[发明专利]一种采用卫星影像辅助和无线通信网络的定位方法

权利要求书

1.一种采用卫星影像辅助和无线通信网络的定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、利用巡视器接收地外天体网络信号，根据无线网络定位原理，确定巡视器在天体固连坐标系中的位置；

S2、利用轨道器观测地外天体获得影像，经去噪处理后，通过提取标志点、建立坐标系，完成相对关系建立，确定巡视器在天体固连坐标系中的位置；

S3、采用预设的处理算法对网络定位系统时钟进行误差校正，得到矫正后的巡视器精确定位信息；

所述S1中，包含的位置解算原理为：

巡视器C进行绝对定位的观测量是来自轨道器A、地外天体基地B、着陆器E的无线信号传播的时间，利用其计算卫星到用户之间的实时距离；轨道器A、着陆器E、地外天体基地B到巡视器C之间的距离均表示为：

ρ＝r+c(δt_u-δt^(s))+ε_ρ

联立三个距离方程式可得：

其中，t_A表示信号从轨道器A发出的时刻，t_B表示信号从天体基地B发出的时刻，t_E表示信号从着陆器E发出的时刻，t_C表示巡视器C接收到信号的时刻，以上为已知量；(X_A,Y_A,Z_A)表示轨道器A在天体固连坐标系下的位置坐标，(X_E,Y_E,Z_E)表示着陆器E在天体固连坐标系下的位置坐标，(X_B,Y_B,Z_B)表示地外天体基地B在天体固连坐标系下的位置坐标，以上三个坐标均为已知量；(X_C,Y_C,Z_C)表示巡视器C在天体固连坐标系下的位置坐标，为待求位置量；

根据卫星获取的遥感图像，建立相应坐标系，根据多个目标点的相对关系；依据成像及解算过程，共涉及4个坐标系，分别是：

①像素坐标系Os：二维平面坐标系，坐标原点Os位于像平面中心；Xs轴与Ys轴分别表示像素所在行和列；

②相机坐标系Oc：三维坐标系，原点Oc位于相机光心；Zc’垂直于图像平面，为相机光轴方向；Xc’和Yc’分别与Xs和Ys平行；

③天体固连坐标系Om：三维坐标系，原点Om位于天体质心；Xm方向指向0°经线；Ym方向与Xm方向共同构成天体真赤道面，并与Xm方向垂直；Zm方向是真赤道面与过天体表面上的子午面的交线方向，即天体赤道面上指向地球方向的惯性主轴方向；

④基准点系Op：三维坐标系，原点Op位于地外天体基地；Xp、Yp、Zp分别与Xc’、Yc’、Zc’平行；

B、C、E点在像素坐标系Os下的坐标从敏感器芯片上读出，以下标表示坐标系，上标表示相应点，则B、C、E点在Os系下坐标记为均为已知量；B、C、E点在Oc系下坐标可记为均为已知量；通过地面测控网的长期连续测定，获得轨道器A和B、E两点在天体固连坐标系Om下的精确三维位置以及轨道器A的星下点D在Om系下的位置坐标C点在天体固连坐标系下的三维位置未知，是本次解算的待求量；

所述S2中，包含的解算过程为：

建立一个临时坐标系Op：先将C在Op系下的位置解算出，再经过坐标系变换得到其Om系的位置；其中包括三个步骤：

(1)：在B点建立临时坐标系Op，则B点在Op系下的坐标为由于B点在Om系下的坐标已知，得平移向量当Oc系与轨道器本体系之间的安装转换矩阵为M₁，M₁矩阵可通过标定获得，则反映的是轨道器本体系与Om系之间的姿态关系，该姿态由轨道器携带的星敏感器获得；记星敏感器获得的姿态四元数为其中q₄为标量，则轨道器本体系相对于惯性系的姿态矩阵M₂为：

由于四元数已由星敏感器获得，因此矩阵M₂已知；记天体质心惯性系相对于天体固连坐标系的姿态旋转矩阵M₃为：

M₃＝Q[T]·R[T]·W[T]

其中T为儒略世纪数，Q[T]表示天体的岁差章动矩阵，R[T]为天体自转矩阵，W[T]为天体极移矩阵；上述均为长期观测的已知量，因此M₃为已知矩阵；

由Op与Om系之间的坐标系关系将姿态旋转矩阵M_3×3表达为M_3×3＝M₁·M₂·M₃；结合平移向量T_3×1，得Op与Om系之间的转换关系为：

[月固系坐标]＝M_3×3·[基本点系坐标]+T_3×1；

(2)：求解C点在Op系下的坐标分别将E点、Oc点和D点在Om系下的坐标代入(1)中的转换关系，得E点、Oc点和D点在Op系下的坐标

依据相似三角形原理，可得：

将上述物理关系依照坐标展开表示为：

联立方程，解出其中的3个未知数该值即为C点在Op系下的三维位置坐标；

(3)：将转换到Om系得到将代入(1)关系式，可得C点在天体固连坐标系下的位置坐标：

所述S3中，预设的误差校正算法包含：

当巡视器C及周边区域进入轨道器A载荷成像范围时，采用卫星影像解算巡视器位置用获得的位置与之前采用通讯网络解算出的巡视器位置(x_C,y_C,z_C)比较，获得时钟异步修正量Δt′；在下次巡视器进入成像范围前，Δt′用于修正轨道器过顶过程中网络定位的时钟异步，求得：

网络定位时钟异步修正量Δt′＝d/c，用Δt′＝d/c修正下一时刻T+1的网络定位，即轨道器下一时刻数据应当与天体表面T+1-Δt′的数据联立进行巡视器位置解算。