月球敏感器月心方向的修正方法
2023-09-21 00:07:40 1
專利名稱：月球敏感器月心方向的修正方法
技術領域：
本發明屬於航天光學遙感技術領域，涉及一種月球敏感器輸出的月心方向的精確確定方法。
背景技術：
美國Microcosm公司研製的MANS自主導航系統(Microcosm Autonomous Navigation System)是1994年3月13日美國空軍進行的『TAOS，(自主運行生存技術) 飛行試驗的主要內容之一。MANS自主導航系統所採用的一體化自主導航敏感器是在雙圓錐掃描式地球敏感器的基礎上增加了一對扇形掃描式日、月敏感器。導航敏感器使用一個由電機驅動的光學掃描探頭，該探頭能對地球熱輻射以及日、月可見光進行多視場敏感。 艮告號為 92-1710，名稱為"Autonomous Space Navigation Experiment，，的 AIAA 報告介紹了 TAOS飛行試驗的內容，包括Microcosm公司的MANS自主導航系統的一體式敏感器的組成、性能和測量輸出，但其中並未涉及月心方向的確定方法及相應的修正方法。1998年全國第八屆空間及運動體控制技術學術年會論文，「一種衛星自主導航系統的導航精度分析」介紹了 MANS系統的導航原理，分析了地球、太陽和月亮的測量誤差對系統導航精度的影響。文中分析了敏感器各測量精度對系統導航精度的影響，並未涉及月心方向的確定方法。現有對一體化敏感器的分析方法中，月球是作為點光源來處理的。可見光敏感器掃描一圈只要掃描到月球的亮點就輸出月亮信號，並將此認為是月心方向。實際上，由於從地球觀測月球，其視半徑可達0.沈度，因此將月球處理成點光源必然會給月心方向的確定帶來誤差。而且由於太陽光照條件的影響，以及觀察位置的變化，敏感器所視的月球並不是一個完全的亮圓球，星上觀測到的月球亮區形狀是不斷變化的，所以只有考慮可視的月球形狀模型，對月球敏感器的量測輸出進行修正，才能進一步提高導航精度。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供了一種掃描式月球敏感器月心方向的精確確定方法，可以提高敏感器輸出的月心測量精度，從而提高系統的導航精度。本發明的技術解決方案是月球敏感器月心方向的修正方法，步驟如下(1)建立月球敏感器測量坐標系化足藝之,原點Os為月球敏感器的掃描轉軸與月球敏感器赤道平面的交點，月球敏感器赤道平面為與月球敏感器掃描轉軸垂直的水平面， Xs軸正方向沿掃描轉軸的方向， 軸正方向在月球敏感器的赤道平面內並且使得固連於月球敏感器的基準點位於OsZJs平面內，Ys軸與軸和\軸構成右手正交系；(2)以月球敏感器測量坐標系的原點03為球心，建立一個單位天球，以月球敏感器測量坐標系的^軸正方向與天球球面的交點作為天球天頂Z，以OsYJs為天球赤道平面，以月球敏感器測量坐標系的^軸正方向與天球球面的交點作為方位角的零度起始點S ；
(3)根據月球的星曆信息計算得到月心M在天球上的高度角和方位角坐標Μ(Φω， δ m)，其中高度角δ m是從原點Os指向月心M的向量與測量坐標系中OsYJs平面的夾角，向天球天頂Z為正；方位角Φω是從原點Os指向月心M的向量在測量坐標系中OsYJs平面的投影與^軸的夾角，順時針為正；(4)根據從衛星視月球的視半徑P Μ得到整個月圓盤在天球面的投影，由月球敏感器的掃描方向，確定月球圓盤在天球投影相對於月球敏感器掃描方向起始點E的高度角、 方位角坐標Ε(Φω-χ，δω)，其中χ為天球上月球圓盤投影的視半徑P Μ在天球赤道平面的圓心角；(5)對天球上的月圓盤投影按經度和緯度方向進行等額的劃分，順著月球敏感器的掃描方向從起始點E對月圓盤上的點進行遍歷搜尋，逐一判斷該點是否處於月球敏感器可視的亮區，從而得到月球敏感器最先掃描到的月球亮點Ns，將該點作為月球敏感器掃描月球的輸出信息，Ns對應的高度角、方位角坐標*Ν3(Φ，δ)；(6)利用步驟(3)和步驟(5)的結果，得到月球敏感器的掃描角度補償量Δω = Φω_Φ，以及掃描時間補償量、=^，其中為月球敏感器掃描速率。
①rot本發明與現有技術相比的優點在於本發明方法解決了一直以來掃描式月球敏感器將月球當作點光源來處理的使用缺陷，通過建立一個敏感器掃描模型，確定了敏感器的掃描輸出，並與月球星曆信息進行比較得到了修正掃描敏感器的輸出所需要的補償角信息或掃描時間補償信息，從而解決了現有的敏感器對月測量不精確的問題，提高了敏感器的測量精度。
圖1為本發明方法的流程圖；圖2為本發明天球中各投影點的位置關係圖；圖3為本發明天球中球面幾何關係圖；圖4為本發明對月圓盤上的點進行遍歷搜尋的流程圖。
具體實施例方式本發明的基本思想是通過建立一個敏感器掃描模型，得到某一時刻敏感器掃描到的月球位置信息，由月球的星曆信息可以得到對應時刻月心的位置信息，通過這兩個位置信息以及已知的敏感器的掃描速率就可得到將敏感器掃描得到的位置校正到月心方向所需的時間，從而得到精確的月心測量信息。如圖1所示，為本發明方法的流程框圖，主要步驟如下(1)如圖2所示，建立月球敏感器測量坐標系O,.足藝之，定義敏感器赤道平面為與敏感器掃描轉軸垂直的水平面，則原點Os為月球敏感器的掃描轉軸與月球敏感器赤道平面的交點，)(s軸正方向沿掃描轉軸的方向，&軸正方向在月球敏感器的赤道平面內並且使得固連於月球敏感器的基準點位於OsZJs平面內，Ys軸與軸和\軸構成右手正交系；(2)如圖2所示，以月球敏感器測量坐標系的原點Os為球心，建立一個單位天球， 以月球敏感器測量坐標系的^軸正方向與天球球面的交點作為天球天頂Z，以OsYJs為天球赤道平面，以月球敏感器測量坐標系的^軸正方向與天球球面的交點作為方位角的零度起始點S ；(3)根據月球的星曆信息計算得到月心M在天球上的高度角和方位角坐標Μ(Φω， S m)，具體方法如下根據衛星的初始軌道參數進行外推計算得到對應時刻慣性系中衛星位置矢量F,速度矢量7。根據月球的星曆信息進行外推計算得到對應時刻慣性系中地心-月心方向矢量&。從而計算衛星到月球的位置矢量^m = Fw-F。通過慣性繫到測量坐標系的姿態轉換陣Ch，將其轉換為測量系中的表並得到距離 ^ = V^(I) X Kl) +F胃⑵+X (3)和月心在衛星敏感器測量坐標系下的坐標
Xm)庫(1)_
ym=^smri2)_ Zfn _fsmrO)_從而得到月心在天球中的方位角(^和高度角δω九=arctan(^) ,Stn = arcsin(^)。
ζr
msm(4)根據從衛星視月球的視半徑P M得到整個月圓盤在天球面的投影；
RPm = arcsin(—
^sm其中Rm為月球半徑。在圖3中根據球面三角的知識可計算得到視半徑Pm在天球赤道平面的投影的圓心角XZ = arccos(cospM . csc(^ - SJ. csc(營-Sm)-ctg{^ ~ Sm)ctg{^ - SJ)由月球敏感器的掃描方向，確定月球圓盤在天球投影相對於月球敏感器掃描方向起始點E的高度角、方位角坐標為Ε(φω-Χ，δω)；(5)對天球上的月圓盤投影按經度和緯度方向進行等額的劃分，等分數為Nsm。順著月球敏感器的掃描方向從起始點E對月圓盤上的點進行遍歷搜尋，圖4為遍歷搜尋的流程圖，具體流程如下stepl 首先判別其是否是月表在天球的投影對天球上的任意一點Ν(Φ，δ )，其在衛星敏感器測量坐標系下的坐標為
Xk-sind
y=k'CosδsmφZk'COsδcosφ其中k為衛星到天空中該點的距離，若該點是月面上的一點，則有(X-Xj2+(^-yj +(z-zm)2= R2m式中Xm，ym，zffl為月心在敏感器測量坐標系中的投影，Rffl為月球半徑。將X，y，ζ的表達式帶入上式中，整理可得關於k的一元二次方I(a2+b2+c2)-k2-2(axm+bym+czm)-k + (x2m+yl+Z2m-R2J = O其中 a = sin δ , b = cos δ sin Φ , c = cos δ cos Φ。1)計算 Δ = b2-4 · a · c ；2)如果Δ < 0，則點N不是月面上的點，須遍歷搜尋下一個點，跳到st印3 ；3)如果Δ彡0，說明點N是月球在天球投影面上的點，求得衛星到點N的距離
k =丸―幾,並繼續下一步st印2 ；
2· χst印2 判別點N是否是在月球的亮處1)在解得衛星到點N的距離k後，可得到N在敏感器測量坐標系下的坐標
k · sin δΝ k · cos δΝ sin φΝ h ■ cos δΝ cos φΝ _計算測量坐標系下月心到點N的方向矢量LmN^-Cnrm由太陽和月球的星曆以及姿態轉換陣可得測量坐標系下月心到太陽的方向矢量 LmsunLmsu =CriV-CriTm; 2)計算的夾角K = arccos(Lme · Lmsun)；
XN
rN=yN-
π
3)如果K<j，說明點N在月亮的亮處，進入st印4 ；否則須遍歷搜尋下一個點，進
A step30st印3 將月圓盤在天球的投影按NsmXNail進行等角度劃分，得到遍歷的角度增量
d,=
φ N,
>搜尋掃入點首先是對月球在天球的投影按其經度遞增的方向^ =
(K+kXcU (k = 0，1,2-NJ逐條進行掃描；為了定位敏感器最先掃到的可視的月球亮點， 還需要確定該亮點在天球中的緯度，這就需要對月球投影的每條經度圈按緯度遞減(或遞
增)的方向氏=
N N
sm , sm_
)對每個點進行判斷(將(Φη，δη)代入
2 2
stepl和st印2，進行計算判斷)。st印4 搜尋結束，N即為遍歷搜尋得到敏感器掃到的亮點，NS((K δ) = (φΝ，δΝ)(6)利用步驟(3)和步驟(5)的結果，得到月球敏感器的掃描角度補償量Δω =Φ ω_ Φ，已知敏感器掃描速率為ω r。t，則掃描時間補償量
權利要求
1.月球敏感器月心方向的修正方法，其特徵在於步驟如下(1)建立月球敏感器測量坐標系足藝之.,原點A為月球敏感器的掃描轉軸與月球敏感器赤道平面的交點，月球敏感器赤道平面為與月球敏感器掃描轉軸垂直的水平面，I軸正方向沿掃描轉軸的方向，&軸正方向在月球敏感器的赤道平面內並且使得固連於月球敏感器的基準點位於OsZJs平面內，Ys軸與軸和\軸構成右手正交系；(2)以月球敏感器測量坐標系的原點03為球心，建立一個單位天球，以月球敏感器測量坐標系的^軸正方向與天球球面的交點作為天球天頂Z，以OsYJs為天球赤道平面，以月球敏感器測量坐標系的^軸正方向與天球球面的交點作為方位角的零度起始點S ；(3)根據月球的星曆信息計算得到月心M在天球上的高度角和方位角坐標Μ(Φω，δω), 其中高度角八是從原點Os指向月心M的向量與測量坐標系中OsYJs平面的夾角，向天球天頂Z為正；方位角Φω是從原點Os指向月心M的向量在測量坐標系中OsYJs平面的投影與％軸的夾角，順時針為正；(4)根據從衛星視月球的視半徑PΜ得到整個月圓盤在天球面的投影，由月球敏感器的掃描方向，確定月球圓盤在天球投影相對於月球敏感器掃描方向起始點E的高度角、方位角坐標Ε(Φω-χ，δω)，其中χ為天球上月球圓盤投影的視半徑P Μ在天球赤道平面的圓心角；(5)對天球上的月圓盤投影按經度和緯度方向進行等額的劃分，順著月球敏感器的掃描方向從起始點E對月圓盤上的點進行遍歷搜尋，逐一判斷該點是否處於月球敏感器可視的亮區，從而得到月球敏感器最先掃描到的月球亮點Ns，將該點作為月球敏感器掃描月球的輸出信息，Ns對應的高度角、方位角坐標為隊((^，δ)；(6)利用步驟(3)和步驟(5)的結果，得到月球敏感器的掃描角度補償量Δω=φω-φ,以及掃描時間補償量Δ, ，其中Qrot為月球敏感器掃描速率。
全文摘要
月球敏感器月心方向的修正方法，首先由月球的星曆信息得到某一時刻月心的位置信息；然後建立一個月球敏感器掃描模型，通過遍歷搜尋找到敏感器最先掃到的月球亮點，該亮點即為對應時刻敏感器掃描到的月球位置信息；根據這兩個位置信息就可以得到修正敏感器掃描輸出的角度補償量。由於敏感器的掃描速率是已知的，還可以得到將敏感器掃描輸出的位置校正到月心方向所需的時間補償量。本發明方法操作簡單，可以提供更為精確的月心測量信息。
文檔編號G01C25/00GK102175258SQ20101062384
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者劉萍, 張斌, 王大軼, 魏春嶺, 黃翔宇 申請人:北京控制工程研究所