一種基于太陽、地心及月表重力矢量的巡視器位置姿態確定方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種基于太陽、地屯、及月表重力矢量的巡視器位置姿態確定方法，屬 于深空探測導航定位領域。
【背景技術】
[0002] 對于月面巡視器來說，巡視器的導航定位是其進行月面探測工作的前提和關鍵。 巡視器的導航定位主要包括確定巡視器所在的位置（一般用月表經度和月表紳度來描述） 及巡視器的姿態信息。
[0003] 巡視器位置確定的方法主要有無線電跟蹤測量和基于下降成像的定位方法。無線 電跟蹤測量方法借助于地面=個W上測控站與巡視器上的定向天線確定巡視器到測控站 的距離，然后建立距離方程解算出巡視器在地慣坐標系中的描述，再利用星歷信息確定巡 視器的經紳度，該方法對地面測控條件要求較高，并且處理過程比較復雜，成本較高；基于 下降成像方法是利用探測器著陸過程中獲取的一系列CCD圖像，按照攝影測量的光束法平 差求解CCD圖像的定向參數，再結合CCD圖像求解著陸點的=維位置，該方法受限于CCD圖 像中是否有明顯的特征點。
[0004] 巡視器采用慣性和天文組合導航方法，即利用月表重力矢量和太陽矢量進行姿態 確定。該方法在巡視器位置已知和慣性測量敏感器正常有效的情況下可W獲得較高精度的 姿態信息，但在位置未知或者慣性測量敏感器發生故障時，則無法獲得準確姿態信息，需要 研究其他的姿態確定方法。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術問題是：為克服現有技術的不足，提出一種基于太陽、地屯、及 月表重力矢量的巡視器位置姿態確定方法，該方法能夠在巡視器靜止狀態下，僅利用自身 敏感器的測量信息實現巡視器的位置和姿態確定。
[0006] 本發明技術解決方案；
[0007] 一種基于太陽、地屯、及月表重力矢量的巡視器位置姿態確定方法，具體實現步驟 如下：
[000引 （1)傾斜姿態確定
[0009] 根據巡視器本體坐標系下的月表重力矢量、巡視器導航坐標系下的月表重力矢 量，得到巡視器本體坐標系相對于巡視器導航坐標系的坐標轉換關系，進而得到巡視器的 滾動角和俯仰角，完成巡視器的傾斜姿態確定；
[0010] 似太陽矢量計算
[0011] 根據太陽矢量在月固坐標系下的坐標，得到太陽矢量在巡視器本體坐標系下的坐 標；
[001引 做地屯、矢量計算
[0013] 根據地屯、矢量在月固坐標系下的坐標，得到地屯、矢量在巡視器本體坐標系下的坐 標；
[0014] (4)航向及位置確定
[0015] 利用步驟（1)得到的巡視器滾動角和俯仰角，得到巡視器水平坐標系相對于巡視 器本體坐標系的坐標轉換關系；
[0016] 利用步驟（2)得到的太陽矢量在巡視器本體坐標系下的坐標和步驟（3)得到的地 屯、矢量在巡視器本體坐標系下的坐標，進行坐標轉換，得到太陽矢量和地屯、矢量在巡視器 水平坐標系下的坐標；通過將月固坐標系轉換到巡視器水平坐標系，得到月表經度、月表紳 度和偏航角，完成航向及位置確定。
[0017] 所述步驟（1)中巡視器本體坐標系相對于巡視器導航坐標系的坐標轉換關系按 照3-2-1轉序或者3-1-2轉序進行。
[0018] 所述步驟（4)中巡視器水平坐標系定義為；原點位于巡視器質屯、，而軸為巡視器 前進方向在水平面上的投影，Yc軸在水平面上與X,軸垂直，指向巡視器的右側，Zc軸與Xk 軸、Yi；軸滿足右手定則。
[0019] 所述步驟（4)中對月表經度、月表紳度和偏航角計算時，需對太陽矢量和地屯、矢 量的夾角進行判斷，若夾角小于20度，則另選時機，待夾角變大后重新進行計算。
[0020] 本發明與現有技術相比的優點在于：
[0021] (1)本發明提出的巡視器位置確定方法不需要地面測站信息或探測器的下降圖 像，僅依靠巡視器自身敏感器的測量信息確定巡視器的絕對位置，該方法原理簡單，易于實 現，能夠實現巡視器長時間、長距離、高精度導航；
[0022] (2)本發明基于雙矢量定姿的原理，將巡視器的位置確定問題轉化為姿態確定問 題，所采用的基于=個矢量位置姿態確定方法不僅適用于月面巡視器的導航定位，還可W 推廣到火星等其他行星探測車的導航定位，適用性強。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發明的巡視器位置姿態確定流程圖；
[0024] 圖2為本發明的巡視器各坐標系間相對關系示意圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖對本發明進行詳細說明。
[0026] 如圖1所示，本發明的具體實現如下：
[0027] (1)傾斜姿態確定
[002引利用巡視器配備的加速度計，可W得到巡視器所在位置處的月表重力矢量在巡視 器本體坐標系下的表示，記為抗^紀了；
[0029] 巡視器導航坐標系下的月表重力矢量為已知的，該里記為G、魚p) 0沉f，其 中，g〇為月球重力加速度；
[0030] 巡視器的S軸姿態角分別記為滾動角口、俯仰角0和偏航角1])，按照3-2-1的轉 序，計算得到巡視器本體坐標系相對于導航坐標系的方向余弦矩陣Cew，即；
[0031]
【主權項】
1. 一種基于太陽、地心及月表重力矢量的巡視器位置姿態確定方法，其特征在于，具體 實現步驟如下： (1) 傾斜姿態確定 根據巡視器本體坐標系下的月表重力矢量、巡視器導航坐標系下的月表重力矢量，得 到巡視器本體坐標系相對于巡視器導航坐標系的坐標轉換關系，進而得到巡視器的滾動角 和俯仰角，完成巡視器的傾斜姿態確定； (2) 太陽矢量計算 根據太陽矢量在月固坐標系下的坐標，得到太陽矢量在巡視器本體坐標系下的坐標； (3) 地心矢量計算 根據地心矢量在月固坐標系下的坐標，得到地心矢量在巡視器本體坐標系下的坐標； (4) 航向及位置確定 利用步驟（1)得到的巡視器滾動角和俯仰角，得到巡視器水平坐標系相對于巡視器本 體坐標系的坐標轉換關系； 利用步驟（2)得到的太陽矢量在巡視器本體坐標系下的坐標和步驟（3)得到的地心矢 量在巡視器本體坐標系下的坐標，進行坐標轉換，得到太陽矢量和地心矢量在巡視器水平 坐標系下的坐標；通過將月固坐標系轉換到巡視器水平坐標系，得到月表經度、月表煒度和 偏航角，完成航向及位置確定。
2. 根據權利要求1所述的一種基于太陽、地心及月表重力矢量的巡視器位置姿態確定 方法，其特征在于：所述步驟（1)中巡視器本體坐標系相對于巡視器導航坐標系的坐標轉 換關系按照3-2-1轉序或者3-1-2轉序進行。
3. 根據權利要求1所述的一種基于太陽、地心及月表重力矢量的巡視器位置姿態確定 方法，其特征在于：所述步驟（4)中巡視器水平坐標系定義為：原點位于巡視器質心，\軸 為巡視器前進方向在水平面上的投影，\軸在水平面上與X κ軸垂直，指向巡視器的右側，Z κ 軸與Xk軸、Y κ軸滿足右手定則。
4. 根據權利要求1所述的一種基于太陽、地心及月表重力矢量的巡視器位置姿態確定 方法，其特征在于：所述步驟（4)中對月表經度、月表煒度和偏航角計算時，需對太陽矢量 和地心矢量的夾角進行判斷，若夾角小于20度，則另選時機，待夾角變大后重新進行計算。
【專利摘要】本發明公開了一種基于太陽、地心及月表重力矢量的巡視器位置姿態確定方法，實現步驟包括傾斜姿態確定、太陽矢量計算、地心矢量計算以及航向與位置確定。本發明首先利用月表重力矢量確定巡視器的傾斜姿態，即確定俯仰角和滾動角；然后通過星歷計算和敏感器測量得到太陽矢量和地心矢量；最后，基于雙矢量定姿原理，計算得到巡視器的航向及月表位置，即偏航角和月表經緯度。本發明在巡視器靜止狀態下，僅利用自身敏感器的測量信息確定巡視器的絕對位置和姿態，原理簡單，易于實現，能夠實現巡視器長時間、長距離、高精度導航。
【IPC分類】G01C21-24
【公開號】CN104567881
【申請號】CN201410827871
【發明人】劉祥, 邢琰, 毛曉艷, 滕寶毅
【申請人】北京控制工程研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月26日