一种基于wMPS系统的室内目标天文坐标的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及月球车等航天器模拟试验中地面导航技术领域，特别是一种基于wMPS 系统的室内目标天文坐标的确定方法。
【背景技术】
[0002] 为了提高月球车等航天器在月面工作的可靠性，需要在地面研制过程中对月球车 等航天器的位姿确定性能、路径规划能力和移动控制能力进行验证，然而，在室内试验过程 中，月球车等航天器安装的太阳敏感器、星敏感器等姿态测量设备无法工作，需要外测设备 实时测量月球车等航天器的位置、姿态数据，并将位姿数据传输给月球车模拟太敏以供月 球车使用。另外，室内试验还需要通过外测方法或外置设备对月球车的位置、姿态、速度等 进行测量，与设计的月球车输入值比对以验证月球车性能。在室内试验过程中，较为成熟的 高精度跟踪测量手段包括全站仪测量系统、激光跟踪仪测量系统及wMPS (车间测量定位） 系统，其中，单台全站仪或激光跟踪仪只能实现单点位置的跟踪，要实现对月球车姿态角度 的实时测量需要配置3台以上设备，成本昂贵；而wMPS (车间测量定位）系统作为一种新型 的坐标测量定位系统，具有测量空间尺度大、全空间覆盖及多任务等优势，已经被成功应用 于飞机全机水平测量、AGV导航及船舶分段对接等任务中。
[0003] wMPS系统包括红外发射站、信号接收器、标尺、手持探针及SA测量软件，其中，红 外发射站发射出两束红外激光，每束激光呈扇面形，扇面中心对称，覆盖范围为±30°，两 束扇面激光也相互对称，与对称中心平面的夹角为45°，两束激光扇面围绕红外发射站中 心高速旋转，在测量区域内高速划扫。信号接收器包括信号传感器、信号处理器及电源等， 其中，信号传感器用于探测激光扇面，信号处理器用于处理接收到的信号并与SA测量软件 通过无线信号通信，实时解算出传感器光敏面几何中心抽象点的三维坐标。
[0004] 在部分室内导航任务中，例如月球车等航天器地面试验，导航坐标系不是建立在 室内整体测量场中，同时为了与月球车等航天器实际运行条件相同，通常选用天文坐标系 作为导航坐标系。因此在试验前的标定过程中，对月球车实施高精度导航需要将导航坐标 系与wMPS系统整体测量场坐标系对准统一，精确测量确定出月球车等室内目标在天文坐 标系中的三维坐标。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于wMPS系统的室 内目标天文坐标的确定方法，通过测量并计算wMPS系统整体测量场坐标系与天文坐标系 转换矩阵、天文坐标系与全站仪坐标系转换矩阵，将wMPS系统整体测量场坐标系对准天文 坐标系，最终得到室内目标的天文坐标。
[0006] 本发明的技术解决方案是：一种基于wMPS系统的室内目标天文坐标的确定方法， 包括如下步骤：
[0007] (1)在室内测量空间安装至少两个wMPS系统的红外发射站，设置室内基墩点A和 室内基墩点B，并均匀布置N个靶球座，室内基墩点A和室内基墩点B的基墩上分别设置平 面镜，且平面镜与基墩垂直，其中，平面镜上设有十字线，N为正整数；
[0008] (2)在室内测量空间外任选一点作为天文观测点C，在天文观测点C处测定CA边 的天文方位角，记为CB边的天文方位角，记为《4，:然后使用CA边的天文方位角4 与CB边的天文方位角ai确定天文坐标系的三轴方向及AB线在天文坐标系下航向偏差角 ?4，其中，角标t表示天文坐标系下测量值；
[0009] (3)在室内测量空间选取能够接收到至少两个红外发射站发射的信号的位置，在 该位置使用全站仪分别测量得到两个平面镜上的十字线在全站仪坐标系下的三维坐标后 进行做差得到坐标差Pq= [X q，Yq，Γ]，然后计算出AB线在全站仪坐标系下的航向偏差角 为
[0011] 其中，角标q表示全站仪坐标系下测量值；
[0012] (4)根据AB线在天文坐标系下航向偏差角KU、: AB线在全站仪坐标系下的航向偏 差角计算两个坐标系的航向偏差角Θ为
[0014] 计算天文坐标系与全站仪坐标系的位姿转换矩阵尺卜为
[0016] (5)在N个靶球座上分别放置转站球，对于每一个转站球使用wMPS系统多次测量 转站球的三维坐标，然后取其平均值作为当前转站球在wMPS系统整体测量场坐标系下的 三维坐标，由此得到N个转站球在wMPS系统整体测量场坐标系下的三维坐标，并记为f， i = 1,2,3-N ；
[0017] (6)将N个形状、尺寸与转站球相同的球形棱镜分别放置在N个靶球座上，然后使 用全站仪多次测量球形棱镜在全站仪坐标系下的三维坐标，然后取其平均值作为该球形棱 镜在全站仪坐标系下的三维坐标，由此得到N个球形棱镜在全站仪坐标系下的三维坐标， 第i个球形棱镜在全站仪坐标系下的三维坐标记为野:；
[0018] (7)将两组三维坐标值If:和f分别导入wMPS系统，得到wMPS系统整体测量场 坐标系与全站仪坐标系的转换矩阵KG
[0019] (8)根据wMPS系统整体测量场坐标系与全站仪坐标系的位姿转换矩阵圮、天文 坐标系与全站仪坐标系的位姿转换矩阵^得到wMPS系统整体测量场坐标系与天文坐标系 的转换矩阵尤为 CN 105180940 A 说明书 3/5 页
[0021] 然后根据转换矩阵、WMPS系统整体测量场坐标系下室内目标坐标，得到室内目 标的天文坐标。
[0022] 所述的红外发射站为在室内测量空间内顶装倒置安装，其信号从室内测量空间顶 部向下投射。
[0023] 所述的N = 10,转站球与球形棱镜的直径为38. 1mm。
[0024] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0025] (1)本发明方法克服了现有技术中wMPS系统整体测量场坐标系不能与天文坐标 系进行相互转换的缺陷，通过测量并计算wMPS系统整体测量场坐标系与天文坐标系转换 矩阵、天文坐标系与全站仪坐标系转换矩阵，将wMPS系统整体测量场坐标系对准天文坐标 系，得到了室内目标的天文坐标，实现了使用wMPS系统对室内月球车等航天器的高精度导 航；
[0026] (2)本发明方法与现有的技术中的全站仪测量系统或激光跟踪仪测量系统相比， 实现对月球车姿态角度的实时测量需要较少的全站仪等设备，在保证测量空间大、全空间 覆盖的同时降低了测量及导航成本；
[0027] (3)本发明方法中wMPS系统的红外发射站为顶装倒置安装，信号从顶部向下投 射，削弱了信号遮挡现象对wMPS系统正常工作的负面影响，提高了 wMPS系统对室内月球车 等航天器的进行导航的精度与可靠性。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明一种基于wMPS系统的室内目标天文坐标的确定方法流程图；
[0029] 图2为本发明方法中wMPS系统整体测量场与建立天文坐标系所用仪器设备示意 图。
【具体实施方式】
[0030] 本发明提出一种基于wMPS系统的室内目标天文坐标的确定方法，实现了将wMPS 系统整体测量场的室内坐标系与室外坐标系（天文坐标系）的高精度统一，得到了月球车 等航天器等室内目标的天文坐标，使月球车等航天器的地面试验状态更加逼近于真实情 况。下面结合附图进行详细说明，如图1所示本发明方法通过以下步骤实现：
[0031 ] 步骤1、建立天文坐标系
[0032] 本发明方法wMPS系统整体测量场环境与所用实验仪器如图2所示，在室内测量空 间（厂房）安装wMPS系统的红外发射站，由于室内实验环境较为复杂，因此其所用红外发 射站一般为顶装倒置安装，信号从厂房顶部向下投射，来削弱信号遮挡现象对wMPS系统正 常工作的负面影响，在厂房外任意设置天文观测点C与天文观测点D，在厂房内任意设置室 内基墩点A和室内基墩点B，室内基墩点A和室内基墩点B的基墩与平面镜或立方镜通过大 理石平板连接，且平面镜或立方镜与基墩垂直。在天文观测点D处使用莱卡经炜仪TM5100A 进行室外天文经炜度的测量，并通过在天文观测点C处架设莱卡经炜仪TM5100A观测北极 星，测定CA边的天文方位角，记为<，CB边的天文方位角，记为％ (角标t表示天文坐标 系下测量值）。室内基墩点A点和室内基墩点B点的基墩为用砖和混凝土