一种敏捷单线阵卫星的姿态精度提升方法与流程

1.本发明涉及一种敏捷单线阵卫星的姿态精度提升方法，适用于航天遥感卫星立体测绘相机的高精度定位工作。


背景技术：

2.测绘卫星提高无地面控制点的几何定位精度是目前国内外航天遥感领域研究的热点。随着国内外测绘卫星的飞速发展，测绘卫星的几何定位精度也从几十米提高到了十米级，然后想要进一步提升几何定位精度却面临着巨大的挑战。而对影像定位精度产生直接影响的是卫星的轨道和姿态精度，由于国内外轨道确定精度可达到亚米级，因此卫星的姿态处理精度成了提升几何定位精度的制约因素。测绘卫星通过采用星敏感器和陀螺测量，采用星敏和陀螺的组合方式定姿。受太阳光照射星上冷热交替的环境变化，以及星敏感器视角变化等因素的影响，星敏感器光轴与相机光轴之间的夹角会发生周期性变化，该变化可称之为姿态低频误差。
3.国内外专家学者提出了依据现有条件对低频误差的补偿措施。国外除了采用更高精度的星敏外，整星优化结构设计，以期减弱太阳照射对光学镜头的影响。国内王仁享院士依据俯仰和偏航方向角度变化对上下视差的影响，在天绘一号卫星上通过引入小面阵efp光束法平差技术，对低频误差的外方位元素进行改正，无控精度达到了1:5万的要求。金涛、李贞等提出采用异侧立体观测模式来降低高程误差，并采用高频姿态测量设备和夹角检测装置来满足高精度立体测绘。国内测绘卫星的主要目标是满足地面无控制点的情况下，不断提高绝对定位精度和测图比例尺达到1:10000的任务要求。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种敏捷单线阵卫星的姿态精度提升方法，解决单线阵测绘卫星姿态低频误差补偿问题，从而提升无控定位精度。
5.本发明的技术方案是：一种敏捷单线阵卫星的姿态精度提升方法，包括：
6.根据几何定位模型计算控制区域的几何定位误差；
7.通过影像几何定位模型进行低频误差模型参数解算；
8.根据低频误差模型参数得到低频随时间和纬度的变化规律，计算任意时刻姿态低频误差值；
9.根据得到的低频误差值，对单线阵摄影时刻的姿态值进行修正，消除星敏带来的低频误差，进而提高单线阵卫星的几何精度。
10.所述根据几何定位模型计算控制区域的几何定位误差具体为：
11.δx＝x-x0
12.δy＝y-y0
13.式中δx，δy为几何定位误差，(x,y)为根据几何定位模型计算控制点的地面坐标，(x0,y0)为其真实地理坐标。
14.所述通过影像几何定位模型进行低频误差模型参数解算，包括：通过控制区域的所有控制点的几何误差，直接求解多级傅里叶级数模型参数a0，b0，an，bn，ω0，具体为：
[0015][0016][0017]
式中(δx，δy)为几何定位误差，a0，b0为定标时刻的初始幅度，an，bn为低频波动的幅度，和ω0为初始相位；h为轨道高度，滚转角，ω俯仰角，n为傅里叶拟合级数，lat为摄影时刻对应的地面区域的纬度，t为两次定标的时间间隔，t为当前时间。
[0018]
所述傅里叶拟合级数n选择3-5级。
[0019]
所述根据低频误差模型参数得到低频随时间和纬度的变化规律，计算任意时刻姿态低频误差值，包括：
[0020][0021][0022]
式中为滚转角的低频误差，δω为俯仰角的低频误差，a0，b0为定标时刻求得的数值，an，bn为低频波动的幅度，n为傅里叶拟合级数，lat为摄影时刻对应的地面区域的纬度。t为两次定标的时间间隔，t为当前时间，和ω0为初始相位。
[0023]
所述根据得到的低频误差值，对单线阵摄影时刻的姿态值进行修正，具体为：
[0024][0025][0026]
其中为滚转角的低频误差，δω为俯仰角的低频误差，为低频误差计算得到的修正矩阵，为卫星本体到轨道的旋转矩阵，为测量得到的卫星本体到轨道的旋转矩阵。
[0027]
本发明与现有技术相比的优点为：目前现有技术是通过平差的方法进行卫星姿态低频误差的补偿，而本发明直接对卫星姿态低频误差进行建模，通过地面误差解算模型，直接计算低频误差的值，并进行修正。相比于传统方法，本发明是从新的思路出发进行卫星姿态的低频补偿，方法上更加简单和易操作，并且不受控制点的约束适用范围更广。
附图说明
[0028]
图1为姿态测量误差引起的地面偏差示意图。
[0029]
图2为本发明方法的流程图。
具体实施方式
[0030]
星敏测量误差分为在滚转角，俯仰角ω(pitch)和偏航角κ(yaw)三个角度的误差，引起线阵行在地面上的偏移误差如图1所示；
[0031]
卫星敏捷成像中，滚转角、俯仰角、偏航角不为0时，根据图1可以得到俯仰角δω引起x方向的误差为：
[0032][0033]
滚转角引起y方向的误差为：
[0034][0035]
偏航角δκ引起的像点偏移δx和δy为：
[0036][0037]
上式中：x为影像列数，由公式可知偏航角误差引起的像方误差与距离线阵中心的距离有关，通常δκ单位为角秒级，所以在小视场情况下偏航角误差对地面精度的影响可以忽略不计。因此下面主要研究滚转角误差和俯仰角误差δω的模型构建。
[0038]
敏捷单线阵测绘卫星单次定标后，短时间t内(两次定标时间之间)姿态数据沿不同纬度出现周期性变化，可以表示为多个周期性正弦函数的叠加，如下式所示：
[0039][0040][0041]
式中a0，b0为定标时刻求得的数值，an，bn为低频波动的幅度，和ω0为初始相位，n为傅里叶拟合级数，lat为摄影时刻对应的地面区域的纬度。
[0042]
因此可以得到滚转角误差和俯仰角误差δω与地面沿轨x和垂轨y方向的定位误差之间的关系：
[0043][0044][0045]
在控制点区域，通过几何定位模型计算出已知像点的地面坐标(x,y,z)，将其与对应的真实地理坐标(x0,y0,z0)进行计算得到几何定位误差(δx，δy)。通过大量控制点区域的分析，计算模型中的未知参数，完成单线阵卫星姿态误差模型的构建，该模型可以用于两次定标期间的滚转角和俯仰角的姿态修正。
[0046]
计算模型参数时需要注意以下几点：
[0047]
1)控制点区域在地面纬度上要能涵盖[-70
°
至70
°
]的范围，尽量均匀分布；
[0048]
2)每个控制点区域的检查点数量不少于50个；
[0049]
3)多级傅里叶拟合时，拟合级数需要调整，选取最优的拟合级数(3-5级之间都可以)
[0050]
最后通过低频误差模型，对卫星的姿态数据进行修正。设卫星本体到轨道的旋转矩阵为，姿态测量数据计算得到的卫星本体到轨道的旋转矩阵为，则真实的姿态矩阵和测量的姿态矩阵之间存在以下关系：
[0051][0052]
其中为姿态的修正矩阵，由滚转角误差和俯仰角误差δω计算得到，具体的计算方式如下：
[0053][0054]
如图2所示，本方案基于10条以上的500公里长条带、纬度跨度大、尽量覆盖高精度控制区域的原则进行低频误差模型建立。具体模型求解步骤如下：
[0055]
步骤一：根据几何定位模型计算控制点的地面坐标(x,y,z)，采用的计算公式如下：
[0056][0057]
式中[x,y,z]wgs84为像点对应的地面点坐标，[x,y,z]sat为卫星gps测的卫星位置，为j2000坐标系到wgs84坐标系的转换矩阵，通过岁差、章动、极移、地球自转等一系列的改正后得到；是卫星本体坐标系到j2000坐标系的转换矩阵，通过星敏和陀螺测量的姿态数据进行联合定姿得到；为卫星线阵相机到卫星本体的安装矩阵，在卫星出厂时给出。
[0058]
根据上式得到的(x,y,z)，将其与对应的真实地理坐标(x0,y0,z0)进行计算得到几何定位误差(δx，δy)。
[0059]
δx＝x-x0
[0060]
δy＝y-y0
[0061]
中国区域的控制点可以采用全国高精度控制影像得到，国外区域的可以采用谷歌影像作为控制。
[0062]
步骤二：对每个控制点区域进行姿态低频傅里叶多级模型解算，采用的计算公式如下：
[0063][0064]
[0065]
步骤三：根据低频姿态误差模型，计算所需的摄影时刻的滚转角误差和俯仰角误差δω，采用的计算公式如下：
[0066][0067][0068]
其中lat是摄影时刻的卫星对应的地面纬度，t是以定标时刻为起点的时间序列。
[0069]
步骤四：根据滚转角误差和俯仰角误差δω计算姿态的修正量，采用的计算公式如下：
[0070][0071]
将修正量用来修正卫星本体到轨道的转换矩阵：
[0072][0073]
其中为卫星本体到轨道的旋转矩阵，为测量得到的卫星本体到轨道的旋转矩阵。
[0074]
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。

技术特征：
1.一种敏捷单线阵卫星的姿态精度提升方法，其特征在于，包括：根据几何定位模型计算控制区域的几何定位误差；通过影像几何定位模型进行低频误差模型参数解算；根据低频误差模型参数得到低频随时间和纬度的变化规律，计算任意时刻姿态低频误差值；根据得到的低频误差值，对单线阵摄影时刻的姿态值进行修正，消除星敏带来的低频误差，进而提高单线阵卫星的几何精度。2.根据权利要求1所述的一种敏捷单线阵卫星的姿态精度提升方法，其特征在于，所述根据几何定位模型计算控制区域的几何定位误差具体为：δx＝x-x0δy＝y-y0式中δx，δy为几何定位误差，(x,y)为根据几何定位模型计算控制点的地面坐标，(x0,y0)为其真实地理坐标。3.根据权利要求2所述的一种敏捷单线阵卫星的姿态精度提升方法，其特征在于，所述通过影像几何定位模型进行低频误差模型参数解算，包括：通过控制区域的所有控制点的几何误差，直接求解多级傅里叶级数模型参数a0，b0，a
n
，b
n
，ω0，具体为：，具体为：式中(δx，δy)为几何定位误差，a0，b0为定标时刻的初始幅度，a
n
，b
n
为低频波动的幅度，和ω0为初始相位；h为轨道高度，滚转角，ω俯仰角，n为傅里叶拟合级数，lat为摄影时刻对应的地面区域的纬度，t为两次定标的时间间隔，t为当前时间。4.根据权利要求3所述的一种敏捷单线阵卫星的姿态精度提升方法，其特征在于，所述傅里叶拟合级数n选择3-5级。5.根据权利要求3所述的一种敏捷单线阵卫星的姿态精度提升方法，其特征在于，所述根据低频误差模型参数得到低频随时间和纬度的变化规律，计算任意时刻姿态低频误差值，包括：值，包括：式中为滚转角的低频误差，δω为俯仰角的低频误差，a0，b0为定标时刻求得的数值，a
n
，b
n
为低频波动的幅度，n为傅里叶拟合级数，lat为摄影时刻对应的地面区域的纬度。t为两次定标的时间间隔，t为当前时间，和ω0为初始相位。6.根据权利要求5所述的一种敏捷单线阵卫星的姿态精度提升方法，其特征在于，所述根据得到的低频误差值，对单线阵摄影时刻的姿态值进行修正，具体为：
其中为滚转角的低频误差，δω为俯仰角的低频误差，为低频误差计算得到的修正矩阵，为卫星本体到轨道的旋转矩阵，为测量得到的卫星本体到轨道的旋转矩阵。

技术总结
本发明一种敏捷单线阵卫星的姿态精度提升方法，包括：根据几何定位模型计算控制区域的几何定位误差；通过影像几何定位模型进行低频误差模型参数解算；根据低频误差模型参数得到低频随时间和纬度的变化规律，计算任意时刻姿态低频误差值；根据得到的低频误差值，对单线阵摄影时刻的姿态值进行修正，消除星敏带来的低频误差，进而提高单线阵卫星的几何精度。进而提高单线阵卫星的几何精度。进而提高单线阵卫星的几何精度。


技术研发人员：贺誉 宋学忠 常露 李国新
受保护的技术使用者：航天恒星科技有限公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/22