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】
[0001] 本发明设及一种基于太阳、地屯、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】
[0002] 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绅度来描述） 及巡视器的姿态信息。
[0003] 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=个W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 视器的经绅度，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=维位置，该方法受限于CCD图 像中是否有明显的特征点。
[0004] 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W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】
[0005] 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、地屯、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。
[0006] 本发明技术解决方案；
[0007] 一种基于太阳、地屯、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：
[000引 （1)倾斜姿态确定
[0009] 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；
[0010] 似太阳矢量计算
[0011] 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；
[001引 做地屯、矢量计算
[0013] 根据地屯、矢量在月固坐标系下的坐标，得到地屯、矢量在巡视器本体坐标系下的坐 标；
[0014] (4)航向及位置确定
[0015] 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；
[0016] 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 屯、矢量在巡视器本体坐标系下的坐标，进行坐标转换，得到太阳矢量和地屯、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、月表绅 度和偏航角，完成航向及位置确定。
[0017] 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。
[0018] 所述步骤（4)中巡视器水平坐标系定义为；原点位于巡视器质屯、，而轴为巡视器 前进方向在水平面上的投影，Yc轴在水平面上与X,轴垂直，指向巡视器的右侧，Zc轴与Xk 轴、Yi；轴满足右手定则。
[0019] 所述步骤（4)中对月表经度、月表绅度和偏航角计算时，需对太阳矢量和地屯、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。
[0020] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0021] (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；
[0022] (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=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W 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】
[0023] 图1为本发明的巡视器位置姿态确定流程图；
[0024] 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】
[0025] 下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0026] 如图1所示，本发明的具体实现如下：
[0027] (1)倾斜姿态确定
[002引利用巡视器配备的加速度计，可W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，记为抗^紀了；
[0029] 巡视器导航坐标系下的月表重力矢量为已知的，该里记为G、鱼p) 0沉f，其 中，g〇为月球重力加速度；
[0030] 巡视器的S轴姿态角分别记为滚动角口、俯仰角0和偏航角1])，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Cew，即；
[0031]
【主权项】
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、月表炜度和 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，\轴 为巡视器前进方向在水平面上的投影，\轴在水平面上与X κ轴垂直，指向巡视器的右侧，Z κ 轴与Xk轴、Y κ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、月表炜度和偏航角计算时，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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01C21-24
【公开号】CN104567881
【申请号】CN201410827871
【发明人】刘祥, 邢琰, 毛晓艳, 滕宝毅
【申请人】北京控制工程研究所
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月26日