本發(fā)明涉及衛(wèi)星光軸指向技術(shù)，具體涉及基于高精度姿態(tài)信息的相機(jī)光軸指向計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

近年來航天光學(xué)遙感技術(shù)獲得了巨大的發(fā)展，為了使遙感儀器既具有高的地面分辨率，又有大的觀測(cè)范圍，往往采用運(yùn)動(dòng)掃描鏡來使遙感相機(jī)能夠?qū)Σ煌恢玫牡孛婺繕?biāo)進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)。

美國(guó)GOES－I/M衛(wèi)星上所安裝的掃描成像器IMAGER采用擺鏡東西掃描方式。美國(guó)Landsat-4，5衛(wèi)星上的TM(主體測(cè)繪儀)是擺掃式的多光譜掃描輻射計(jì)。法國(guó)SPOT-5衛(wèi)星上的HRG(高分辨率幾何)相機(jī)利用指向鏡機(jī)構(gòu)獲得傾斜視角觀測(cè)能力，最大側(cè)視角度為27°。我國(guó)第一代極軌氣象衛(wèi)星FY-1(風(fēng)云一號(hào))攜帶的掃描輻射計(jì)采用了45°旋轉(zhuǎn)反射鏡掃描方式。中巴地球資源衛(wèi)星(CBERS)攜帶的紅外多光譜掃描儀(IRMSS)也采用了擺動(dòng)掃描鏡掃描方式，提高了掃描效率。

但同時(shí)掃描鏡的使用也給遙感相機(jī)的成像過程帶來了一些新的影響，受地球軌道熱變形、平臺(tái)控制誤差和掃描機(jī)構(gòu)指向偏差等因素的影響，相機(jī)的高精度光軸指向信息通常難以精確獲得，因此如何利用已有的信息高效的獲取光軸指向是本發(fā)明亟需解決的一個(gè)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提出一種基于高精度姿態(tài)信息的相機(jī)光軸指向計(jì)算方法，能夠簡(jiǎn)單有效地獲取相機(jī)的光軸指向，提高衛(wèi)星的成像能力。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供了一種基于高精度姿態(tài)信息的相機(jī)光軸指向計(jì)算方法，通過以下各步驟實(shí)現(xiàn)，各步驟中計(jì)算時(shí)刻均以相機(jī)曝光時(shí)刻為基準(zhǔn)點(diǎn)：

1)計(jì)算掃描相機(jī)光軸在衛(wèi)星本體系下的指向

計(jì)算時(shí)，由衛(wèi)星下傳中相機(jī)的曝光時(shí)間和轉(zhuǎn)角測(cè)量信息得到相機(jī)光軸指向，同時(shí)計(jì)算過程中考慮相機(jī)的初始安裝偏差角。

2)計(jì)算衛(wèi)星本體坐標(biāo)系相對(duì)軌道坐標(biāo)系{o}的轉(zhuǎn)換矩陣A_bo；

計(jì)算時(shí)，由衛(wèi)星下傳的星上時(shí)間和控制系統(tǒng)獲取的高精度姿態(tài)測(cè)量信息得到。為此，通過星敏感器與陀螺組合的聯(lián)合高精度姿態(tài)確定方法，獲得高精度的姿態(tài)角度及姿態(tài)角速度信息；同時(shí)考慮到相機(jī)曝光時(shí)刻與星上控制系統(tǒng)計(jì)算的姿態(tài)時(shí)間有偏差，通過將姿態(tài)角和角速度進(jìn)行遞推的方式以補(bǔ)償曝光時(shí)間差。

3)計(jì)算相機(jī)光軸在軌道坐標(biāo)系下的指向由1)和2)計(jì)算得到的和A_bo，求得

4)計(jì)算衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系{o}相對(duì)地心慣性坐標(biāo)系{i}的轉(zhuǎn)換矩陣A_oi；

由地面測(cè)控的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)信息，得到相機(jī)曝光時(shí)刻的衛(wèi)星位置和速度矢量計(jì)算軌道系與地心慣性系之間的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣。

5)計(jì)算相機(jī)光軸在地心慣性坐標(biāo)系{i}的指向由3)和4)計(jì)算得到的和A_oi，求得

6)計(jì)算地心慣性坐標(biāo)系{i}相對(duì)于地固系的轉(zhuǎn)換矩陣(HG)；

計(jì)算時(shí)，根據(jù)IAU2000規(guī)范考慮章動(dòng)、歲差、自轉(zhuǎn)幾方面的影響，將J2000坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地球固連坐標(biāo)系WGS-84。

7)計(jì)算相機(jī)光軸在地固系下的指向由5)和6)計(jì)算得到的和(HG)，求得

與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：

1)利用星上已有的相機(jī)曝光時(shí)間、轉(zhuǎn)角測(cè)量信息、高精度姿態(tài)信息再結(jié)合地面的軌道信息、地固系信息通過算法簡(jiǎn)單有效的獲取相機(jī)的光軸指向；

2)計(jì)算的方法可由地面實(shí)時(shí)的計(jì)算并修正光軸指向，也可預(yù)先將地面的軌道、地固系信息保存于星上由星上實(shí)時(shí)自主計(jì)算并修正光軸指向，通過簡(jiǎn)單的計(jì)算方式，即可提高衛(wèi)星的成像能力。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖所作的對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的一種基于高精度姿態(tài)信息的相機(jī)光軸指向計(jì)算方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

參見示出本發(fā)明實(shí)施例的附圖，下文將更詳細(xì)地描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以以許多不同形式實(shí)現(xiàn)，并且不應(yīng)解釋為受在此提出之實(shí)施例的限制。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種基于高精度姿態(tài)信息的相機(jī)光軸指向計(jì)算方法，包含以下過程：

1.計(jì)算掃描相機(jī)光軸在衛(wèi)星本體系下的指向

用相機(jī)探測(cè)器中心點(diǎn)r_sm為信號(hào)的輸入，通過推導(dǎo)r_sm經(jīng)過掃描轉(zhuǎn)動(dòng)，得到在相機(jī)主體坐標(biāo)系(與測(cè)量坐標(biāo)系一致)下的輸出光線r_xj，用r_xj來描述相機(jī)轉(zhuǎn)角測(cè)量信息與光軸指向之間的關(guān)系：

r_sm＝(0 0 1)^T

r_xj＝A_zd^T·R_x(α_xj)^T·N_z·R_x(α_xj)·A_zd·r_sm

其中，A_zd為相機(jī)成像測(cè)量坐標(biāo)系到相機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，α_xj為繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，R_x表示繞x軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣，N_z為相機(jī)掃描的極性矩陣。

在衛(wèi)星總裝過程中，相機(jī)的安裝等會(huì)引起相機(jī)基準(zhǔn)值與理論值不一致，通過安裝測(cè)量確定基準(zhǔn)偏差矩陣ΔA_sm，則在下的實(shí)際指向?yàn)椋?/p>

$r_{xj}^b={\mathrm{\ΔA}}_{sm}{r}_{xj}$

2.計(jì)算衛(wèi)星本體坐標(biāo)系相對(duì)軌道坐標(biāo)系{o}的轉(zhuǎn)換矩陣A_bo

通過星敏感器與陀螺組合的聯(lián)合高精度姿態(tài)確定方法，獲得高精度的姿態(tài)角度及姿態(tài)角速度信息，考慮到相機(jī)曝光時(shí)刻與星上控制系統(tǒng)計(jì)算的姿態(tài)時(shí)間有偏差，通過將姿態(tài)角和角速度進(jìn)行遞推的方式以補(bǔ)償曝光時(shí)間差，以滾動(dòng)軸為例：

其中，表示t_k時(shí)刻的滾動(dòng)角度，表示t_k時(shí)刻的滾動(dòng)角速度；k為序列。

通過以上方式，可得到分別表示滾動(dòng)角度、俯仰角度、偏航角度，則衛(wèi)星本體在軌道系下的方向余弦陣可以表示為：

R_y表示繞y軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣，R_z表示繞z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣。

3.計(jì)算相機(jī)光軸在軌道坐標(biāo)系下的指向

由步驟1和步驟2，可以得到相機(jī)在軌道系下的光軸指向：

$r_{xj}^o=A_{bo}^T{r}_{xj}^b$

4.計(jì)算衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系{o}相對(duì)地心慣性坐標(biāo)系{i}的轉(zhuǎn)換矩陣A_oi

相機(jī)曝光時(shí)刻t_xj時(shí)候，衛(wèi)星的位置r＝(r_x,r_y,r_z)^T和速度v＝(v_x,v_y,v_z)^T，根據(jù)位置和速度矢量計(jì)算姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣：

$A_{oi}\left(3\right)=-\frac{r}{\left|r\right|}$

$A_{oi}\left(2\right)=-\frac{r\×v}{|r\×v|}$

A_oi(1)＝A_oi(2)×A_oi(3)

A_oi＝[A_oi(1) A_oi(2) A_oi(3)]^T

5.計(jì)算相機(jī)光軸在地心慣性坐標(biāo)系{i}的指向

由步驟3和步驟4，可以得到相機(jī)在地心慣性系下的光軸指向：

$r_{xj}^i=A_{oi}^T{r}_{xj}^o=A_{oi}^T{A}_{bo}^T{r}_{xj}^b$

6.計(jì)算地心慣性坐標(biāo)系{i}相對(duì)于地固系的轉(zhuǎn)換矩陣(HG)

從地固系的定義可知，地固系與平極相關(guān)，而歷元J2000慣性系只與歷元時(shí)間的平赤道和黃道相關(guān)。在考慮地固系與慣性系之間的關(guān)系時(shí)，需要從以下幾方面考慮：

1、瞬時(shí)天極相對(duì)于慣性系(J2000)的變化；

2、瞬時(shí)天極的自轉(zhuǎn)。

1)瞬時(shí)天極相對(duì)慣性系(J2000)的變化

由于日、月對(duì)地球非球形部分的引力作用，地球自轉(zhuǎn)軸在空間擺動(dòng)，使得瞬時(shí)天極相對(duì)于慣性系存在變化，主要為歲差、章動(dòng)。

由標(biāo)準(zhǔn)歷元J2000.0到計(jì)算歷元的平赤道坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換的三個(gè)赤道歲差參數(shù)ζ_A,z_A,θ_A，可得到歲差矩陣表示為：

(PR)＝R_z(-z_A)R_y(θ_A)R_z(-ζ_A)

由IAU2000章動(dòng)模型的黃經(jīng)章動(dòng)Δψ、交角章動(dòng)Δε、瞬時(shí)平赤道面與黃道面的交角ε_A，可得到章動(dòng)矩陣：

(NR)＝R_x(-Δε)R_y(Δθ)R_z(-Δμ)

其中Δμ＝Δψcosε_A,Δθ＝Δψsinε_A是赤經(jīng)和赤緯章動(dòng)。

2)瞬時(shí)天極的自轉(zhuǎn)

地球自轉(zhuǎn)矩陣ER(t)的計(jì)算涉及到時(shí)刻t的格林尼治真恒星時(shí)GAST，即

(ER)＝R_z(GAST)

綜上所示，地心慣性坐標(biāo)系(J2000)與地固系(WGS84)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以表述為如下關(guān)系：

(HG)＝(ER)(NR)(PR)

7.計(jì)算相機(jī)光軸在地固系下的指向

由步驟5和步驟6，可以得到相機(jī)在地固系下的光軸指向：

$r_{xj}^e=\left(HG\right)r_{xj}^i=\left(HG\right)A_{oi}^T{r}_{xj}^o=\left(HG\right)A_{oi}^T{A}_{bo}^T{r}_{xj}^b$

本發(fā)明所示基于高精度姿態(tài)信息的相機(jī)光軸指向計(jì)算方法，在不增加多余信息、多余工作工況的情況下，利用星上已有的相機(jī)曝光時(shí)間、轉(zhuǎn)角測(cè)量信息、高精度姿態(tài)信息再結(jié)合地面的軌道信息、地固系信息通過算法簡(jiǎn)單有效的獲取相機(jī)的光軸指向。計(jì)算的方法可由地面實(shí)時(shí)的計(jì)算并修正光軸指向，也可預(yù)先將地面的軌道、地固系信息保存于星上由星上實(shí)時(shí)自主計(jì)算并修正光軸指向，通過簡(jiǎn)單的計(jì)算方式，即可提高衛(wèi)星的成像能力。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。