基于地面控制的卫星长周期姿态误差修正方法技术

本发明专利技术公开了一种基于地面控制的卫星长周期姿态误差修正方法，主要包括三个步骤：步骤1，基于星敏感器光轴夹角计算长周期误差的频率和振幅初值；步骤2，利用地面控制点和外方位观测值计算姿态改正量；步骤3，利用步骤1计算的初值和步骤2的姿态改正量拟合出长周期误差。该方法通过对卫星长周期姿态的探测与修正可以进一步提高星敏陀螺联合处理的定姿精度，从而有助于提升测绘卫星的全球无控测图能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及卫星姿态后处理
，特别涉及一种基于地面控制的卫星长周期误差修正方法，应用于高精度遥感测绘卫星绝对姿态确定。
技术介绍
由于星敏感器与陀螺联合定姿具备精度高、可靠性好等优点，该组合模式已广泛应用于国内外高分辨率遥感测绘卫星中。组合模式中常用的星敏感器有德国Jena-Optronik的ASTRO系列、法国SODERN的SED系列等[Spot image，2005.Pre-processing levels and location accuracy.Technical information.www.spotimage.com.；REDUCTION OF LOW FREQUENCY ERROR FOR SED36 AND APS BASED HYDRA STAR TRACKERS，Julien OUAKNINE(1)，Ludovic BLARRE(1)，Lionel ODDOS-MARCEL，Johan MONTEL(2)，Jean-Marc JULIO(2)，Proc.‘6th Internat.Conf.on Space Optics’，ESTEC，Noordwijk，The Netherlands，27-30June 2006(ESA SP-621，June 2006.]，其中，ASTRO 10主要应用于近地轨道卫星，包括SAR-Lupe，TerraSAR，DARPAs Orbital Express以及我国的HJ-1、FY-3、ZY-3等)。ASTRO 15较ASTRO 10视场基本不变，观星能力增强，单星精度提高。1997年开始研制的SED16应用于2001年5月首飞的SPOT5卫星。SED26是SED16的ITAR(国际军品贸易条例)自由版本，可提供三轴姿态和载体运动角速度信息。最新的SED36是专门为Pléiades卫星提供高姿态精度的星敏感器，对光学畸变进行了精确的校正，升级了星表，增加了导航星数目。表1示出了几种典型星敏感器精度的比较。表1星敏感器的定姿误差分为三个部分，第一部分误差为安装偏差(Bias)，主要包括星敏感器内部变形误差、星敏感器相对安装误差(包括星敏之间、星敏陀螺之间)等，在卫星入轨后基本保持不变，这部分误差已经通过星敏感器在轨标定和星敏陀螺相互标定加以消除。[Ju，G.2001.Autonomous star sensing，pattern identification and attitude determination for spacecraft：An analytical and experimental study.Texas A&M University：176-177.；Samaan，2003，Toward faster and more accurate star sensors using recursive centroiding and star identification，Texas A&M University，pp.25-29..郝雪涛，张广军，江洁，2005.星敏感器模型参数分析与校准方法研究[J]，光电工程，32(3)：5-8.；邢飞，董瑛，武延鹏，尤政，2005.星敏感器参数分析与自主校正[J]，清华大学学报(自然科学版).45(11)：1484-1488.；谢俊峰；龚健雅；江万寿，2009；一种改进的恒星相机在轨检校方法，测绘科学，v.34；No.158(02)122-124.；钱曾波，刘静宇，肖国超，1992.航天摄影测量[M]，解放军出版社：116～120.谢俊峰，江万寿，龚健雅.顾及星像点分布的恒星相机在轨检校[J]北京航空航天大学学报，2011，V37(10)：1271-1276.；申娟，张广军，魏新国，2010，基于卡尔曼滤波的星敏感器在轨校准方法，航空学报，31(6)：1221-1224.；K.Lai，J.Crassidis，and R.Harman，“In-space spacecraft alignment calibration using the unscented filter，”in Proceedings of the Guidance，Navigation，and Control Conference and Exhibit(AIAA’03)，Honolulu，Hawaii，USA，August 2003.]。第二部分误差主要为测量噪声(Noise)，现在大多遥感卫星联合定姿采用星上实时扩展kalman滤波(Extended Kalman Filter，EKF)/(Unscented Kalman Filtering，UKF)或者事后地面离线处理加以抑制[Rtliter，A.H.J.de and C.J.Damaren，2002.Extended Kalman Filtering and Nonlinear Predictive Filtering for Spacecratf Attiutde Determination.Canadian Aeronuatics and Space Journal 48(1)：13～23；Matthew C.Vandyke Jana L.Schwartz Christopher D.，2004.Hall Unscented Kalman Filtering for Spacecraft Attitude State and Parameter Estimation，AAS-04-115.www.dept.aoe.vt.edu/～cdhall/papers/AAS04-115.pdf；Landsat 7 Image Assessment System(IAS)Geometric Algorithm Theoretical Basis Document，Department of the Interior U.S.Geological Survey，LS-IAS-01，Version 1.0，http：//landsat.usgs.gov/documents/LS-IAS-01_Geometric_ATBD.pdf；Takanori Iwata，Tetsuo Kawahara，2007.Precision attitude determination for the advanced land observing satellite(ALOS)：Design，Verification，and on-orbit calibration.]。这两类误差的抑制和消除方法已经成熟。第三部分误差为低频误差(Low Fequency Error，LEF)，即本专利技术描述和需要消除的长周期误差，它主要是由于星敏感器在卫星在轨运行过程中，受轨道周期内温度变化影响，在较长一段时间内起伏变化较大，对星敏感器姿态测量精度产生周期性的影响。针对此类误差修正方法，国外一般从温控设计优化、镜头畸变标定、增加恒星星表数量等几个方面来改善，温控优化和完善星表等方法一般在软硬件设计阶段就已加以考虑，对改善此类误差能起到一定抑制作用。相机镜头畸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于地面控制的卫星长周期姿态误差修正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，基于星敏感器光轴夹角计算长周期姿态误差的频率和振幅初值，其中，步骤1具体包括以下子步骤：步骤1.1，随机抽取一段卫星下传的数据，得到一组离散的以归一化四元数形式表示的姿态数据，所述姿态数据为第一星敏感器和第二星敏感器测量的姿态数据，其中，所述第一星敏感器测量的姿态数据优选的用四元数表示为：q=q‾q4=q1q2q3q4,]]>其中，为矢量，q4为标量，且满足约束方程：q12+q22+q32+q42＝1；所述第二星敏感器测量的姿态数据用四元数表示为：q=q‾′q4′=q1′q2′q3′q4′,]]>其中，为矢量，q′4为标量，且满足约束方程：q′12+q′22+q′32+q′42＝1。步骤1.2，计算所述第一星敏感器和第二星敏感器的光轴矢量，其中：所述第一星敏感器在某一个时刻的光轴矢量A为：A＝(2(q1q3+q2q4) 2(q2q3‑q1q4) ‑q12‑q22+q32+q42)；所述第二星敏感器在同一时刻的光轴矢量B为：B＝(2(q′1q′3+q′2q′4) 2(q′2q′3‑q′1q′4) ‑q′12‑q′22+q′32+q′42)；步骤1.3，基于所述第一星敏感器和第二星敏感器的光轴矢量，计算每一个时刻的所述第一星敏感器和第二星敏感器的光轴夹角实测值；步骤1.4，基于所述第一星敏感器和第二星敏感器在卫星本体上的安装矢量，计算所述第一星敏感器和第二星敏感器的光轴夹角安装值；步骤1.5，计算星敏感器的光轴夹角变化差值；步骤1.6，计算星敏感器的光轴夹角变化差值的频率和振幅的初值，并将所述星敏感器的光轴夹角变化差值的频率和振幅的初值作为所述长周期误差的频率和振幅初值。步骤2，利用地面控制点和外方位观测值计算姿态改正量；其中，步骤2具体包括以下子步骤：步骤2.1，将相机坐标系转换到卫星本体坐标系；步骤2.2，将卫星本体坐标系转换到J2000惯性坐标系；步骤2.3，将J2000惯性坐标系转换到WGS‑84坐标系；步骤2.4，基于步骤2.1至步骤2.3的坐标系转换，构建附加了姿态改正量的严密成像模型；步骤2.5，利用步骤2.4建立的严密成像模型，基于地面控制点和外方位观测值计算姿态改正量。步骤3，利用步骤1计算的初值和步骤2计算的姿态改正量拟合出长周期误差，获得长周期误差修正模型；其中，步骤3具体包括以下步骤：步骤3.1，针对步骤2解求的姿态改正量构建卫星姿态长周期误差模型：其中，振幅aΔω_1、aΔκ_1，截距cΔω、cΔκ，频率ωΔω、ωΔκ为待求参数。步骤3.2，基于最小二乘原理对振幅aΔω_1、aΔκ_1，截距cΔω、cΔκ，频率ωΔω、ωΔκ进行解算，将解算得到的最终的参数值aΔω_1，aΔκ_1，ωΔω，ωΔκ，cΔω，cΔκ代入到所述卫星姿态长周期误差模型，即得到了长周期误差修正模型。...

【技术特征摘要】
1.一种基于地面控制的卫星长周期姿态误差修正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，基于星敏感器光轴夹角计算长周期姿态误差的频率和振幅初值，其中，步骤1具体包括以下子步骤：步骤1.1，随机抽取一段卫星下传的数据，得到一组离散的以归一化四元数形式表示的姿态数据，所述姿态数据为第一星敏感器和第二星敏感器测量的姿态数据，其中，所述第一星敏感器测量的姿态数据优选的用四元数表示为： q = q ‾ q 4 = q 1 q 2 q 3 q 4 , ]]>其中，为矢量，q4为标量，且满足约束方程：q12+q22+q32+q42＝1；所述第二星敏感器测量的姿态数据用四元数表示为： q = q ‾ ′ q 4 ′ = q 1 ′ q 2 ′ q 3 ′ q 4 ′ , ]]>其中，为矢量，q′4为标量，且满足约束方程：q′12+q′22+q′32+q′42＝1。步骤1.2，计算所述第一星敏感器和第二星敏感器的光轴矢量，其中：所述第一星敏感器在某一个时刻的光轴矢量A为：A＝(2(q1q3+q2q4) 2(q2q3-q1q4) -q12-q22+q32+q42)；所述第二星敏感器在同一时刻的光轴矢量B为：B＝(2(q′1q′3+q′2q′4) 2(q′2q′3-q′1q′4) -q′12-q′22+q′32+q′42)；步骤1.3，基于所述第一星敏感器和第二星敏感器的光轴矢量，计算每一个时刻的所述第一星敏感器和第二星敏感器的光轴夹角实测值；步骤1.4，基于所述第一星敏感器和第二星敏感器在卫星本体上的安装矢量，计算所述第一星敏感器和第二星敏感器的光轴夹角安装值；步骤1.5，计算星敏感器的光轴夹角变化差值；步骤1.6，计算星敏感器的光轴夹角变化差值的频率和振幅的初值，并将所述星敏感器的光轴夹角变化差值的频率和振幅的初值作为所述长周期误差的频率和振幅初值。步骤2，利用地面控制点和外方位观测值计算姿态改正量；其中，步骤2具体包括以下子步骤：步骤2.1，将相机坐标系转换到卫星本体坐标系；步骤2.2，将卫星本体坐标系转换到J2000惯性坐标系；步骤2.3，将J2000惯性坐标系转换到WGS-84坐标系；步骤2.4，基于步骤2.1至步骤2.3的坐标系转换，构建附加了姿态改正量的严密成像模型；步骤2.5，利用步骤2.4建立的严密成像模型，基于地面控制点和外方位观测值计算姿态改正量。步骤3，利用步骤1计算的初值和步骤2计算的姿态改正量拟合出长周期误差，获得长周期误差修正模型；其中，步骤3具体包括以下步骤：步骤3.1，针对步骤2解求的姿态改正量构建卫星姿态长周期误差模型：其中，振幅aΔω_1、aΔκ_1，截距cΔω、cΔκ，频率ωΔω、ωΔκ为待求参数。步骤3.2，基于最小二乘原理对振幅aΔω_1、aΔκ_1，截距cΔω、cΔκ，频率ωΔω、ωΔκ进行解算，将解算得到的最终的参数值aΔω_1，aΔκ_1，ωΔω，ωΔκ，cΔω，cΔκ代入到所述卫星姿态长周期误差模型，即得到了长周期误差修正模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1.3具体包括：根据公式(2.1)计算光轴夹角实测值θ： θ = a r c t a n A × B A · B - - - ( 2.1 ) ]]>其中，A和B分别为所述第一星敏感器和第二星敏感器的光轴矢量；根据公式(2.1)，依次计算每一个时刻的第一星敏感器和第二星敏感器的光轴夹角θt1，θt2，θt3，…，θtm，…，θtN，其中，tm表示第m个采样时刻，θtm表示计算的tm时刻的第一星敏感器和第二星敏感器的光轴夹角，tN表示第N个采样时刻，N表示光轴夹角的总数。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1.4具体包括：根据公式(3.1)计算所述第一星敏感器和第二星敏感器的光轴夹角安装值所述光轴夹角安装值为光轴夹角理论值； θ ‾ = a r c t a n S T 1 × S T 2 S T 1 · S T 2 - - - ( 1.3 ) ]]>其中，ST1和ST2分别为第一星敏感器和第二星敏感器在卫星本体上的安装矢量。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤1.5具体包括：依次计算每一时刻的星敏感器光轴夹角实测值θt1，θt2，θt3，…，θtm，…，θtN与光轴安装值的差Δθt1，Δθt2，Δθt3，…，Δθtm，…，ΔθtN： Δθ t m = θ t m - θ ‾ ]]>其中，tm表示第m个采样时刻，Δθtm表示计算的tm时刻的第一星敏感器和第二星敏感器的光轴夹角差值，N表示计算的光轴夹角差值的总数。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1.6具体包括：将光轴夹角变化差值的主波形设为y＝f(t)＝L cos(w×(t-t0))，其中L为振幅，w为频率，t为时间，t0为初始时刻偏移；计算星敏感器光轴夹角变化差值的主波形的振幅L的初值为：其中，ξ＝max(Δθt)，为光轴夹角变化差值的最大值，为光轴夹角变化差值的最小值；查找两个光轴夹角变化差值的最大值ξ1和ξ2的对应的时间间隔T1和T2，则主波的周期的初值为ΔT＝T1-T2，频率的初值为w＝2π/ΔT。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2.4具体包括：设待求量三轴姿态改正量为则基于姿态改正角计算姿态改正矩阵RC(t)为： R C ( t ) = a 1 a 2 a 3 b 1 b 2 b 3 c 1 c 2 c 3 ]]>其中，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2和c3由Δωt、和Δκt计算，公式如下：将姿态改正矩阵RC(t)代入到严密成像模型中，则可以得到附加了姿态改正量的严密成像模型： X ...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐新明，谢俊峰，江万寿，丁一帆，艾海滨，莫凡，
申请(专利权)人：国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心，
类型：发明
国别省市：北京;11