月球敏感器月心方向的修正方法

摘要

月球敏感器月心方向的修正方法，首先由月球的星历信息得到某一时刻月心的位置信息；然后建立一个月球敏感器扫描模型，通过遍历搜寻找到敏感器最先扫到的月球亮点，该亮点即为对应时刻敏感器扫描到的月球位置信息；根据这两个位置信息就可以得到修正敏感器扫描输出的角度补偿量。由于敏感器的扫描速率是已知的，还可以得到将敏感器扫描输出的位置校正到月心方向所需的时间补偿量。本发明方法操作简单，可以提供更为精确的月心测量信息。

说明书

技术领域

本发明属于航天光学遥感技术领域，涉及一种月球敏感器输出的月心方向的精确确定方法。

背景技术

美国Microcosm公司研制的MANS自主导航系统(Microcosm Autonomous Navigation System)是1994年3月13日美国空军进行的‘TAOS’(自主运行生存技术)飞行试验的主要内容之一。MANS自主导航系统所采用的一体化自主导航敏感器是在双圆锥扫描式地球敏感器的基础上增加了一对扇形扫描式日、月敏感器。导航敏感器使用一个由电机驱动的光学扫描探头，该探头能对地球热辐射以及日、月可见光进行多视场敏感。

报告号为92-1710，名称为“Autonomous Space Navigation Experiment”的AIAA报告介绍了TAOS飞行试验的内容，包括Microcosm公司的MANS自主导航系统的一体式敏感器的组成、性能和测量输出，但其中并未涉及月心方向的确定方法及相应的修正方法。

1998年全国第八届空间及运动体控制技术学术年会论文，“一种卫星自主导航系统的导航精度分析”介绍了MANS系统的导航原理，分析了地球、太阳和月亮的测量误差对系统导航精度的影响。文中分析了敏感器各测量精度对系统导航精度的影响，并未涉及月心方向的确定方法。

现有对一体化敏感器的分析方法中，月球是作为点光源来处理的。可见光敏感器扫描一圈只要扫描到月球的亮点就输出月亮信号，并将此认为是月心方向。实际上，由于从地球观测月球，其视半径可达0.26度，因此将月球处理成点光源必然会给月心方向的确定带来误差。而且由于太阳光照条件的影响，以及观察位置的变化，敏感器所视的月球并不是一个完全的亮圆球，星上观测到的月球亮区形状是不断变化的，所以只有考虑可视的月球形状模型，对月球敏感器的量测输出进行修正，才能进一步提高导航精度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种扫描式月球敏感器月心方向的精确确定方法，可以提高敏感器输出的月心测量精度，从而提高系统的导航精度。

本发明的技术解决方案是：月球敏感器月心方向的修正方法，步骤如下：

(1)建立月球敏感器测量坐标系原点O_s为月球敏感器的扫描转轴与月球敏感器赤道平面的交点，月球敏感器赤道平面为与月球敏感器扫描转轴垂直的水平面，X_s轴正方向沿扫描转轴的方向，Z_s轴正方向在月球敏感器的赤道平面内并且使得固连于月球敏感器的基准点位于O_sZ_sX_s平面内，Y_s轴与X_s轴和Z_s轴构成右手正交系；

(2)以月球敏感器测量坐标系的原点O_s为球心，建立一个单位天球，以月球敏感器测量坐标系的x_s轴正方向与天球球面的交点作为天球天顶Z，以O_sY_sZ_s为天球赤道平面，以月球敏感器测量坐标系的z_s轴正方向与天球球面的交点作为方位角的零度起始点S；

(3)根据月球的星历信息计算得到月心M在天球上的高度角和方位角坐标M(φ_m，δ_m)，其中高度角δ_m是从原点O_s指向月心M的向量与测量坐标系中O_sY_sZ_s平面的夹角，向天球天顶Z为正；方位角φ_m是从原点O_s指向月心M的向量在测量坐标系中O_sY_sZ_s平面的投影与z_s轴的夹角，顺时针为正；

(4)根据从卫星视月球的视半径ρ_M得到整个月圆盘在天球面的投影，由月球敏感器的扫描方向，确定月球圆盘在天球投影相对于月球敏感器扫描方向起始点E的高度角、方位角坐标E(φ_m-χ，δ_m)，其中χ为天球上月球圆盘投影的视半径ρ_M在天球赤道平面的圆心角；

(5)对天球上的月圆盘投影按经度和纬度方向进行等额的划分，顺着月球敏感器的扫描方向从起始点E对月圆盘上的点进行遍历搜寻，逐一判断该点是否处于月球敏感器可视的亮区，从而得到月球敏感器最先扫描到的月球亮点N_s，将该点作为月球敏感器扫描月球的输出信息，N_s对应的高度角、方位角坐标为N_s(φ，δ)；

(6)利用步骤(3)和步骤(5)的结果，得到月球敏感器的扫描角度补偿量Δ_m＝φ_m-φ，以及扫描时间补偿量其中ω_rot为月球敏感器扫描速率。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法解决了一直以来扫描式月球敏感器将月球当作点光源来处理的使用缺陷，通过建立一个敏感器扫描模型，确定了敏感器的扫描输出，并与月球星历信息进行比较得到了修正扫描敏感器的输出所需要的补偿角信息或扫描时间补偿信息，从而解决了现有的敏感器对月测量不精确的问题，提高了敏感器的测量精度。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明天球中各投影点的位置关系图；

图3为本发明天球中球面几何关系图；

图4为本发明对月圆盘上的点进行遍历搜寻的流程图。

具体实施方式

本发明的基本思想是通过建立一个敏感器扫描模型，得到某一时刻敏感器扫描到的月球位置信息，由月球的星历信息可以得到对应时刻月心的位置信息，通过这两个位置信息以及已知的敏感器的扫描速率就可得到将敏感器扫描得到的位置校正到月心方向所需的时间，从而得到精确的月心测量信息。

如图1所示，为本发明方法的流程框图，主要步骤如下：

(1)如图2所示，建立月球敏感器测量坐标系定义敏感器赤道平面为与敏感器扫描转轴垂直的水平面，则原点O_s为月球敏感器的扫描转轴与月球敏感器赤道平面的交点，X_s轴正方向沿扫描转轴的方向，Z_s轴正方向在月球敏感器的赤道平面内并且使得固连于月球敏感器的基准点位于O_sZ_sX_s平面内，Y_s轴与X_s轴和Z_s轴构成右手正交系；

(2)如图2所示，以月球敏感器测量坐标系的原点O_s为球心，建立一个单位天球，以月球敏感器测量坐标系的x_s轴正方向与天球球面的交点作为天球天顶Z，以O_sY_sZ_s为天球赤道平面，以月球敏感器测量坐标系的z_s轴正方向与天球球面的交点作为方位角的零度起始点S；

(3)根据月球的星历信息计算得到月心M在天球上的高度角和方位角坐标M(φ_m，δ_m)，具体方法如下：

根据卫星的初始轨道参数进行外推计算得到对应时刻惯性系中卫星位置矢量速度矢量根据月球的星历信息进行外推计算得到对应时刻惯性系中地心-月心方向矢量从而计算卫星到月球的位置矢量通过惯性系到测量坐标系的姿态转换阵C_ri，将其转换为测量系中的表达并得到距离和月心在卫星敏感器测量坐标系下的坐标

$\left(\begin{array}{c}{x}_m\\ y_m\\ z_m\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{\overrightarrow{r}}_{\mathrm{smr}}\left(1\right)\\ {\overrightarrow{r}}_{\mathrm{smr}}\left(2\right)\\ {\overrightarrow{r}}_{\mathrm{smr}}\left(3\right)\end{array}\right)$

从而得到月心在天球中的方位角φ_m和高度角δ_m

${\phi }_m=\arctan \left(\frac{y_m}{z_m}\right),$${\delta }_m=\arcsin \left(\frac{x_m}{r_{\mathrm{sm}}}\right).$

(4)根据从卫星视月球的视半径ρ_M得到整个月圆盘在天球面的投影；

${\rho }_m=\arcsin \left(\frac{R_m}{r_{\mathrm{sm}}}\right)$

其中R_m为月球半径。在图3中根据球面三角的知识可计算得到视半径ρ_m在天球赤道平面的投影的圆心角χ

$\chi =\arccos (\cos {\rho }_M·\csc (\frac{\pi }{2}-{\delta }_m)·\csc (\frac{\pi }{2}-{\delta }_m)-\mathrm{ctg}(\frac{\pi }{2}-{\delta }_m)\mathrm{ctg}(\frac{\pi }{2}-{\delta }_m))$

由月球敏感器的扫描方向，确定月球圆盘在天球投影相对于月球敏感器扫描方向起始点E的高度角、方位角坐标为E(φ_m-χ，δ_m)；

(5)对天球上的月圆盘投影按经度和纬度方向进行等额的划分，等分数为N_sm。顺着月球敏感器的扫描方向从起始点E对月圆盘上的点进行遍历搜寻，图4为遍历搜寻的流程图，具体流程如下：

step1：

首先判别其是否是月表在天球的投影：

对天球上的任意一点N(φ，δ)，其在卫星敏感器测量坐标系下的坐标为

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}k·\sin \delta \\ k·\cos \delta \sin \phi \\ k·\cos \delta \cos \phi \end{array}\right)$

其中k为卫星到天空中该点的距离，若该点是月面上的一点，则有

${(x-x_m)}^2+{(y-y_m)}^2+{(z-z_m)}^2=R_m^2$

式中x_m，y_m，z_m为月心在敏感器测量坐标系中的投影，R_m为月球半径。将x，y，z的表达式带入上式中，整理可得关于k的一元二次方程

$(a^2+b^2+c^2)·k^2-2(a{x}_m+b{y}_m+c{z}_m)·k+(x_m^2+y_m^2+z_m^2-R_m^2)=0$

其中a＝sinδ，b＝cosδsinφ，c＝cosδcosφ。

1)计算Δ＝b²-4·a·c；

2)如果Δ＜0，则点N不是月面上的点，须遍历搜寻下一个点，跳到step3；

3)如果Δ≥0，说明点N是月球在天球投影面上的点，求得卫星到点N的距离并继续下一步step2；

step2：

判别点N是否是在月球的亮处：

1)在解得卫星到点N的距离k后，可得到N在敏感器测量坐标系下的坐标

${\overrightarrow{r}}_N=\left(\begin{array}{c}{x}_N\\ y_N\\ z_N\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}k·\sin {\delta }_N\\ k·\cos {\delta }_N\sin {\phi }_N\\ k·\cos {\delta }_N\cos {\phi }_N\end{array}\right);$

计算测量坐标系下月心到点N的方向矢量

${\overrightarrow{L}}_{\mathrm{mN}}={\overrightarrow{r}}_N-C_{\mathrm{ri}}{\overrightarrow{r}}_m;$

由太阳和月球的星历以及姿态转换阵可得测量坐标系下月心到太阳的方向矢量

${\overrightarrow{L}}_{\mathrm{msun}}=C_{\mathrm{ri}}{\overrightarrow{r}}_S-C_{\mathrm{ri}}{\overrightarrow{r}}_m;$

2)计算和的夹角

3)如果说明点N在月亮的亮处，进入step4；否则须遍历搜寻下一个点，进入step3。

step3：

将月圆盘在天球的投影按N_sm×N_sm进行等角度划分，得到遍历的角度增量搜寻扫入点首先是对月球在天球的投影按其经度递增的方向φ_n＝φ_E+k×d_φ(k＝0，1，2…N_sm)逐条进行扫描；为了定位敏感器最先扫到的可视的月球亮点，还需要确定该亮点在天球中的纬度，这就需要对月球投影的每条经度圈按纬度递减(或递增)的方向对每个点进行判断(将(φ_n，δ_n)代入step1和step2，进行计算判断)。

step4：

搜寻结束，N即为遍历搜寻得到敏感器扫到的亮点，N_s(φ，δ)＝(φ_N，δ_N)

(6)利用步骤(3)和步骤(5)的结果，得到月球敏感器的扫描角度补偿量Δ_m＝φ_m-φ，已知敏感器扫描速率为ω_rot，则扫描时间补偿量

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。