專利名稱：月球敏感器月心方向的修正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天光學(xué)遙感技術(shù)領(lǐng)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(shù)：
美國(guó)Microcosm公司研制的MANS自主導(dǎo)航系統(tǒng)(Microcosm Autonomous Navigation System)是1994年3月13日美國(guó)空軍進(jìn)行的‘TAOS，(自主運(yùn)行生存技術(shù)) 飛行試驗(yàn)的主要內(nèi)容之一。MANS自主導(dǎo)航系統(tǒng)所采用的一體化自主導(dǎo)航敏感器是在雙圓錐掃描式地球敏感器的基礎(chǔ)上增加了一對(duì)扇形掃描式日、月敏感器。導(dǎo)航敏感器使用一個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的光學(xué)掃描探頭，該探頭能對(duì)地球熱輻射以及日、月可見(jiàn)光進(jìn)行多視場(chǎng)敏感。 艮告號(hào)為 92-1710，名稱為"Autonomous Space Navigation Experiment，，的 AIAA 報(bào)告介紹了 TAOS飛行試驗(yàn)的內(nèi)容，包括Microcosm公司的MANS自主導(dǎo)航系統(tǒng)的一體式敏感器的組成、性能和測(cè)量輸出，但其中并未涉及月心方向的確定方法及相應(yīng)的修正方法。1998年全國(guó)第八屆空間及運(yùn)動(dòng)體控制技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)論文，“一種衛(wèi)星自主導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度分析”介紹了 MANS系統(tǒng)的導(dǎo)航原理，分析了地球、太陽(yáng)和月亮的測(cè)量誤差對(duì)系統(tǒng)導(dǎo)航精度的影響。文中分析了敏感器各測(cè)量精度對(duì)系統(tǒng)導(dǎo)航精度的影響，并未涉及月心方向的確定方法?，F(xiàn)有對(duì)一體化敏感器的分析方法中，月球是作為點(diǎn)光源來(lái)處理的。可見(jiàn)光敏感器掃描一圈只要掃描到月球的亮點(diǎn)就輸出月亮信號(hào)，并將此認(rèn)為是月心方向。實(shí)際上，由于從地球觀測(cè)月球，其視半徑可達(dá)0.沈度，因此將月球處理成點(diǎn)光源必然會(huì)給月心方向的確定帶來(lái)誤差。而且由于太陽(yáng)光照條件的影響，以及觀察位置的變化，敏感器所視的月球并不是一個(gè)完全的亮圓球，星上觀測(cè)到的月球亮區(qū)形狀是不斷變化的，所以只有考慮可視的月球形狀模型，對(duì)月球敏感器的量測(cè)輸出進(jìn)行修正，才能進(jìn)一步提高導(dǎo)航精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)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(cè)量精度，從而提高系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。本發(fā)明的技術(shù)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(cè)量坐標(biāo)系化足藝之,原點(diǎn)Os為月球敏感器的掃描轉(zhuǎn)軸與月球敏感器赤道平面的交點(diǎn)，月球敏感器赤道平面為與月球敏感器掃描轉(zhuǎn)軸垂直的水平面， Xs軸正方向沿掃描轉(zhuǎn)軸的方向， 軸正方向在月球敏感器的赤道平面內(nèi)并且使得固連于月球敏感器的基準(zhǔn)點(diǎn)位于OsZJs平面內(nèi)，Ys軸與軸和\軸構(gòu)成右手正交系；(2)以月球敏感器測(cè)量坐標(biāo)系的原點(diǎn)03為球心，建立一個(gè)單位天球，以月球敏感器測(cè)量坐標(biāo)系的^軸正方向與天球球面的交點(diǎn)作為天球天頂Z，以O(shè)sYJs為天球赤道平面，以月球敏感器測(cè)量坐標(biāo)系的^軸正方向與天球球面的交點(diǎn)作為方位角的零度起始點(diǎn)S ；
(3)根據(jù)月球的星歷信息計(jì)算得到月心M在天球上的高度角和方位角坐標(biāo)Μ(Φω， δ m)，其中高度角δ m是從原點(diǎn)Os指向月心M的向量與測(cè)量坐標(biāo)系中OsYJs平面的夾角，向天球天頂Z為正；方位角Φω是從原點(diǎn)Os指向月心M的向量在測(cè)量坐標(biāo)系中OsYJs平面的投影與^軸的夾角，順時(shí)針為正；(4)根據(jù)從衛(wèi)星視月球的視半徑P Μ得到整個(gè)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(duì)于月球敏感器掃描方向起始點(diǎn)E的高度角、 方位角坐標(biāo)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(duì)天球上的月圓盤投影按經(jīng)度和緯度方向進(jìn)行等額的劃分，順著月球敏感器的掃描方向從起始點(diǎn)E對(duì)月圓盤上的點(diǎn)進(jìn)行遍歷搜尋，逐一判斷該點(diǎn)是否處于月球敏感器可視的亮區(qū)，從而得到月球敏感器最先掃描到的月球亮點(diǎn)Ns，將該點(diǎn)作為月球敏感器掃描月球的輸出信息，Ns對(duì)應(yīng)的高度角、方位角坐標(biāo)*Ν3(Φ，δ)；(6)利用步驟(3)和步驟(5)的結(jié)果，得到月球敏感器的掃描角度補(bǔ)償量Δω = Φω_Φ，以及掃描時(shí)間補(bǔ)償量、=^，其中為月球敏感器掃描速率。
①rot本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明方法解決了一直以來(lái)掃描式月球敏感器將月球當(dāng)作點(diǎn)光源來(lái)處理的使用缺陷，通過(guò)建立一個(gè)敏感器掃描模型，確定了敏感器的掃描輸出，并與月球星歷信息進(jìn)行比較得到了修正掃描敏感器的輸出所需要的補(bǔ)償角信息或掃描時(shí)間補(bǔ)償信息，從而解決了現(xiàn)有的敏感器對(duì)月測(cè)量不精確的問(wèn)題，提高了敏感器的測(cè)量精度。


圖1為本發(fā)明方法的流程圖；圖2為本發(fā)明天球中各投影點(diǎn)的位置關(guān)系圖；圖3為本發(fā)明天球中球面幾何關(guān)系圖；圖4為本發(fā)明對(duì)月圓盤上的點(diǎn)進(jìn)行遍歷搜尋的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的基本思想是通過(guò)建立一個(gè)敏感器掃描模型，得到某一時(shí)刻敏感器掃描到的月球位置信息，由月球的星歷信息可以得到對(duì)應(yīng)時(shí)刻月心的位置信息，通過(guò)這兩個(gè)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(shí)間，從而得到精確的月心測(cè)量信息。如圖1所示，為本發(fā)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(cè)量坐標(biāo)系O,.足藝之，定義敏感器赤道平面為與敏感器掃描轉(zhuǎn)軸垂直的水平面，則原點(diǎn)Os為月球敏感器的掃描轉(zhuǎn)軸與月球敏感器赤道平面的交點(diǎn)，)(s軸正方向沿掃描轉(zhuǎn)軸的方向，&軸正方向在月球敏感器的赤道平面內(nèi)并且使得固連于月球敏感器的基準(zhǔn)點(diǎn)位于OsZJs平面內(nèi)，Ys軸與軸和\軸構(gòu)成右手正交系；(2)如圖2所示，以月球敏感器測(cè)量坐標(biāo)系的原點(diǎn)Os為球心，建立一個(gè)單位天球， 以月球敏感器測(cè)量坐標(biāo)系的^軸正方向與天球球面的交點(diǎn)作為天球天頂Z，以O(shè)sYJs為天球赤道平面，以月球敏感器測(cè)量坐標(biāo)系的^軸正方向與天球球面的交點(diǎn)作為方位角的零度起始點(diǎn)S ；(3)根據(jù)月球的星歷信息計(jì)算得到月心M在天球上的高度角和方位角坐標(biāo)Μ(Φω， S m)，具體方法如下根據(jù)衛(wèi)星的初始軌道參數(shù)進(jìn)行外推計(jì)算得到對(duì)應(yīng)時(shí)刻慣性系中衛(wèi)星位置矢量F,速度矢量7。根據(jù)月球的星歷信息進(jìn)行外推計(jì)算得到對(duì)應(yīng)時(shí)刻慣性系中地心-月心方向矢量&。從而計(jì)算衛(wèi)星到月球的位置矢量^m = Fw-F。通過(guò)慣性系到測(cè)量坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換陣Ch，將其轉(zhuǎn)換為測(cè)量系中的表并得到距離 ^ = V^(I) X Kl) +F胃⑵+X (3)和月心在衛(wèi)星敏感器測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)
Xm)庫(kù)(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(jù)從衛(wèi)星視月球的視半徑P M得到整個(gè)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(jù)球面三角的知識(shí)可計(jì)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(yíng)-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(duì)于月球敏感器掃描方向起始點(diǎn)E的高度角、方位角坐標(biāo)為Ε(φω-Χ，δω)；(5)對(duì)天球上的月圓盤投影按經(jīng)度和緯度方向進(jìn)行等額的劃分，等分?jǐn)?shù)為Nsm。順著月球敏感器的掃描方向從起始點(diǎn)E對(duì)月圓盤上的點(diǎn)進(jìn)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(duì)天球上的任意一點(diǎn)Ν(Φ，δ )，其在衛(wèi)星敏感器測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為
Xk-sind
y=k'CosδsmφZ(yǔ)k'COsδcosφ其中k為衛(wèi)星到天空中該點(diǎn)的距離，若該點(diǎn)是月面上的一點(diǎn)，則有(X-Xj2+(^-yj +(z-zm)2= R2m式中Xm，ym，zffl為月心在敏感器測(cè)量坐標(biāo)系中的投影，Rffl為月球半徑。將X，y，ζ的表達(dá)式帶入上式中，整理可得關(guān)于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(jì)算 Δ = b2-4 · a · c ；2)如果Δ < 0，則點(diǎn)N不是月面上的點(diǎn)，須遍歷搜尋下一個(gè)點(diǎn)，跳到st印3 ；3)如果Δ彡0，說(shuō)明點(diǎn)N是月球在天球投影面上的點(diǎn)，求得衛(wèi)星到點(diǎn)N的距離
k =丸―幾,并繼續(xù)下一步st印2 ；
2· χst印2 判別點(diǎn)N是否是在月球的亮處1)在解得衛(wèi)星到點(diǎn)N的距離k后，可得到N在敏感器測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)
k · sin δΝ k · cos δΝ sin φΝ h ■ cos δΝ cos φΝ _計(jì)算測(cè)量坐標(biāo)系下月心到點(diǎn)N的方向矢量LmN^-Cnrm由太陽(yáng)和月球的星歷以及姿態(tài)轉(zhuǎn)換陣可得測(cè)量坐標(biāo)系下月心到太陽(yáng)的方向矢量 LmsunLmsu =CriV-CriTm; 2)計(jì)算的夾角K = arccos(Lme · Lmsun)；
XN
rN=yN-
π
3)如果K<j，說(shuō)明點(diǎn)N在月亮的亮處，進(jìn)入st印4 ；否則須遍歷搜尋下一個(gè)點(diǎn)，進(jìn)
A step30st印3 將月圓盤在天球的投影按NsmXNail進(jìn)行等角度劃分，得到遍歷的角度增量
d,=
φ N,
>搜尋掃入點(diǎn)首先是對(duì)月球在天球的投影按其經(jīng)度遞增的方向^ =
(K+kXcU (k = 0，1,2-NJ逐條進(jìn)行掃描；為了定位敏感器最先掃到的可視的月球亮點(diǎn)， 還需要確定該亮點(diǎn)在天球中的緯度，這就需要對(duì)月球投影的每條經(jīng)度圈按緯度遞減(或遞
增)的方向氏=
N N
sm , sm_
)對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行判斷(將(Φη，δη)代入
2 2
stepl和st印2，進(jìn)行計(jì)算判斷)。st印4 搜尋結(jié)束，N即為遍歷搜尋得到敏感器掃到的亮點(diǎn)，NS((K δ) = (φΝ，δΝ)(6)利用步驟(3)和步驟(5)的結(jié)果，得到月球敏感器的掃描角度補(bǔ)償量Δω =Φ ω_ Φ，已知敏感器掃描速率為ω r。t，則掃描時(shí)間補(bǔ)償量
權(quán)利要求
1.月球敏感器月心方向的修正方法，其特征在于步驟如下(1)建立月球敏感器測(cè)量坐標(biāo)系足藝之.,原點(diǎn)A為月球敏感器的掃描轉(zhuǎn)軸與月球敏感器赤道平面的交點(diǎn)，月球敏感器赤道平面為與月球敏感器掃描轉(zhuǎn)軸垂直的水平面，I軸正方向沿掃描轉(zhuǎn)軸的方向，&軸正方向在月球敏感器的赤道平面內(nèi)并且使得固連于月球敏感器的基準(zhǔn)點(diǎn)位于OsZJs平面內(nèi)，Ys軸與軸和\軸構(gòu)成右手正交系；(2)以月球敏感器測(cè)量坐標(biāo)系的原點(diǎn)03為球心，建立一個(gè)單位天球，以月球敏感器測(cè)量坐標(biāo)系的^軸正方向與天球球面的交點(diǎn)作為天球天頂Z，以O(shè)sYJs為天球赤道平面，以月球敏感器測(cè)量坐標(biāo)系的^軸正方向與天球球面的交點(diǎn)作為方位角的零度起始點(diǎn)S ；(3)根據(jù)月球的星歷信息計(jì)算得到月心M在天球上的高度角和方位角坐標(biāo)Μ(Φω，δω), 其中高度角八是從原點(diǎn)Os指向月心M的向量與測(cè)量坐標(biāo)系中OsYJs平面的夾角，向天球天頂Z為正；方位角Φω是從原點(diǎn)Os指向月心M的向量在測(cè)量坐標(biāo)系中OsYJs平面的投影與％軸的夾角，順時(shí)針為正；(4)根據(jù)從衛(wèi)星視月球的視半徑PΜ得到整個(gè)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(duì)于月球敏感器掃描方向起始點(diǎn)E的高度角、方位角坐標(biāo)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(duì)天球上的月圓盤投影按經(jīng)度和緯度方向進(jìn)行等額的劃分，順著月球敏感器的掃描方向從起始點(diǎn)E對(duì)月圓盤上的點(diǎn)進(jìn)行遍歷搜尋，逐一判斷該點(diǎn)是否處于月球敏感器可視的亮區(qū)，從而得到月球敏感器最先掃描到的月球亮點(diǎn)Ns，將該點(diǎn)作為月球敏感器掃描月球的輸出信息，Ns對(duì)應(yīng)的高度角、方位角坐標(biāo)為隊(duì)((^，δ)；(6)利用步驟(3)和步驟(5)的結(jié)果，得到月球敏感器的掃描角度補(bǔ)償量Δω=φω-φ,以及掃描時(shí)間補(bǔ)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，首先由月球的星歷信息得到某一時(shí)刻月心的位置信息；然后建立一個(gè)月球敏感器掃描模型，通過(guò)遍歷搜尋找到敏感器最先掃到的月球亮點(diǎn)，該亮點(diǎn)即為對(duì)應(yīng)時(shí)刻敏感器掃描到的月球位置信息；根據(jù)這兩個(gè)位置信息就可以得到修正敏感器掃描輸出的角度補(bǔ)償量。由于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(shí)間補(bǔ)償量。本發(fā)明方法操作簡(jiǎn)單，可以提供更為精確的月心測(cè)量信息。
文檔編號(hào)G01C25/00GK102175258SQ20101062384
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者劉萍, 張斌, 王大軼, 魏春嶺, 黃翔宇 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所