[發明專利]一種地球反射光校正的衛星姿態估計方法

有效

• 申請號: 202110619180.1
• 申請日: 2021-06-03
• 公開（公告）號: CN113361163B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 汪夏;黎吉順;張雅聲;徐燦;李智;方宇強;賀俊;李鵬舉;程文華;刁華飛
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍戰略支援部隊航天工程大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;B64G1/36
• 代理公司: 北京挺立專利事務所(普通合伙) 11265
• 代理人: 鄭杰

本發明提供了一種地球反射光校正的衛星姿態估計方法，包括：將地球表面按經緯度網格劃分為多個面元，篩選出有效面元；根據輻射照度與距離的平方成反比定律，計算太陽光可見光波段在各有效面元處的輻射照度，并根據朗伯反射原理計算出有效面元在目標衛星處的輻射照度；根據有效面元在目標衛星處產生的輻射照度，通過朗伯反射原理計算出以各個有效面元為光源時，目標衛星對探測器的輻射照度；將目標衛星對探測器的輻射照度相加得到以地球為光源時，目標衛星對探測器的輻射照度；從目標衛星處獲得實時的目標衛星對探測器的輻射照度減去以地球為光源時，目標衛星對探測器的輻射照度，得到了僅以太陽為光源時的衛星對探測器的輻射照度的校正觀測數據；使用無味卡爾曼濾波的方法對衛星進行姿態估計，得到地球反射光校正數據。本發明精確計算了地球反射光對衛星的照度，以及該條件下衛星的照度，基于此進行的衛星姿態估計，可以大大提高估計精度。

技術領域

本發明屬于光學特性識別技術領域，特別涉及地球反射光對中高軌衛星光學觀測影響的計算。

背景技術

地基光學觀測是獲取衛星特征信息的一種重要手段。太陽作為一個恒定光源，發出的輻射光線經過衛星表面的反射后進入探測器入瞳。根據入射光強度不變，結合光線傳遞的原理，衛星形狀、姿態和表面材質的不同均會造成探測器接收到的光學信息發生變化。因此，基于這一原理，通過獲取的衛星光度信息可以識別出衛星的形狀、大小、工作狀態等信息。然而現實觀測中存在太陽以外的其它雜散光源，導致探測器接收到的光信號是由衛星對多個角度的入射光反射得到的混合光。

目前已知的主要雜散光源為地球，地球是比較特殊的光源，地球不具備自身發光的能力，而是對太陽發出的光進行反射以此來照亮衛星。由于太陽在同一時刻內只能照亮地球的一半，因此，衛星接收到的間接太陽輻射光強度與太陽、地球、衛星的幾何位置關系有著密不可分的關系。

研究初期，基于地球較低的反照率，研究者們普遍認為它們對衛星光學觀測造成的影響可以忽略不計，因而只關注太陽的直接照射。但是隨著觀測技術的發展及研究的深入，一些不合理現象出現在了日常衛星觀測中，在對不同的衛星進行多相位的光學觀測后，發現它們的光度曲線在大相位角處的變化趨勢均趨于平緩，這說明在大相位角處，地球反射光對衛星光度的貢獻要大于太陽。另外，大多衛星形狀、材料不規則，導致探測器接收到的光信號對觀測幾何位置關系(光源、目標衛星、探測器的相對位置關系)極為敏感，往往需要同時考慮太陽、地球、衛星、探測器四者的相對位置關系。

近年來，人們已經逐漸意識到間接太陽輻射給衛星光學觀測帶來的不可忽視的影響。基于現有的天體反射模型，分析了地球反射光對衛星觀測的影響。但大多研究者們探究的目的在于驗證白天利用地球反射光進行衛星觀測的可行性。他們著重研究的是復合光線的譜形，僅對單一時刻或某幾個時刻下的目標反射光信號進行了分析。并且沒有詳細比較在不同時刻下地球反射光相對于直接太陽輻射照度的影響程度，對于可否忽略間接輻射沒有給出一個定量的標準。因此，在實際的應用中，未經校正的衛星觀測數據將導致衛星狀態估計精度降低。

發明內容

本發明提供了一種地球反射光校正的衛星姿態估計方法，解決了地球反射光的定量計算的技術問題以及對于傳統的基于光度數據的衛星姿態估計準確率較低的技術問題，本發明的目的在于對獲得的衛星觀測數據進行校正，消除地球反射光對衛星觀測數據的影響，從而提高衛星的姿態估計精度。在研究衛星的光學特性過程中，地球反射光的存在會改變探測器探測到的衛星的亮度，會對衛星特征分析過造成較大影響。本發明精確計算了地球反射光在不同時段影響的大小，基于計算結果對衛星觀測數據進行校正，通過無味卡爾曼濾波的方法進行姿態估計后，提高了估計精度。

為達到上述目的，本發明提供的一種地球反射光校正的衛星姿態估計方法，包括以下步驟：

步驟一：將地球表面按照經緯網格劃分為多個面元，計算面元面積；基于太陽、地球和目標衛星之間的遮擋關系篩選有效面元；

步驟二：根據輻射照度與距離的平方成反比定律，計算太陽可見光波段在各有效面元處的輻射照度，并根據朗伯反射原理計算有效面元在目標衛星處產生的輻射照度；