[發(fā)明專利]靜止衛(wèi)星成像導(dǎo)航與配準(zhǔn)的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710273855.5
• 申請(qǐng)日: 2017-04-24
• 公開（公告）號(hào): CN107292831A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 呂旺;董瑤海;宋效正;曾擎;王皓;信思博
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海衛(wèi)星工程研究所
• 主分類號(hào): G06T5/00
• 分類號(hào): G06T5/00;G06T7/30
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司31236
• 代理人: 郭國中

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種姿態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，具體地，涉及一種靜止衛(wèi)星成像導(dǎo)航與配準(zhǔn)的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)

在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中，需要定位區(qū)域性復(fù)雜天氣，跟蹤惡劣天氣發(fā)展趨勢(shì)并生成云圖動(dòng)畫。這需要圖像對(duì)應(yīng)的絕對(duì)地理位置定位準(zhǔn)確，相鄰圖像的相對(duì)位置關(guān)系配準(zhǔn)精確。成像導(dǎo)航配準(zhǔn)精度關(guān)系到天氣診斷、云圖分析、災(zāi)害監(jiān)測(cè)應(yīng)用的目標(biāo)識(shí)別，以及風(fēng)矢量等定量遙感產(chǎn)品的處理精度。但衛(wèi)星平臺(tái)和遙感儀器受到空間力學(xué)環(huán)境、熱環(huán)境變化等因素的影響，衛(wèi)星會(huì)存在軌道漂移和姿態(tài)指向偏差，儀器會(huì)產(chǎn)生幾何變形，影響遙感圖像的定位與配準(zhǔn)精度。“衛(wèi)星成像導(dǎo)航與配準(zhǔn)”技術(shù)可解決此類問題：衛(wèi)星對(duì)遙感儀器的二維掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)角度增量補(bǔ)償，將儀器觀測(cè)點(diǎn)在地表的移動(dòng)軌跡引導(dǎo)至預(yù)設(shè)路徑，從而實(shí)現(xiàn)成像導(dǎo)航，使遙感圖像配準(zhǔn)到地球標(biāo)稱網(wǎng)格(附圖1)。

當(dāng)前各國采用三軸穩(wěn)定姿控方式的靜止氣象衛(wèi)星主要包括：已經(jīng)發(fā)射入軌的有美國的靜止業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星(Geostationary Operational Environmental Satellite，縮寫為GOES)的GOES-I～M系列、GOES-NOP系列衛(wèi)星、俄羅斯的Electro-L、日本的Himawari-8。待發(fā)射的有美國的GOES-R衛(wèi)星、歐洲的第三代氣象衛(wèi)星(Meteosat Third Generation，縮寫為MTG)、中國的風(fēng)云四號(hào)(FY-4)衛(wèi)星。以上衛(wèi)星均對(duì)儀器指向精度提出了較高要求，主要體現(xiàn)在圖像導(dǎo)航與配準(zhǔn)指標(biāo)。美國GOSE-I～M衛(wèi)星的儀器視線指向誤差源，包括軌道和姿態(tài)漂移、衛(wèi)星熱變形、儀器伺服誤差、姿態(tài)控制系統(tǒng)噪聲、動(dòng)力學(xué)內(nèi)部作用等。Ahmed Kamel等人介紹了GOES-I～M系列衛(wèi)星的INR系統(tǒng)采用的圖像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)(IMCS)方案：地面應(yīng)用系統(tǒng)每天上注未來1天內(nèi)衛(wèi)星軌道、姿態(tài)和熱變形漂移參數(shù)，星上計(jì)算機(jī)根據(jù)上注參數(shù)和掃描反射機(jī)構(gòu)二維轉(zhuǎn)角實(shí)時(shí)計(jì)算圖像配準(zhǔn)補(bǔ)償信號(hào)并發(fā)送給掃描鏡的控制環(huán)路。圖像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償(IMC)算法根據(jù)衛(wèi)星長周期軌道遞推參數(shù)和儀器內(nèi)部變形預(yù)報(bào)模型，帶入當(dāng)前掃描鏡的掃描角AZ和步進(jìn)角EL位置，計(jì)算補(bǔ)償量ΔAZ和ΔEL。GOES-NOP系列衛(wèi)星圖像導(dǎo)航與配準(zhǔn)方面有較大改進(jìn)，基于Imager和星敏感器開發(fā)了“參數(shù)化系統(tǒng)誤差校正方法”(Parametric Systematic Error Correction，縮寫為ParSEC)，用于消除衛(wèi)星圖像的畸變和系統(tǒng)偏差。該方法將衛(wèi)星遙感儀器觀測(cè)恒星的數(shù)據(jù)、觀測(cè)地標(biāo)的數(shù)據(jù)、地面測(cè)距信息引入軌道姿態(tài)確定系統(tǒng)(Orbit and Attitude determination System，縮寫為OADS)，用迭代的方式獲取確定系數(shù)，而后帶入星上的補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。

美國在圖像導(dǎo)航與配準(zhǔn)方面的研究資料表明，在靜止氣象衛(wèi)星的工程應(yīng)用中，分析了儀器視線指向的主要影響因素但未根據(jù)誤差的不同類型進(jìn)行分類；采用了綜合的補(bǔ)償模型，將所有測(cè)量信息引入算法，輸出綜合補(bǔ)償量。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種靜止衛(wèi)星成像導(dǎo)航與配準(zhǔn)的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，其解決衛(wèi)星在軌運(yùn)行中受到空間環(huán)境的干擾而影響成像期間的視線指向誤差問題，本發(fā)明可使遙感衛(wèi)星在空間環(huán)境的干擾和影響下，通過補(bǔ)償可將儀器視線在地球表面的掃描路徑導(dǎo)航到預(yù)期位置，所成圖像與衛(wèi)星在標(biāo)稱理想情況生成的地球標(biāo)稱網(wǎng)格圖像一致，誤差控制在指標(biāo)范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種靜止衛(wèi)星成像導(dǎo)航與配準(zhǔn)的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：分析遙感儀器的掃描反射機(jī)構(gòu)光路，寫出從儀器成像系統(tǒng)視線到儀器出射視線的表達(dá)式；

步驟二：在遙感儀器掃描反射機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角上增加補(bǔ)償量，建立補(bǔ)償后的儀器出射實(shí)現(xiàn)表達(dá)式；

步驟三：衛(wèi)星零姿態(tài)儀器不補(bǔ)償時(shí)的遙感儀器出射視線應(yīng)與存在姿態(tài)運(yùn)動(dòng)并對(duì)掃描反射機(jī)構(gòu)增加補(bǔ)償量時(shí)的遙感儀器出射視線相等，據(jù)此建立等式，從而求解補(bǔ)償量的表達(dá)式；

步驟四：對(duì)補(bǔ)償量表達(dá)式進(jìn)行仿真校驗(yàn)，確保推導(dǎo)正確性。

優(yōu)選地，所述步驟二的補(bǔ)償量通過建立姿態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償計(jì)算模塊計(jì)算，以衛(wèi)星姿態(tài)確定信息和掃描鏡轉(zhuǎn)角位置為輸入，以能夠抵消姿態(tài)干擾的掃描鏡補(bǔ)償量為輸出。

優(yōu)選地，所述步驟三的等式在忽略姿態(tài)角二階小量的條件下求解，將補(bǔ)償量描述為衛(wèi)星姿態(tài)歐拉角和掃描鏡轉(zhuǎn)角為變量的函數(shù)表達(dá)式。