空探测技术的不断发展，开展深空探测的飞行器数量正在不断增加，使地面测控通信系统负担日益增大。同时，由于深空探测具有远距离高延时的特殊性，地面测控系统无法连续、实时的为众多的地外天体表面巡视器逐一开展精确测控。为保证地外天体巡视器的定位能力，使越来越多的地外巡视器不实时依赖地面测控来拥有可靠的定位精度，这就要求地外天体巡视器能够依靠地外天体通信网络进行半自主定位。

在无法实时校准畸变的深空地外天体网络中，单纯依靠地外天体网络进行定位，会将时空畸变造成的误差引入巡视器的定位过程，其误差量级以每日百余米的增长速度不断累积，势必导致地外天体巡视器的定位精度下降。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种采用卫星影像辅助和无线通信网络的定位方法，在地面测控站无法实时支持和校准的情况下，仅通过轨道器载荷提供的卫星影像信息修正时钟误差，使巡视器完成绝对定位，显著降低了对地面测控的依赖。

本发明的技术解决方案是：

一种采用卫星影像辅助和无线通信网络的定位方法，包括如下步骤：

S1、利用巡视器接收地外天体网络信号，根据无线网络定位原理，确定巡视器在天体固连坐标系中的位置；

S2、利用轨道器观测地外天体获得影像，经去噪处理后，通过提取标志点、建立坐标系，完成相对关系建立，确定巡视器在天体固连坐标系中的位置；

S3、采用预设的处理算法对网络定位系统时钟进行误差校正，得到矫正后的巡视器精确定位信息。

所述S1中，轨道器、着陆器和地外天体基地的位置均通过地面测控网长期测定，位置精确已知，并通过不间断的向外发射无线电信号组成地外天体网络，巡视器通过接收地外天体网络信号进行无线电定位。

所述S1中，巡视器接收的地外天体网络信号包括轨道器、着陆器和地外天体基地的无线信号传播时间，无线信号传播涉及基于不同基准的卫星时钟和接收机时钟，默认时间参量为GPST，巡视器受电离层或对流层的影响均为0。

所述S1中，根据狭义相对论效应，高速运动的轨道器对巡视器呈现时间膨胀，即假设时钟一样，轨道器的时钟比巡视器的时钟运行的慢；根据广义相对论效应，巡视器对轨道器呈现时间收缩；轨道器的误差由两种效应叠加作用产生。

所述S2中，在轨道器过顶时刻，利用轨道器携带的遥感载荷观测地外天体并获取一幅分辨率为0.25m的遥感图像。

所述S2中，建立天体表面标志点坐标系、相机坐标系、像平面坐标系及天体质心惯性坐标系，并对三个用于定位的天体表面标志点分别进行空间几何位置建模。

所述S2中，相对关系建立是结合载荷所在轨道器的定位信息、载荷内参数、天体固连坐标系与惯性坐标系之间的关系，确定巡视器在天体固连坐标系中的位置。

所述S3中，预设的处理算法是将位置误差反映成时间误差，对时间同步性进行校正。

所述S3中，假定天地时间同步，采用时间无关测量方式求得该时刻下的巡视器位置，再与同时刻下采用时间测距方式求出的巡视器位置对比，反映时间的异步量。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

【1】本发明在地面测控站无法实时支持和校准的情况下，仅通过轨道器载荷提供的卫星影像信息修正时钟误差，使巡视器完成绝对定位，显著降低了对地面测控的依赖，为提高地外天体巡视器绝对定位精度提供了新的解决途径。

【2】本发明逻辑通顺、思路清晰、设计合理；定位过程安全稳定，既减轻了工作人员的操作负担，又大幅降低了操作成本。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的流程图

图2为误差产生示意图

图3为天体固连坐标系的关系图

图4为投影关系示意图

具体实施方式

为使本发明的方案更加明了，下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：

如图1所示，一种采用卫星影像辅助和无线通信网络的定位方法，包括如下步骤：

S1、巡视器对地外天体网络进行信号接收，基于无线网络定位原理，通过网络获得巡视器在天体固连坐标系中的位置。

所述S1中，包含的位置解算原理为：

巡视器C进行绝对定位的观测量是来自轨道器A、地外天体基地B、着陆器E的无线信号传播的时间，利用其可以计算卫星到用户之间的实时距离。

测量的基本原理是s＝c·Δt，关键在于Δt的测量。信号传播涉及基于不同基准的卫星时钟和接收机时钟，默认时间参量是统一到GPST，且地外天体多数大气稀薄，可认为巡视器C受电离层对流层影响为0，则轨道器A到巡视器C之间的距离可表示为：

ρ＝r+c(δt_u-δt^(s))+ε_ρ

同理，着陆器E、地外天体基地B到巡视器C的距离也可参照上述表示。联立三个距离方程式可得：

其中，t_A表示信号从轨道器A发出的时刻，t_B表示信号从天体基地B发出的时刻，t_E表示信号从着陆器E发出的时刻，t_C表示巡视器C接收到信号的时刻，以上为已知量；(X_A,Y_A,Z_A)表示轨道器A在天体固连坐标系下的位置坐标，(X_E,Y_E,Z_E)表示着陆器E在天体固连坐标系下的位置坐标，(X_B,Y_B,Z_B)表示地外天体基地B在天体固连坐标系下的位置坐标，以上三个坐标均为已知量；(X_C,Y_C,Z_C)表示巡视器C在天体固连坐标系下的位置坐标，为待求位置量。

如图2所示，所述S1中，包含的较大误差量为：

由于存在各种原因引起的时钟异步，导致轨道器/着陆器/巡视器/地外天体基地的时钟无法准确的对应于T时刻，着陆器/巡视器/地外天体基地均位于地外天体表面，其时钟异步属于小量，尚可忽略。轨道器与它们之间的时钟异步由时空畸变引起，属于误差大量，无法忽略。

以Δt表示时空畸变引起的时钟异步，即轨道器的T时刻与轨道器看来其它的T时刻(实为T+Δt)时刻之间的差异，为未知量；表示轨道器A在轨道器T时刻于天体固连坐标系下的精确三维位置；表示地外天体基地B在T+Δt时刻的坐标，表示着陆器E在T+Δt时刻的坐标，上述三个坐标均为已知量。t_A表示信号从轨道器A发出的时刻，t_B表示信号从天体基地B发出的时刻，t_E表示信号从着陆器E发出的时刻，以上为已知量；表示巡视器C在天体固连坐标系下的位置坐标，为待求位置量。联立三个距离方程式可得：

由上式可以看出，误差主要由Δt产生，作用于距离量，直接影响时间测距导航体制的定位解算精度。

所述S1中，包含的误差量级为：

假设地外天体为月球，轨道器A相对于天体表面的运行速度为1500m/s，即轨道器A相对于天体表面的巡视器C而言在做高速运动，由此产生了狭义相对论效应，对时间测距导航定位体制的影响不容忽视。狭义相对论指出，高速运动的轨道器A在巡视器C看来呈现时间膨胀，即假设时钟一样，轨道器A的时钟比巡视器C的时钟运行的慢，即时间延缓效应。

同时，由于轨道器A在距离天体质心2000Km的轨道上运行，离天体越远，由天体质量引起的时空弯曲度越小，由此产生了广义相对论效应，时空弯曲度小的位置比时空弯曲度大的位置时钟看起来会快，在巡视器C看来轨道器A呈现出时间收缩，即引力势效应。

为评估上述效应的影响，假设一组参数输入：轨道器A的轨道偏心率为e_s＝0.01，轨道高度h_轨道器＝400Km，轨道半长轴a＝2.138×10⁶m，偏近点角E_k＝0.746rad，由此可得轨道器A相对于地外天体某点的运动速度v_相对＝1500m/s。

同时，将光速c＝3×10⁸m/s及运动速度v_相对＝1500m/s代入相对论效应，求时延大小：

得到时延大小为：在轨运行的轨道器A每秒钟比同样位于天体表面的“轨道器”慢0.0125ns，等效位置误差3.75mm；每天变慢1.08us，即每天由狭义相对论时延效应引起的位置误差达到约320m。

同时，代入天体半径R_moon＝1738.2Km，并且已知天体质量约为地球质量的1/81，地球质量m_e＝5.978×10²⁴Kg。万有引力常数G＝6.67259×10^-11N·m²/Kg。由此可以计算由广义相对论引起的引力势效应对时间的影响：

得到引力势效应的影响为：在轨运行的轨道器A每秒钟比同样位于天体表面的“轨道器”快0.005886ns，等效每秒位置误差1.76mm；每天变快0.5086us，即每天由广义相对论引力势效应引起的位置误差达到约150m。

时空畸变的影响就是综合考虑狭义和广义相对论的共同作用。在狭义相对论和广义相对论的双重影响下，高处高速运行的卫星时钟比起在天体表面上每天大致慢0.57us，相当于171.4m误差。

由于轨道器A的星载时钟并未专门为了时间测距导航而进行相对论效应校正；同时它也并非环地球卫星，无法通过全球遍布的地面测控站为其进行频繁的时钟校准。只有地面站E对轨道器A进行长周期的时钟校准。轨道器A的时钟校准周期约为12h，即每12h将累积的相对论效应清零一次，使轨道器A的时钟比起在天体表面上每天大致慢0.285us，相当于85.7m误差。

S2、轨道器对地外天体观测后获得一幅影像，经过去噪等预处理后，通过提取标志点、建立坐标系，完成相对关系建立，从而通过卫星影像获得巡视器在天体固连坐标系中的位置；

所述S2中，包含的图像获取及预处理为：

在轨道器A过顶的时刻T，轨道器A携带的遥感载荷获取一幅分辨率0.25m的遥感图像。将获取到的卫星影像信息进行去噪等预处理，根据天体表面标志点信息库匹配并提取出遥感图像中包含的多个天体表面标志点(着陆器、地外天体基地等)。

如图3～4所示，所述S2中，包含的建立坐标系及关联关系为：

建立天体表面标志点坐标系、相机坐标系、像平面坐标系及天体质心惯性坐标系，并对三个用于定位的天体表面标志点分别进行空间几何位置建模，结合载荷所在航天器的定位信息、载荷内参数、天体固联坐标系以及惯性坐标系之间的几何关系，推导可得基于卫星影像的巡视器定位模型；

根据卫星获取的遥感图像，建立相应坐标系，根据多个目标点的相对关系。依据成像及解算过程，共涉及4个坐标系，分别是：

①像素坐标系Os：二维平面坐标系，坐标原点Os位于像平面中心；Xs轴与Ys轴分别表示像素所在行和列；

②相机坐标系Oc：三维坐标系，原点Oc位于相机光心；Zc垂直于图像平面，为相机光轴方向；Xc和Yc分别与Xs和Ys平行；

③天体固连坐标系Om：三维坐标系，原点Om位于天体质心；Xm方向指向0°经线；Ym方向与Xm方向共同构成天体真赤道面，并与Xm方向垂直；Zm方向是真赤道面与过天体表面上的子午面的交线方向，即天体赤道面上指向地球方向的惯性主轴方向；

④基准点系Op：三维坐标系，原点Op位于地外天体基地；Xp、Yp、Zp分别与Xc、Yc、Zc平行。

B、C、E点在像素坐标系Os下的坐标可直接从敏感器芯片上读出，以下标表示坐标系，上标表示相应点，则B、C、E点在Os系下坐标可记为 均为已知量；由于相机坐标系Oc的定义相当于将像素坐标系Os沿着Oc系的Zc轴平移了焦距f，因此B、C、E点在Oc系下坐标可记为均为已知量；由于着陆器E和地外天体基地B位于天体表面长期静止，通过地面测控网的长期连续测定，可认为能够获得轨道器A和B、E两点在天体固连坐标系Om下的精确三维位置以及轨道器A的星下点D在Om系下的位置坐标C点在天体固连坐标系下的三维位置未知，是本次解算的待求量。

所述S2中，包含的解算过程为：

为解算C在Om系下的位置，需建立一个临时坐标系Op。先将C在Op系下的位置解算出，再经过坐标系变换得到其Om系的位置。其中包括三个步骤：

(1)：明确Op系与Om系的转换关系。在B点建立临时坐标系Op，则B点在Op系下的坐标为Op与Om系之间的坐标系关系需要姿态旋转矩阵M_3×3和平移向量T_3×1描述。由于B点在Om系下的坐标已知，易知平移向量旋转矩阵M_3×3描述的是姿态，由于Op系与Oc系姿态相同，因此M_3×3描述的也是Oc系与Om系之间的姿态关系。当Oc系与轨道器本体系之间的安装转换矩阵为M₁(M₁矩阵可通过标定获得)，则M_3×3·M₁ ^-1反映的是轨道器本体系与Om系之间的姿态关系，该姿态可由轨道器携带的星敏感器获得。记星敏感器获得的姿态四元数为其中q₄为标量，则轨道器本体系相对于惯性系的姿态矩阵M₂为：

由于四元数已由星敏感器获得，因此矩阵M₂已知；记天体质心惯性系相对于天体固连坐标系的姿态旋转矩阵M₃为：

M₃＝Q[T]·R[T]·W[T]

其中T为儒略世纪数，Q[T]表示天体的岁差章动矩阵，R[T]为天体自转矩阵，W[T]为天体极移矩阵。上述均为长期观测的已知量，因此M₃为已知矩阵。

显然，Op与Om系之间的坐标系关系需要姿态旋转矩阵M_3×3应表达为M_3×3＝M₁·M₂·M₃，该矩阵完全已知。结合前文中求得的平移向量T_3×1，可得Op与Om系之间的转换关系为：

[月固系坐标]＝M_3×3·[基本点系坐标]+T_3×1

(2)：求解C点在Op系下的坐标为求解C点在Op系下的坐标，先将需要用到的Oc点、E点、D点在Op系下的坐标求出。E点在Om系下的坐标已知，代入步骤一中的转换关系，可得E点在Op系下的坐标同理可得Oc点在Op系下的坐标D点在Op系下的坐标易知上述均为已知量。

通过上图中的位置关系，依据相似三角形原理，可得等式如下：

将上述物理关系依照坐标展开表示为：

联立上述方程，可解出其中的3个未知数该值即为C点在Op系下的三维位置坐标。

(3)：将转换到Om系得到将代入步骤一关系式，可得C点在天体固连坐标系下的位置坐标：

S3、采用预设处理算法对网络定位系统时钟进行误差校正，得到矫正后的巡视器精确定位信息，以完成巡视器的绝对定位。

所述S3中，预设的误差校正算法包含：

已知时空畸变效应产生天地时钟异步现象，但巡视器本身无法获知异步的具体量。需要通过轨道器载荷获取到的包含巡视器及周边区域的遥感影像中求得。因此先假定天地时间同步，采用时间无关测量方式求得该时刻下的C点位置，再与同时刻下采用时间测距方式求出的C点位置对比，反映时间的异步量。

当巡视器C及周边区域进入轨道器A载荷成像范围时，可采用卫星影像解算巡视器位置用获得的位置与之前采用通讯网络解算出的巡视器位置(x_C,y_C,z_C)比较，获得时钟异步修正量Δt′。在下次巡视器进入成像范围前，Δt′用于修正轨道器过顶过程中网络定位的时钟异步，易求得：

网络定位时钟异步修正量Δt′＝d/c，用Δt′＝d/c修正下一时刻T+1的网络定位，即轨道器下一时刻数据应当与天体表面T+1-Δt′的数据联立进行巡视器位置解算。

综上，本发明以地外天体表面巡视器利用无线通信网络进行绝对定位的过程中，存在严重依赖地面测控站精准授时和精确校准的实际，提出了一种采用卫星影像辅助的地外天体网络定位技术。该技术的有效运用和实施，对降低地面测控站负担、提高地外天体巡视器独立运行能力和定位精度等多方面具有重要的理论意义和实践意义。

本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种采用卫星影像辅助和无线通信网络的定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、利用巡视器接收地外天体网络信号，根据无线网络定位原理，确定巡视器在天体固连坐标系中的位置；

S2、利用轨道器观测地外天体获得影像，经去噪处理后，通过提取标志点、建立坐标系，完成相对关系建立，确定巡视器在天体固连坐标系中的位置；

S3、采用预设的处理算法对网络定位系统时钟进行误差校正，得到矫正后的巡视器精确定位信息。

2.根据权利要求1所述的一种采用卫星影像辅助和无线通信网络的定位方法，其特征在于：所述S1中，轨道器、着陆器和地外天体基地的位置均通过地面测控网长期测定，位置精确已知，并通过不间断的向外发射无线电信号组成地外天体网络，巡视器通过接收地外天体网络信号进行无线电定位。

3.根据权利要求1所述的一种采用卫星影像辅助和无线通信网络的定位方法，其特征在于：所述S1中，巡视器接收的地外天体网络信号包括轨道器、着陆器和地外天体基地的无线信号传播时间，无线信号传播涉及基于不同基准的卫星时钟和接收机时钟，默认时间参量为GPST，巡视器受电离层或对流层的影响均为0。

4.根据权利要求1所述的一种采用卫星影像辅助和无线通信网络的定位方法，其特征在于：所述S2中，在轨道器过顶时刻，利用轨道器携带的遥感载荷观测地外天体并获取一幅分辨率为0.25m的遥感图像。

5.根据权利要求1所述的一种采用卫星影像辅助和无线通信网络的定位方法，其特征在于：所述S2中，建立天体表面标志点坐标系、相机坐标系、像平面坐标系及天体质心惯性坐标系，并对三个用于定位的天体表面标志点分别进行空间几何位置建模。

6.根据权利要求1所述的一种采用卫星影像辅助和无线通信网络的定位方法，其特征在于：所述S2中，相对关系建立是结合载荷所在轨道器的定位信息、载荷内参数、天体固连坐标系与惯性坐标系之间的关系，确定巡视器在天体固连坐标系中的位置。

7.根据权利要求1所述的一种采用卫星影像辅助和无线通信网络的定位方法，其特征在于：所述S3中，预设的处理算法是将位置误差反映成时间误差，对时间同步性进行校正。

8.根据权利要求1所述的一种采用卫星影像辅助和无线通信网络的定位方法，其特征在于：所述S3中，假定天地时间同步，采用时间无关测量方式求得该时刻下的巡视器位置，再与同时刻下采用时间测距方式求出的巡视器位置对比，反映时间的异步量。