CN111896027B - 一种考虑地形起伏的测距敏感器仿真建模方法 - Google Patents

一种考虑地形起伏的测距敏感器仿真建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种考虑地形起伏的测距敏感器仿真建模方法，通过下述方式实现：S1、以当前星下点地形高程所对应的待测星体表面作为基准平面，确定测距波束所在地形范围内地形最大高程；S2、根据确定的地形最大高程确定波束搜索起点，按照预设的步长进行粗搜索，搜索波束与地形交点，当波束某个位置对应高度小于地形高度时，采用二分法精细搜索波束与地形的交点，直到测距精度满足要求。

Description

一种考虑地形起伏的测距敏感器仿真建模方法
技术领域
本发明涉及一种考虑地形起伏的测距敏感器仿真建模方法，属于航天器制导、导航与控制技术领域。本发明可以应用于采用测距敏感器导航的各类地外天体软着陆探测任务的数学仿真验证，具有广泛的应用价值和市场前景。
背景技术
测距敏感器作为保证火星进入舱安全着陆的关键敏感器之一，需要根据数字地形精确模拟其在着陆过程中的相对于地面的距离测量，以真实有效地验证基于测距敏感器的导航修正方案和算法。在嫦娥系列月球软着陆动力下降过程中测距敏感器模拟测量均未考虑地形起伏的影响。对于崎岖地形，不考虑地形起伏对测距敏感器的影响显然与实际情况不符，难以真实验证***导航方案和算法，因此，需要在继承嫦娥系列月球软着陆测距敏感器数学仿真模型的基础上，设计考虑地形起伏影响的高精度测距敏感器测量建模方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对火星进入、下降、着陆过程精确模拟测距敏感器测量的需求，提出了一种考虑地形起伏的测距敏感器仿真建模方法。
本发明解决技术的方案是：一种考虑地形起伏的测距敏感器仿真建模方法，通过下述方式实现：
S1、以当前星下点地形高程所对应的待测星体表面作为基准平面，确定测距波束所在地形范围内地形最大高程；
S2、根据确定的地形最大高程确定波束搜索起点，按照预设的步长进行粗搜索，搜索波束与地形交点，当波束某个位置对应高程小于地形高程时，采用二分法精细搜索波束与地形的交点，直到测距精度满足要求。
优选的，S1具体通过下述方式实现：
利用测距敏感器安装以及着陆器的位置和姿态信息确定测距波束与基准平面交点的经纬度；
以当前星下点经纬度和测距波束与基准面交点经纬度为矩形对角点确定测距波束所在地形范围；
搜索该范围内数字地形最大高程确定测距波束所在地形范围内地形的最大高程。
优选的，通过下述方式确定测距敏感器星下点经纬度lon0、lat0和测距敏
感器到星下点的高度h：
rSF＝[rSFx rSFy rSFz]T＝rF+CFBrS
lon0＝atan2(rSFy,rSFx)
Figure BDA0002586345540000021
h＝||rSF||-hTerrain(lon0,lat0)
其中，||·||表示向量求模运算，rF为着陆器在待测星体固连坐标系下位置矢量，CFB为从着陆器本体坐标系到待测星体固连坐标系的转换阵，rS为测距敏感器在着陆器本体坐标系下安装位置，rSF为测距敏感器在待测星体固连坐标系下的位置，[rSFx rSFy rSFz]T为rSF的三个分量，hTerrain(lon0,lat0)表示在经纬度lon0、lat0处地形高程。
优选的，通过下述方式确定第i个测距波束与基准面交点经纬度loni、lati
Figure BDA0002586345540000022
loni＝arctan2(rSiFy,rSiFx)
Figure BDA0002586345540000023
其中，rSiF为测距敏感器第i个波束与基准平面交点在待测星体固连坐标系下的位置，[rSiFx rSiFy rSiFz]T为rSiF的三个分量，rSF为测距敏感器在待测星体固连坐标系下的位置，CFB为从着陆器本体坐标系到待测星体固连坐标系的转换阵，dSi为测距敏感器第i个波束在着陆器本体坐标系下的指向，h为测距敏感器到星下点的高度。
优选的，通过下述方式确定测距波束所在地形范围内地形的最大高程：
hTerrainMaxi＝max(hTerrain(lon,lat))lon0≤lon≤loni且lat0≤lat≤lati
其中，lon0、lat0为测距敏感器星下点经纬度，loni、lati为测距敏感器第i个波束与基准平面交点处经纬度,max(·)表示求最大值运算。
优选的，通过下述方式确定波束搜索起点rSiF0：
Figure BDA0002586345540000031
其中，||·||表示向量求模运算，hTerrainMaxi为测距波束所在地形范围内的地形最大高程、CFB为从着陆器本体坐标系到待测星体固连坐标系的转换阵，dSi为测距敏感器第i个波束在本体系下的指向，rSF为测距敏感器在待测星体固连坐标系下的位置。
优选的，所述的粗搜索过程如下：
按照下式计算第j次搜索时波束i方向上位置rSiFj及其对应经纬度lonij、latij
rSiFj＝rSiF0+(j·Δl)CFBdSi＝[rSiFjx rSiFjy rSiFjz]T
lonij＝arctan2(rSiFjy,rSiFjx)
Figure BDA0002586345540000032
若||rSiFj||-hTerrain(lonij,latij)≤0则停止搜索，粗搜索得到波束i与地形交点位置即为rSiFj，否则将j+1值赋给j继续进行下一次搜索，直至得到满足条件的rSiFj；
上述公式中||·||表示向量求模运算，rSiF0为波束搜索起点，CFB为从着陆器本体坐标系到待测星体固连坐标系的转换阵，dSi为测距敏感器第i个波束在本体系下的指向，Δl为粗搜索步长，[rSiFjx rSiFjy rSiFjz]T为rSiFj的三个分量，hTerrain(lonij,latij)表示在经纬度lonij、latij处地形高程。
优选的，粗搜索步长Δl按下述方式确定：
Figure BDA0002586345540000041
其中，||·||表示向量求模运算，hTerrainMaxi为测距波束所在地形范围内的地形最大高程、hTerrain(lon0,lat0)表示在经纬度lon0、lat0处地形高程，CFB为从着陆器本体坐标系到待测星体固连坐标系的转换阵，dSi为测距敏感器第i个波束在本体系下的指向，rSF为测距敏感器在待测星体固连坐标系下的位置，max(·)表示取最大值运算。
优选的，所述的精细搜索过程如下：
按照下式进行第k次精细搜索得到波束i方向上位置rSiFjk及其对应经纬度lonijk、latijk；
当k＝0时
rSiFj0＝rSiFj
lonij0＝lonij
latij0＝latij
当k>0时
Figure BDA0002586345540000042
lonijk＝arctan2(rSiFjky,rSiFjkx)
Figure BDA0002586345540000043
其中
Figure BDA0002586345540000044
当
Figure BDA0002586345540000045
时停止搜索，此时置rSiFjk即为波束i与地形交点位置，其中ξ为要求的测距精度；
上述公式中||·||表示向量求模运算，rSiFjk-1为第k-1次搜索得到的波束i方向上位置、CFB为从着陆器本体坐标系到待测星体固连坐标系的转换阵，dSi为测距敏感器第i个波束在本体系下的指向，Δl为粗搜索步长，k为精搜索次数，hTerrain(lonijk,latijk)表示在经纬度lonijk、latijk处地形高程。
优选的，通过下述公式计算测距波束i的距离测量值li：
li＝||rSiFjk-rSF||
式中，rSiFjk为精细搜索下波束i与地形交点在待测星体固连坐标系下的位置；rSF为测距敏感器在待测星体固连坐标系下的位置。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
针对火星进入、下降、着陆过程精确模拟测距敏感器测量的需求，本发明设计了测距敏感器波束作用范围内地形最大高程确定策略，极大缩小了波束与地形交点的搜索范围，为快速搜索测距波束与地形交点确定测距测量奠定了基础；设计了测距敏感器波束与地形交点快速精确搜索策略，通过按一定步长进行粗搜索和采用二分法进行精确搜索，实现了按要求精度真实模拟沿测距波束方向上的距离测量，从而更加真实有效的通过数学仿真验证基于测距敏感器的导航方案和算法等关键技术。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图1对本发明作进一步阐述。本发明一种考虑地形起伏的测距敏感器仿真建模方法，步骤如下：
第一步，测距敏感器波束作用范围内地形最大高程确定
以当前星下点地形高程所对应的地形表面作为基准平面，利用测距敏感器安装以及着陆器的位置和姿态信息确定测距波束与基准面交点的经纬度；以当前星下点经纬度和测距波束与基准面交点经纬度为矩形对角点确定测距波束所在地形范围，搜索该范围内数字地形最大高程确定测距波束所在地形范围内地形的最大高程。
定义rF为着陆器在待测星体固连坐标系下位置矢量，CFB为从着陆器本体坐标系到待测星体固连坐标系的转换阵，rS为测距敏感器在着陆器本体坐标系下安装位置，dSi为测距敏感器第i个波束在本体系下的指向。
(1)根据着陆器位置和测距敏感器安装计算测距敏感器星下点对应的经纬度lon0、lat0和测距敏感器到星下点的高度h
Figure BDA0002586345540000061
Figure BDA0002586345540000062
其中||·||表示向量求模运算，[rSFx rSFy rSFz]T为rSF的三个分量，hTerrain(lon0,lat0)表示在经纬度lon0、lat0处地形高程。
(2)根据测距敏感器第i个波束在本体系下的指向确定第i个波束与基准平面交点处经纬度loni、lati；
Figure BDA0002586345540000063
其中，rSiF为测距敏感器第i个波束与基准平面交点在待测星体固连坐标系下的位置，[rSiFx rSiFy rSiFz]T为rSiF的三个分量。
(3)搜索确定经度lon0～loni和纬度lat0～lati范围内地形的最大高程hTerrainMaxi
hTerrainMaxi＝max(hTerrain(lon,lat))lon0≤lon≤loni且lat0≤lat≤lati (4)
其中max(·)表示求最大值运算，hTerrain(lon,lat)表示在经纬度lon、lat处地形高程。
第二步，测距波束与地形交点确定
根据第一步确定的地形最大高程hTerrainMaxi计算搜索波束i与地形交点的起始点位置rSiF0，并由该点开始沿波束方向按一定步长Δl粗略搜索波束与地形交点。当波束某个位置对应高度小于地形高程时采用二分法继续精细搜索波束与地形交点，直到满足测距精度要求为止。
(1)确定测距波束搜索起始点rSiF0
Figure BDA0002586345540000071
(2)按步长Δl粗略搜索波束与地形交点
当进行第j次搜索时得到波束i方向上位置rSiFj(j＝0,1,2,…)及其对应经纬度lonij、latij
Figure BDA0002586345540000072
其中，j为粗搜索次数,[rSiFjx rSiFjy rSiFjz]T为rSiFj的三个分量，Δl为粗搜索步长。
Δl可按下式范围选取：
Figure BDA0002586345540000073
其中，max(·)表示取最大值运算。
Δl取值并非一定按上式范围确定，可根据地形情况调整，当地形起伏较小时，为减小计算量粗搜索步长Δl可取较大值，当地形起伏变化较为剧烈时则粗搜索步长Δl取较小值以防止出现测距波束穿越地形情况出现。
若||rSiFj||-hTerrain(lonij,latij)≤0则停止搜索，粗搜索得到波束i与地形交点位置即为rSiFj，否则j＝j+1继续进行下一次搜索。其中hTerrain(lonij,latij)表示在经纬度lonij、latij处地形高程。
(3)采用二分法精细搜索波束与地形交点
当由粗搜索得到波束i与地形交点位置rSiFj，令第k次精细搜索得到波束i方向上位置rSiFjk(k＝0,1,2,…)及其对应经纬度lonijk、latijk，则
当k＝0时
rSiFj0＝rSiFj
lonij0＝lonij
latij0＝latij (8)
当k>0时
Figure BDA0002586345540000081
其中
Figure BDA0002586345540000082
rSiFjk-1为第k-1次搜索得到的波束i方向上位置、CFB为从着陆器本体坐标系到待测星体固连坐标系的转换阵，dSi为测距敏感器第i个波束在本体系下的指向，Δl为粗搜索步长，k为精搜索次数，hTerrain(lonijk,latijk)表示在经纬度lonijk、latijk处地形高程。
当
Figure BDA0002586345540000083
时即可停止搜索，此时置rSiFjk即为波束i与地形交点位置，其中ξ为要求的测距精度。
第三步，计算测距波束i的距离测量值li
li＝||rSiFjk-rSF|| (11)
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。

Claims (7)

1.一种考虑地形起伏的测距敏感器仿真建模方法，其特征在于通过下述方式实现：
S1、以当前星下点地形高程所对应的待测星体表面作为基准平面，确定测距波束所在地形范围内地形最大高程，具体通过下述方式实现：
利用测距敏感器安装以及着陆器的位置和姿态信息确定测距波束与基准平面交点的经纬度；
以当前星下点经纬度和测距波束与基准面交点经纬度为矩形对角点确定测距波束所在地形范围；
搜索该范围内数字地形最大高程确定测距波束所在地形范围内地形的最大高程；
S2、根据确定的地形最大高程确定波束搜索起点，按照预设的步长进行粗搜索，搜索波束与地形交点，当波束某个位置对应高程小于地形高程时，采用二分法精细搜索波束与地形的交点，直到测距精度满足要求；
通过下述方式确定波束搜索起点rSiF0：
Figure FDA0003632754440000011
其中，||·||表示向量求模运算，hTerrainMaxi为测距波束所在地形范围内的地形最大高程、CFB为从着陆器本体坐标系到待测星体固连坐标系的转换阵，dSi为测距敏感器第i个波束在本体系下的指向，rSF为测距敏感器在待测星体固连坐标系下的位置；
通过下述方式确定测距波束所在地形范围内地形的最大高程：
hTerrainMaxi＝max(hTerrain(lon,lat)) lon0≤lon≤loni且lat0≤lat≤lati
其中，lon0、lat0为测距敏感器星下点经纬度，loni、lati为测距敏感器第i个波束与基准平面交点处经纬度,max(·)表示求最大值运算，hTerrain(lon,lat)表示在经纬度lon、lat处地形高程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过下述方式确定测距敏感器星下点经纬度lon0、lat0和测距敏感器到星下点的高度h：
rSF＝[rSFx rSFy rSFz]T＝rF+CFBrS
lon0＝atan2(rSFy,rSFx)
Figure FDA0003632754440000021
h＝||rSF||-hTerrain(lon0,lat0)
其中，||·||表示向量求模运算，rF为着陆器在待测星体固连坐标系下位置矢量，CFB为从着陆器本体坐标系到待测星体固连坐标系的转换阵，rS为测距敏感器在着陆器本体坐标系下安装位置，rSF为测距敏感器在待测星体固连坐标系下的位置，[rSFx rSFy rSFz]T为rSF的三个分量，hTerrain(lon0,lat0)表示在经纬度lon0、lat0处地形高程。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过下述方式确定第i个测距波束与基准面交点经纬度loni、lati
Figure FDA0003632754440000022
loni＝arctan2(rSiFy,rSiFx)
Figure FDA0003632754440000023
其中，rSiF为测距敏感器第i个波束与基准平面交点在待测星体固连坐标系下的位置，[rSiFx rSiFy rSiFz]T为rSiF的三个分量，rSF为测距敏感器在待测星体固连坐标系下的位置，CFB为从着陆器本体坐标系到待测星体固连坐标系的转换阵，dSi为测距敏感器第i个波束在着陆器本体坐标系下的指向，h为测距敏感器到星下点的高度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的粗搜索过程如下：
按照下式计算第j次搜索时波束i方向上位置rSiFj及其对应经纬度lonij、latij
rSiFj＝rSiF0+(j·Δl)CFBdSi＝[rSiFjx rSiFjy rSiFjz]T
lonij＝arctan2(rSiFjy,rSiFjx)
Figure FDA0003632754440000031
若||rSiFj||-hTerrain(lonij,latij)≤0则停止搜索，粗搜索得到波束i与地形交点位置即为rSiFj，否则将j+1值赋给j继续进行下一次搜索，直至得到满足条件的rSiFj；
上述公式中||·||表示向量求模运算，rSiF0为波束搜索起点，CFB为从着陆器本体坐标系到待测星体固连坐标系的转换阵，dSi为测距敏感器第i个波束在本体系下的指向，Δl为粗搜索步长，[rSiFjx rSiFjy rSiFjz]T为rSiFj的三个分量，hTerrain(lonij,latij)表示在经纬度lonij、latij处地形高程。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：粗搜索步长Δl按下述方式确定：
Figure FDA0003632754440000032
其中，||·||表示向量求模运算，hTerrainMaxi为测距波束所在地形范围内的地形最大高程、hTerrain(lon0,lat0)表示在经纬度lon0、lat0处地形高程，CFB为从着陆器本体坐标系到待测星体固连坐标系的转换阵，dSi为测距敏感器第i个波束在本体系下的指向，rSF为测距敏感器在待测星体固连坐标系下的位置，max(·)表示取最大值运算。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的精细搜索过程如下：
按照下式进行第k次精细搜索得到波束i方向上位置rSiFjk及其对应经纬度lonijk、latijk；
当k＝0时
rSiFj0＝rSiFj
lonij0＝lonij
latij0＝latij
当k>0时
Figure FDA0003632754440000041
lonijk＝arctan2(rSiFjky,rSiFjkx)
Figure FDA0003632754440000042
其中
Figure FDA0003632754440000043
当
Figure FDA0003632754440000044
时停止搜索，此时置rSiFjk即为波束i与地形交点位置，其中ξ为要求的测距精度；
上述公式中||·||表示向量求模运算，rSiFjk-1为第k-1次搜索得到的波束i方向上位置、CFB为从着陆器本体坐标系到待测星体固连坐标系的转换阵，dSi为测距敏感器第i个波束在本体系下的指向，Δl为粗搜索步长，k为精搜索次数，hTerrain(lonijk,latijk)表示在经纬度lonijk、latijk处地形高程。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过下述公式计算测距波束i的距离测量值li：
li＝||rSiFjk-rSF||
式中，rSiFjk为精细搜索下波束i与地形交点在待测星体固连坐标系下的位置；rSF为测距敏感器在待测星体固连坐标系下的位置。
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