專利名稱：遙感衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)偏流修正角的仿真分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用仿真分析獲取衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)星上偏流修正角度的方法。
背景技術(shù)：
偏流角的定義源自于航空術(shù)語(yǔ)，其定義是存在側(cè)風(fēng)時(shí)，飛機(jī)的實(shí)際航跡與飛機(jī)的航向不一致，航向線與航跡線的夾角，稱為偏流角。在衛(wèi)星繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于地球自轉(zhuǎn)會(huì)使得地球表面的物體存在一個(gè)沿地球自傳角速度方向的牽連速度，此時(shí)的相機(jī)相對(duì)被攝景物的移動(dòng)方向(航跡線)與相機(jī)運(yùn)動(dòng)的投影線速度方向(航向線)不一致，也稱為偏流角。偏流修正角的定義源于具有姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力的衛(wèi)星，在衛(wèi)星進(jìn)行俯仰以及側(cè)擺機(jī)動(dòng)時(shí)，為了保證衛(wèi)星在調(diào)整姿態(tài)修正偏流角的過程中衛(wèi)星的目標(biāo)指向(沿衛(wèi)星&軸方向)不變，僅通過調(diào)整繞衛(wèi)星&軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行偏流角修正，因此這個(gè)繞&軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就與實(shí)際計(jì)算所得到攝影點(diǎn)的偏流角存在一定的偏差，定義這個(gè)繞4軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為偏流修正角以示區(qū)別。這里的&軸屬于衛(wèi)星本體坐標(biāo)系(ObXbYbZb),衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的原點(diǎn)Ob在對(duì)接環(huán)下端框星箭對(duì)接面中心，對(duì)接環(huán)的軸心線為衛(wèi)星&軸，由原點(diǎn)指向載荷艙方向?yàn)檎?，衛(wèi)星4 軸為平行于短隔板方向，以對(duì)地傳感器安裝側(cè)為正，A軸平行于長(zhǎng)隔板方向，垂直于&軸和 Zb軸且遵循右手定則與&軸、&軸構(gòu)成直角坐標(biāo)系。對(duì)于空間進(jìn)行成像的傳感器，尤其是在TDIC⑶等技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星上后，衛(wèi)星任務(wù)中對(duì)地面目標(biāo)與衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就有了嚴(yán)格要求，衛(wèi)星繞軸線較小的旋轉(zhuǎn)角度對(duì)信息的獲取將產(chǎn)生不可忽略的影響。特別是對(duì)于TDICXD，其圖像傳感器與一般線陣CXD相比，外形是一個(gè)線陣CCD器件，但它的結(jié)構(gòu)像一個(gè)面陣器件，其成像原理類似多次曝光，因此要求同一列上的每一個(gè)像元都對(duì)同一目標(biāo)曝光積分，才能保證輸出的圖像質(zhì)量。如果不進(jìn)行偏流角控制，將在像面產(chǎn)生橫向像移，使得同一列的像元在多次積分的過程中，看到的不是同一目標(biāo)。這種像移將導(dǎo)致成像質(zhì)量的降低，因此需要在星上對(duì)偏流角進(jìn)行修正。隨著TDIC⑶遙感衛(wèi)星成像分辨率和成像質(zhì)量要求的提高，在衛(wèi)星上進(jìn)行精確的偏流角修正已經(jīng)逐漸成為一種必然任務(wù)，而對(duì)星上偏流角分析算法進(jìn)行驗(yàn)證也就成為了 TDICXD遙感衛(wèi)星總體的工作。在地面對(duì)衛(wèi)星偏流修正角進(jìn)行高精度的計(jì)算不但能夠在衛(wèi)星設(shè)計(jì)以及工廠測(cè)試階段對(duì)衛(wèi)星的星上偏流角實(shí)時(shí)計(jì)算精度進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)其在軌成像性能影響進(jìn)行預(yù)估，還能夠在衛(wèi)星入軌后用于驗(yàn)證星上圖像影響因素的來(lái)源，為更好保障圖像成像質(zhì)量提供最直接的支持。在傳統(tǒng)偏流角的分析方法中，均使用幾何分析和公式推導(dǎo)進(jìn)行計(jì)算，這種方式最大的缺點(diǎn)就是依賴于過多的假設(shè)，因此直接導(dǎo)致計(jì)算精度不足，只能作為定性的分析，無(wú)法使用這種低精度的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證星上算法的正確性和精度。而且隨著衛(wèi)星俯仰姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力的使用，采用幾何分析的方法的推導(dǎo)過程復(fù)雜、精度偏低的特點(diǎn)就更加顯現(xiàn)出來(lái)。偏流角的修正精度與成像質(zhì)量有著緊密的聯(lián)系，因而傳統(tǒng)的定性分析的方式在衛(wèi)星的成像鏈路設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程中形成了一個(gè)不受控的漏洞，不利于從系統(tǒng)的角度定量的把握衛(wèi)星在軌成像質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于高精度模型、使用數(shù)值計(jì)算方法、對(duì)TDICCD遙感衛(wèi)星的俯仰側(cè)擺姿態(tài)機(jī)動(dòng)適應(yīng)能力強(qiáng)的姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)偏流修正角的仿真分析方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是遙感衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)偏流修正角的仿真分析方法，步驟如下(1)使用仿真工具建立衛(wèi)星和星上傳感器，設(shè)置衛(wèi)星姿態(tài)和傳感器參數(shù)；(2)在所給定的時(shí)間周期內(nèi)獲取傳感器視軸與地球模型交點(diǎn)的經(jīng)緯度；(3)根據(jù)步驟( 獲取的經(jīng)緯度在地球模型上依次建立特征點(diǎn)；(4)獲取每個(gè)特征點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)和下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的J2000坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；(5)在J2000坐標(biāo)系下，計(jì)算當(dāng)前特征點(diǎn)在下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的坐標(biāo)相對(duì)于當(dāng)前特征點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)坐標(biāo)的微分，獲取當(dāng)前特征點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)間的J2000坐標(biāo)系中的牽連速度矢量；(6)在J2000坐標(biāo)系下，計(jì)算當(dāng)前特征點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的坐標(biāo)相對(duì)于下一特征點(diǎn)在下一時(shí)間點(diǎn)坐標(biāo)的微分，獲取當(dāng)前特征點(diǎn)在J2000坐標(biāo)系中相對(duì)于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度矢量；(7)根據(jù)步驟(5)和步驟(6)的結(jié)果，利用速度的矢量合成獲得當(dāng)前特征點(diǎn)相對(duì)于衛(wèi)星在J2000坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)的總速度矢量；(8)在衛(wèi)星模型中建立CXD成像平面，通過投影獲取當(dāng)前特征點(diǎn)相對(duì)于衛(wèi)星在 J2000坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)的總速度矢量在衛(wèi)星CXD成像平面內(nèi)的投影矢量；(9)求取所述投影矢量與CCD線陣法線方向的夾角，即為當(dāng)前特征點(diǎn)的偏流修正角；(10)重復(fù)步驟(5) (9)，獲取所有特征點(diǎn)的偏流修正角。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明提出的姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)偏流修正角的仿真分析方法擺脫了傳統(tǒng)幾何分析方法中過多的對(duì)假設(shè)的依賴，方法中融合了高精度仿真、 空間矢量運(yùn)算和TDIC⑶遙感器成像幾何特性，克服現(xiàn)有方法分析精度的不足，獲得了實(shí)際攝影點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)矢量合成數(shù)據(jù)，將矢量在星上傳感器成像平面中投影，并進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際的 TDIC⑶器件的成像矢量方向，獲得了攝影時(shí)刻星上的偏流修正角。由于偏流修正角是星上非常關(guān)鍵的參數(shù)，其參數(shù)將直接關(guān)系到TDICCD遙感衛(wèi)星的成像質(zhì)量、圖像定位精度、相機(jī)成像空間指向精度等星地一體化指標(biāo)。因此本發(fā)明方法有效解決了對(duì)星上偏流角修正算法的高精度驗(yàn)證問題，為衛(wèi)星成像鏈路的地面測(cè)試驗(yàn)證補(bǔ)充了一個(gè)重要的手段。


圖1為本發(fā)明方法的流程圖；圖2為本發(fā)明衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)成像的仿真及視軸示意圖；圖3為本發(fā)明通過矢量合成獲取總速度巧示意圖；圖4為本發(fā)明衛(wèi)星CXD成像平面和總速度模型示意圖；圖5為本發(fā)明總速度投影和CXD法線方向衛(wèi)星模型示意圖6為本發(fā)明對(duì)不同側(cè)擺角的計(jì)算分析結(jié)果示意圖；圖7為本發(fā)明仿真分析與幾何分析結(jié)果對(duì)比示意圖。
具體實(shí)施例方式首先給出J2000慣性坐標(biāo)系的定義，同時(shí)對(duì)視軸和攝影點(diǎn)的概念進(jìn)行說明。J2000慣性坐標(biāo)系(0/7#》為一個(gè)慣性空間坐標(biāo)系，此坐標(biāo)系以地心為原點(diǎn)Oj, \軸正向指向世界協(xié)調(diào)時(shí)2000年1月1日12:00時(shí)測(cè)定的地球的平均春分點(diǎn)方向，^軸正向指向地球在世界協(xié)調(diào)時(shí)2000年1月1日12:00時(shí)測(cè)定的平均自轉(zhuǎn)軸北端，Yt軸與XT、Zj 軸垂直，Xj> Yj> Zj三軸形成右手坐標(biāo)系。視軸的定義就是傳感器視場(chǎng)的中軸，由于在成像仿真中很難對(duì)整個(gè)傳感器視場(chǎng)內(nèi)的全部成像目標(biāo)進(jìn)行分析，所以在視場(chǎng)相對(duì)較小的情況下一般都采用視軸線成像的分析來(lái)表征整個(gè)傳感器的成像性能。在進(jìn)行分析時(shí)，視軸指向地球表面的點(diǎn)就被稱為攝影點(diǎn)。對(duì)于一臺(tái)典型的以TDIC⑶相機(jī)為載荷的遙感衛(wèi)星，其偏流修正角的仿真分析方法如圖1所示，主要分為建立仿真模型、獲得視軸交點(diǎn)、獲取攝影點(diǎn)運(yùn)動(dòng)矢量、投影后計(jì)算獲得偏流修正角四個(gè)過程。下面就以N個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為一個(gè)仿真周期，At作為每個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的間隔，以此來(lái)對(duì)實(shí)施方式進(jìn)行說明。①建立仿真模型本步驟中使用了 STK作為仿真工具。打開STK軟件，新建衛(wèi)星，輸入軌道參數(shù)，包括歷元時(shí)間、半長(zhǎng)軸、偏心率、軌道傾角、近地點(diǎn)俯角、升交點(diǎn)精度、平近點(diǎn)角。選擇地球的J4 擾動(dòng)模型作為衛(wèi)星軌道的推演模型，并選擇EOPvl. 1作為地球模型的指向參數(shù)。在衛(wèi)星上新建傳感器，按照實(shí)際TDICXD的視場(chǎng)角對(duì)傳感器的視場(chǎng)進(jìn)行設(shè)定。打開衛(wèi)星的屬性，在姿態(tài)中，設(shè)置衛(wèi)星的姿態(tài)機(jī)動(dòng)參數(shù)，如果僅側(cè)擺機(jī)動(dòng)，則選擇“ECI velocity alignment with nadir constraint，，，在"Constraint，，中輸入側(cè)擺角度，如果同時(shí)有側(cè)擺和俯仰機(jī)動(dòng)，則選擇“Aligned and Constrained”，之后在“Aligned Vector”和 "Constrained Vector"中按照側(cè)擺和俯仰的先后順序分別輸入側(cè)擺角度和俯仰角度，完成姿態(tài)的設(shè)定。
②獲得視軸交點(diǎn)在仿真軟件中進(jìn)行衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)成像的仿真，如圖2所示，獲取星上傳感器視軸(圖2 中視場(chǎng)中央矢量)與地球模型地面的交點(diǎn)，在N個(gè)時(shí)間點(diǎn)的仿真周期內(nèi)獲取衛(wèi)星與地球模型地面交點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。在此記表示交點(diǎn)的數(shù)據(jù)為(Lat1,Ion1)，(Lat2, Ion2)，····，(LatN，lonN)，其中下標(biāo)標(biāo)示了獲得此交點(diǎn)經(jīng)緯度的時(shí)刻，第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生的交點(diǎn)的經(jīng)緯度為(Lati, Ioni)。③獲取攝影點(diǎn)運(yùn)動(dòng)矢量由于對(duì)于大多數(shù)仿真工具都是基于對(duì)象的，而對(duì)于衛(wèi)星的視軸與地面的交點(diǎn)不是一個(gè)對(duì)象，所以很難獲得其交點(diǎn)位置的詳細(xì)數(shù)據(jù)。因此為了獲取攝影點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)矢量，就必須要首先把攝影點(diǎn)(以視軸交點(diǎn)表征)對(duì)象化，利用②中獲得的交點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)在對(duì)應(yīng)位置建立特征點(diǎn)，并獲取所需要的坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息，具體操作如下依次對(duì)i = 1 N，在坐標(biāo)為(Lati, Ioni)的地表位置建立特征點(diǎn)，利用仿真工具 STK獲得此特征點(diǎn)在第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)和第i+Ι個(gè)時(shí)間點(diǎn)兩個(gè)時(shí)刻的J2000坐標(biāo)系下的坐標(biāo)數(shù)
5據(jù)，表示為
權(quán)利要求
1.遙感衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)偏流修正角的仿真分析方法，其特征在于步驟如下(1)使用仿真工具建立衛(wèi)星和星上傳感器，設(shè)置衛(wèi)星姿態(tài)和傳感器參數(shù)；(2)在所給定的時(shí)間周期內(nèi)獲取傳感器視軸與地球模型交點(diǎn)的經(jīng)緯度；(3)根據(jù)步驟( 獲取的經(jīng)緯度在地球模型上依次建立特征點(diǎn)；(4)獲取每個(gè)特征點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)和下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的J2000坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；(5)在J2000坐標(biāo)系下，計(jì)算當(dāng)前特征點(diǎn)在下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的坐標(biāo)相對(duì)于當(dāng)前特征點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)坐標(biāo)的微分，獲取當(dāng)前特征點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)間的J2000坐標(biāo)系中的牽連速度矢量；(6)在J2000坐標(biāo)系下，計(jì)算當(dāng)前特征點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的坐標(biāo)相對(duì)于下一特征點(diǎn)在下一時(shí)間點(diǎn)坐標(biāo)的微分，獲取當(dāng)前特征點(diǎn)在J2000坐標(biāo)系中相對(duì)于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度矢量；(7)根據(jù)步驟(5)和步驟(6)的結(jié)果，利用速度的矢量合成獲得當(dāng)前特征點(diǎn)相對(duì)于衛(wèi)星在J2000坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)的總速度矢量；(8)在衛(wèi)星模型中建立C⑶成像平面，通過投影獲取當(dāng)前特征點(diǎn)相對(duì)于衛(wèi)星在J2000坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)的總速度矢量在衛(wèi)星CCD成像平面內(nèi)的投影矢量；(9)求取所述投影矢量與CCD線陣法線方向的夾角，即為當(dāng)前特征點(diǎn)的偏流修正角；(10)重復(fù)步驟(5) (9)，獲取所有特征點(diǎn)的偏流修正角。
全文摘要
遙感衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)偏流修正角的仿真分析方法，使用仿真工具建立衛(wèi)星和星上傳感器，并在給定的時(shí)間周期內(nèi)獲取傳感器視軸與地球模型交點(diǎn)的經(jīng)緯度。根據(jù)經(jīng)緯度在地球模型上建立特征點(diǎn)，并獲取每個(gè)特征點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)和下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的J2000坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。在J2000坐標(biāo)系下，分別獲取當(dāng)前特征點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)間的J2000坐標(biāo)系中的牽連速度矢量，以及當(dāng)前特征點(diǎn)在J2000坐標(biāo)系中相對(duì)于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度矢量，并利用速度的矢量合成獲得當(dāng)前特征點(diǎn)相對(duì)于衛(wèi)星在J2000坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)的總速度矢量。在衛(wèi)星模型中建立CCD成像平面，通過投影獲取總速度矢量在衛(wèi)星CCD成像平面內(nèi)的投影，投影矢量與CCD線陣法線方向的夾角即為偏流修正角。
文檔編號(hào)G01C25/00GK102426025SQ201110240119
公開日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者朱興鴻, 王瑞, 陸春玲 申請(qǐng)人:航天東方紅衛(wèi)星有限公司