一种基于月相的太阳矢量方向的提取方法与流程

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种基于月相的太阳矢量方向的提取方法。

背景技术：

随着航天技术的发展，卫星的自主导航能力变得愈来愈重要，其中天文导航以其自主性高、抗干扰性强、无积累误差等优势成为自主导航的热点，它以外部天体作为参考可以快速实现卫星自主导航。而月球作为地球夜间最亮的天体，其月相的变化反映了太阳、月球和观测者之间的相对信息，因此从月相中可以提取太阳矢量信息。

当前基于月相的太阳矢量方法的提取方法适用范围较窄且存在较大的测量误差。例如，文献“月球成像敏感器奔月段三轴定姿方法研究[c]//中国宇航学会深空探测技术专业委员会学术会议，2005”公开了一种利用月相提取太阳矢量的方法。如图1所示，该方法利用了缺月部分的可视弦长与原弦长的比值来计算月心矢量和太阳矢量之间的夹角，并进一步根据月心矢量计算得到太阳矢量。但是该文献中的方法适用于距离月球较远的情况，且与月球边缘轮廓相比，由太阳引起的缺月边缘会比较模糊，因此计算得到的太阳矢量方向精度较低。

技术实现要素：

针对现有技术中的部分或全部问题，本发明提供一种基于月相的太阳矢量方向的提取方法，包括：

选取边缘点qi；

计算月心om指向所述边缘点qi的矢量方向所述月心指向边缘点的矢量方向又称月球边缘方向；以及

根据月心om指向所述边缘点qi的矢量方向，计算太阳矢量方向s＝(xsyszs)^t，其中，s.

进一步地，所述边缘点包括n个，其中n为大于1的自然数。

进一步地，所述月相是通过月球敏感器拍摄月球得到的。

进一步地，所述月球边缘方向及太阳矢量方向基于月球敏感器坐标系计算得到。

进一步地，所述月球边缘方向通过正弦定理及所述月球在成像焦平面上的映射与所述月球敏感器的焦点的几何关系计算得到。

进一步地，所述太阳矢量方向根据最小二乘法计算得到。

进一步地，所述方法还包括使用所述太阳矢量方向进行卫星导航。

本发明提供的基于月相的太阳矢量方向的提取方法，利用月相边缘的多像素信息，根据月心矢量方向测量值以及当前月相，并结合最小二乘法，计算得到太阳在月球敏感器坐标系下的矢量方向，减小了测量误差的影响。与现有技术相比，该方法计算简单，且适用范围广，既适用于月心矢量方向与月球敏感器光轴存在任意夹角的情况，又适用于与月球之间不同距离的情况。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出现有技术中的利用弦长比值来计算太阳矢量方向的示意图；

图2示出本发明一个实施例的一种基于月相的太阳矢量方向的提取方法的流程示意图；以及

图3示出本发明一个实施例的一种基于月相的太阳矢量方向的提取方法中利用月球敏感器拍摄月球得到的月相示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

为了得到太阳矢量方向，本发明提供一种基于月相的太阳矢量方向的提取方法，并使用所述太阳矢量方向进行卫星导航，其中所述月相通过月球敏感器拍摄月球所得。下面结合实施例附图对该方法进行进一步描述。

本发明实施例采用月球敏感器坐标系of'xsyszs进行相关矢量方向的计算，其中采用的月相示意图如图3所示，月球301在月球敏感器的成像焦平面形成月牙形状的月相轮廓302，所述月球敏感器的视场角为α。其中，om表示月球301的中心，称为月心；om'表示所述月心om在成像焦平面xsof'ys上的映射位置；of表示成像焦点，其坐标为(00f)^t，则表示月球敏感器的光轴指向，记为f，其大小f为所述月球敏感器的焦距，以及表示由月心指向观测者的位置矢量，记为该矢量通过所述月球敏感器测量可得，所述矢量r与所述光轴指向的夹角记为θ；以及qi表示被太阳照亮的月相轮廓上的一点，称为边缘点，其在成像焦平面的映射记为qi'，称为边缘轮廓像素，所述边缘轮廓像素qi'的坐标为(xiyi0)^t。

图2示出本发明一个实施例的一种基于月相的太阳矢量方向的提取方法的流程示意图。如图2所示，一种基于月相的太阳矢量方向的提取方法，包括：

步骤201，选取边缘点。根据如图3所示的月相，在月亮被太阳照亮的边缘轮廓上选取n个边缘点qi，则有n个对应的在焦平面内的边缘轮廓像素qi'，其中i＝1,2,...,n；

步骤202，分别计算月心指向各边缘点的矢量方向。如图3所示，月心om指向边缘点qi的矢量方向为：

其中，

以及根据正弦定理有

其中根据正弦定理：

以及

以及

步骤203，计算太阳矢量方向。假设月球为理想球体，则基于太阳矢量方向s＝(xsyszs)^t与月心指向边缘点的矢量方向之间的夹角始终相等：

则对于所选取的n个边缘点而言，有：

由此可计算太阳矢量方向，其中c为常量，以及当om'在月相轮廓302区域内时，zs为-1，否则zs为1。

在本发明的一个实施例中，采用最小二乘法进行求解，将上式简化为其中：

则求解可得进而得到月球敏感器坐标系下的太阳矢量方向。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。