本發(fā)明涉及一種成像導(dǎo)航與配準方法，具體地，涉及一種靜止衛(wèi)星在軌實時成像導(dǎo)航與配準方法。

背景技術(shù)：

在數(shù)值天氣預(yù)報中，需要定位區(qū)域性復(fù)雜天氣，跟蹤惡劣天氣發(fā)展趨勢并生成云圖動畫。這需要圖像對應(yīng)的絕對地理位置定位準確，相鄰圖像的相對位置關(guān)系配準精確。成像導(dǎo)航配準精度關(guān)系到天氣診斷、云圖分析、災(zāi)害監(jiān)測應(yīng)用的目標識別，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)星會存在軌道漂移和姿態(tài)指向偏差，儀器會產(chǎn)生幾何變形，影響遙感圖像的定位與配準精度?！靶l(wèi)星成像導(dǎo)航與配準”技術(shù)可解決此類問題：衛(wèi)星對遙感儀器的二維掃描機構(gòu)進行實時角度增量補償，將儀器觀測點在地表的移動軌跡引導(dǎo)至預(yù)設(shè)路徑，從而實現(xiàn)成像導(dǎo)航，使遙感圖像配準到地球標稱網(wǎng)格。

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(geostationaryoperationalenvironmentalsatellite，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(meteosatthirdgeneration，縮寫為mtg)、中國的風(fēng)云四號(fy-4)衛(wèi)星。以上衛(wèi)星均對儀器指向精度提出了較高要求，主要體現(xiàn)在圖像導(dǎo)航與配準指標。文獻“jlfiorellojr,ihoh,kakelly,etal.goesi/mimagenavigationandregistration[r].1989”指出了美國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、動力學(xué)內(nèi)部作用等。ahmedkamel等人介紹了goes-i～m系列衛(wèi)星的inr系統(tǒng)采用的圖像運動補償系統(tǒng)(imcs)方案：地面應(yīng)用系統(tǒng)每天上注未來一天內(nèi)衛(wèi)星軌道、姿態(tài)和熱變形漂移參數(shù)，星上計算機根據(jù)上注參數(shù)和掃描反射機構(gòu)二維轉(zhuǎn)角實時計算圖像配準補償信號并發(fā)送給掃描鏡的控制環(huán)路。圖像運動補償(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)報模型，帶入當(dāng)前掃描鏡的掃描角az和步進角el位置，計算補償量δaz和δel。goes-nop系列衛(wèi)星圖像導(dǎo)航與配準方面有較大改進，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”(parametricsystematicerrorcorrection，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)星遙感儀器觀測恒星的數(shù)據(jù)、觀測地標的數(shù)據(jù)、地面測距信息引入軌道姿態(tài)確定系統(tǒng)(orbitandattitudedeterminationsystem，縮寫為oads)，用迭代的方式獲取確定系數(shù)，而后帶入星上的補償系統(tǒng)進行計算。

美國在圖像導(dǎo)航與配準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)誤差的不同類型進行分類；采用了綜合的補償模型，將所有測量信息引入算法，輸出綜合補償量；在星上計算機或載荷計算機進行計算，沒有采用獨立計算模塊。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(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)星在軌實時成像導(dǎo)航與配準方法，其使遙感衛(wèi)星在空間環(huán)境的干擾和影響下，通過補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)星在標稱理想情況生成的地球標稱網(wǎng)格圖像一致，誤差控制在指標范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供種靜止衛(wèi)星在軌實時成像導(dǎo)航與配準方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：分析影響遙感衛(wèi)星視線指向精度的誤差來源，將誤差來源分為隨機誤差和系統(tǒng)誤差；所述的隨機誤差是指能夠?qū)Τ上駥?dǎo)航與配準產(chǎn)生干擾的測量設(shè)備隨機誤差、時間系統(tǒng)誤差等；所述的系統(tǒng)誤差包含已定系統(tǒng)誤差和未定系統(tǒng)誤差，須確定已定系統(tǒng)誤差對成像導(dǎo)航與配準的干擾傳遞關(guān)系；

步驟二：針對已定系統(tǒng)誤差中的平臺姿態(tài)指向偏差、衛(wèi)星軌道漂移和熱變形設(shè)置三個補償計算模塊，分別以姿態(tài)測量數(shù)據(jù)、軌道遞推數(shù)據(jù)和熱變形辨識參數(shù)作為輸入計算遙感儀器補償量，輸出結(jié)果分別為姿態(tài)、軌道、熱變形補償量；所述的遙感儀器補償量是在靜止衛(wèi)星成像儀二維掃描運動機構(gòu)的掃描鏡原有轉(zhuǎn)角的基礎(chǔ)上增加一定角度；

步驟三：衛(wèi)星上設(shè)置成像導(dǎo)航與配準專用的計算單元，按照與遙感儀器掃描反射伺服控制系統(tǒng)的乃奎斯特頻率相同的頻率實時進行三個模塊的計算；所述的成像導(dǎo)航與配準專用的計算單元裝載于星載計算機系統(tǒng)，具有運算功能，具有與星載姿軌控計算模塊、遙感儀器等相關(guān)單機的通訊接口；

步驟四：星上成像導(dǎo)航與配準單元將三個補償模塊的計算結(jié)果加和作為總補償量，發(fā)送給遙感儀器掃描伺服機構(gòu)的上位機，遙感儀器將補償角度與原有的目標角度相加后作為新的目標角度引入伺服控制系統(tǒng)，完成實時補償；所述的實時補償是指提前計算補償量，在遙感儀器掃描伺服控制系統(tǒng)向電機發(fā)出控制指令之前將補償量加入控制系統(tǒng)輸入環(huán)節(jié)。

優(yōu)選地，所述步驟二中，衛(wèi)星零姿態(tài)儀器不補償時遙感儀器的出射視線應(yīng)與存在姿態(tài)運動并對掃描反射機構(gòu)增加補償量時的遙感儀器出射視線相等，據(jù)此建立等式，在忽略姿態(tài)角二階小量的條件下求解姿態(tài)補償量的表達式。

優(yōu)選地，所述步驟二中，根據(jù)衛(wèi)星實際軌道參數(shù)計算當(dāng)前指向預(yù)期成像目標點時遙感儀器掃描鏡所需的轉(zhuǎn)角，其與輸入的掃描鏡轉(zhuǎn)角之差作為為軌道運動補償量。

優(yōu)選地，所述步驟一對于隨機誤差，通過提高系統(tǒng)或產(chǎn)品的性能指標降低其對儀器實現(xiàn)指向精度的干擾。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：本發(fā)明可用于靜止氣象衛(wèi)星研制和應(yīng)用，與美國和歐洲等國家研制的靜止氣象衛(wèi)星采用的綜合計算圖像補償?shù)姆椒ㄏ啾龋景l(fā)明所采用的分布補償方法將復(fù)雜的綜合問題解耦成三個相對簡單的獨立模塊，每個模塊有輸入和輸出，在獨立的計算模塊中運行，從而在保證精度的條件下可以降低項目研發(fā)的難度和設(shè)計成本，更適合工程應(yīng)用。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為靜止遙感衛(wèi)星成像導(dǎo)航與配準原理示意圖；

圖2為影響靜止遙感衛(wèi)星視線指向的誤差干擾源分析示意圖；

圖3為成像導(dǎo)航與配準星上補償原理示意圖。

圖4為姿態(tài)運動補償方的原理圖。

圖5為衛(wèi)星處于標稱定點位置的原理圖。

圖6為衛(wèi)星實際位置存在軌道漂移的原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明靜止衛(wèi)星在軌實時成像導(dǎo)航與配準方法包括以下步驟：

步驟一：分析影響遙感衛(wèi)星視線指向精度的誤差來源，將誤差來源分為隨機誤差和系統(tǒng)誤差。對于隨機誤差和未定系統(tǒng)誤差，通過提高系統(tǒng)或產(chǎn)品的性能指標降低其對儀器實現(xiàn)指向精度的干擾。

步驟二：將已定系統(tǒng)誤差分為姿態(tài)偏差、軌道漂移和熱變形三個部分，設(shè)置三個計算模塊，分別以姿態(tài)測量數(shù)據(jù)、軌道測量數(shù)據(jù)和熱變形辨識參數(shù)作為輸入計算補償量，輸出結(jié)果分別為姿態(tài)、軌道、熱變形補償量。

步驟三：衛(wèi)星上設(shè)置成像導(dǎo)航與配準專用的計算單元，按照與遙感儀器掃描反射伺服控制系統(tǒng)的乃奎斯特頻率相同的頻率實時進行三個模塊的計算。

步驟四：星上成像導(dǎo)航與配準單元將三個補償模塊的計算結(jié)果加和作為總補償量，發(fā)送給遙感儀器掃描反射伺服機構(gòu)的上位機，遙感儀器將補償角度與原有的目標角度相加后作為新的目標角度引入伺服控制系統(tǒng)，完成實時補償。

所述步驟二中，衛(wèi)星零姿態(tài)儀器不補償時遙感儀器的出射視線應(yīng)與存在姿態(tài)運動并對掃描反射機構(gòu)增加補償量時的遙感儀器出射視線相等，據(jù)此建立等式，在忽略姿態(tài)角二階小量的條件下求解姿態(tài)補償量的表達式。

所述步驟二中，根據(jù)衛(wèi)星實際軌道參數(shù)計算當(dāng)前指向預(yù)期成像目標點時遙感儀器掃描鏡所需的轉(zhuǎn)角，其與輸入的掃描鏡轉(zhuǎn)角之差作為為軌道運動補償量。

如圖1至圖6所示，本發(fā)明靜止衛(wèi)星在軌實時成像導(dǎo)航與配準方法采用地球標稱網(wǎng)格1、地球圓盤2、地球靜止軌道3、靜止衛(wèi)星4、儀器視線5。

下面結(jié)合具體情況進行說明：

一，成像導(dǎo)航與配準誤差源分析

在軌運行時，衛(wèi)星理想的遙感條件很難滿足，星上遙感儀器成像過程中，會受到各種擾動的影響。將儀器視線指向目標定位誤差按照誤差特性分類如下：

隨機誤差包括：軌道確定誤差的隨機部分、姿態(tài)確定誤差的隨機部分等。

未定系統(tǒng)誤差包括：掃描鏡轉(zhuǎn)角測量誤差、掃描伺服控制誤差等。

已定系統(tǒng)誤差包括：衛(wèi)星姿態(tài)運動、衛(wèi)星軌道漂移衛(wèi)星平臺熱變形、儀器光路變形、姿態(tài)確定長周期誤差等。

其中，隨機誤差和未定系統(tǒng)誤差是無法直接補償?shù)?，只能通過提高產(chǎn)品和系統(tǒng)性能降低誤差；已定系統(tǒng)誤差中，可直接測量的軌道、姿態(tài)偏差可在星上計算補償量，通過星上實時補償?shù)姆绞綄φ`差進行抵消；已定系統(tǒng)誤差中，不可直接測量的在軌熱變形，可建立等效的光路模型，通過在軌觀測恒星或地標的方式對等效變形參數(shù)進行辨識，星上利用辨識參數(shù)進行實時補償(圖2)。二，分成三個補償模塊

對于影響衛(wèi)星視線指向的三種主要因素分別設(shè)置補償模塊：姿態(tài)運動補償模塊以掃描鏡轉(zhuǎn)角和衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)計算的衛(wèi)星當(dāng)前姿態(tài)作為輸入，通過內(nèi)部計算得到姿態(tài)運動補償量，可抵消衛(wèi)星姿態(tài)運動對視線指向的影響；軌道運動補償模塊以掃描鏡轉(zhuǎn)角和衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)計算的衛(wèi)星當(dāng)前軌道作為輸入，通過內(nèi)部計算得到軌道運動補償量，可抵消衛(wèi)星軌道漂移對視線指向的影響；熱變形運動補償模塊以掃描鏡轉(zhuǎn)角和地面上注的熱變形等效參數(shù)作為輸入，通過內(nèi)部計算得到熱變形運動補償量，可抵消衛(wèi)星平臺和載荷由于熱變形運動對視線指向的影響。

姿態(tài)運動補償算法的具體內(nèi)容如下：

風(fēng)云四號衛(wèi)星的成像儀是主載荷之一，通過兩面正交的反射鏡往復(fù)掃描對地成像(圖1)。成像儀內(nèi)部掃描反射機構(gòu)光路示意圖見圖2，包含成像系統(tǒng)、東西鏡a1和南北鏡a2。成像系統(tǒng)視線從成像系統(tǒng)光學(xué)中心發(fā)出，經(jīng)過東西鏡和南北鏡反射后穿過遮光罩a3指向觀測目標4。定義東西鏡、南北鏡轉(zhuǎn)角分別為ε和η，如圖2所示的當(dāng)反射鏡與本體系坐標軸成45°夾角時為零位。則成像系統(tǒng)出射光線r到中間反射光線q的變換關(guān)系為如下式(1)：

其中，cz為繞z軸旋轉(zhuǎn)的坐標轉(zhuǎn)換方向余弦矩陣。

中間反射光線q到儀器指向目標的出射光線p的變換關(guān)系為如下式(2)：

其中，cx為繞x軸旋轉(zhuǎn)的坐標轉(zhuǎn)換方向余弦矩陣。

在姿態(tài)運動補償研究中，以成像系統(tǒng)的主光軸為研究對象，則將成像系統(tǒng)出射光線r取如下式(3)：

帶入前兩式得到儀器出射視線矢量在本體系的投影分量的表達式為如下式(4)：

分別在東西鏡和南北鏡原有轉(zhuǎn)角的基礎(chǔ)上增加補償量δε和δη，則補償后的儀器出射視線矢量在本體系的投影分量表達式應(yīng)為如下式(5)：

當(dāng)存在衛(wèi)星姿態(tài)偏差時，姿態(tài)參考系到本體系的轉(zhuǎn)換矩陣可小量化描述為如下式(6)：

其中，θ、ψ為衛(wèi)星姿態(tài)歐拉角。

在姿態(tài)參考系下，衛(wèi)星0姿態(tài)且儀器不補償時的儀器視線指向應(yīng)與衛(wèi)星存在姿態(tài)且儀器增加補償?shù)膬x器視線指向相等，由此建立等式為如下式(7)：

將式(4)式(5)和式(6)帶入等式，在忽略姿態(tài)角的二階小量情況下求解姿態(tài)運動補償量表達式為如下式(8)：

軌道運動補償算法的具體內(nèi)容如下：

一，地面期望目標點位置坐標計算

根據(jù)成像儀光路特性，在不考慮儀器熱變形和衛(wèi)星姿態(tài)偏差的情況下，當(dāng)東西鏡轉(zhuǎn)角為ε，南北鏡轉(zhuǎn)角為η時，成像儀出射視線單位矢量在地固系的分量為如下式(9)：

其中，afr為衛(wèi)星姿態(tài)參考坐標系到地固系的坐標轉(zhuǎn)換矩陣，是當(dāng)前時間和靜止衛(wèi)星定點地理經(jīng)度的函數(shù)。

將成像儀視線上任意點在地固系中的坐標reg用空間直線方程描述為如下式(10)：

將地球表面考慮為橢球，則地固系下衛(wèi)星表面任意點滿足方程，如下式(11)：

其中，地球半長軸ae＝6378.137，地球半短軸be＝6356.75231424518，根據(jù)地球wgs84橢球模型確定，xoy面為赤道面。將式(2)帶入式(3)可建立關(guān)于視線長度ke的一元二次方程，如下式(12)：

易求解得到ke，即為成像儀到地面期望目標的距離，帶入式(2)可得到地面期望目標點在地固系下的坐標reg。

二，計算衛(wèi)星軌道漂移后指向期望目標點時所需的掃描鏡轉(zhuǎn)角

當(dāng)前衛(wèi)星實際位置為re1可根據(jù)衛(wèi)星軌道參數(shù)得出，則當(dāng)前實際衛(wèi)星指向地面目標的矢量在地固系分量，如下式(13)：

r1g＝reg-re1(13)

將r1g轉(zhuǎn)化為地固系下的實際視線單位矢量ls2，帶入式(1)可得到以實際轉(zhuǎn)角為變量的方程組，如下式(14)：

易求解衛(wèi)星軌道漂移后指向期望目標點時所需的掃描鏡轉(zhuǎn)角ε′和η′。

三，計算軌道運動補償量

衛(wèi)星軌道漂移后指向期望目標點時所需的掃描鏡轉(zhuǎn)角減去預(yù)設(shè)掃描鏡轉(zhuǎn)角即為補償量，如下式(15)：

三，在星上設(shè)置專用的計算單元

由于靜止衛(wèi)星遙感儀器的掃描反射機構(gòu)伺服控制要求很高，其伺服控制的乃奎斯特頻率通常較高，如50hz～200hz。為了使衛(wèi)星上計算的補償量能夠更好的加入遙感儀器的掃描伺服控制系統(tǒng)，需要在星上設(shè)置獨立的成像導(dǎo)航與配準計算單元，以與遙感儀器伺服機構(gòu)相同的頻率進行實時計算。為了避免因節(jié)拍錯誤或延遲引起補償量的執(zhí)行誤差，可采用中斷響應(yīng)遙感儀器請求信號的方式工作。

四，計算單元將補償量結(jié)果加和后發(fā)送給遙感儀器

三個補償計算模塊在成像導(dǎo)航與配準計算單元中運行。星上成像導(dǎo)航與配準單元將三個補償模塊的計算結(jié)果加和作為總補償量，發(fā)送給遙感儀器掃描反射伺服機構(gòu)的上位機，遙感儀器將補償角度與原有的目標角度相加后作為新的目標角度引入伺服控制系統(tǒng)，完成實時補償(圖3)。

本發(fā)明將影響成像導(dǎo)航與配準的干擾因素分為三個部分，由星上計算機對三個影響因素的補償量進行實時計算。軌道運動補償后的效果相當(dāng)于衛(wèi)星一直處于標稱定點位置對地球成像，姿態(tài)運動補償后的效果相當(dāng)于衛(wèi)星平臺一直保持在0姿態(tài)狀態(tài)對地球成像，熱變形運動補償后的效果相當(dāng)于衛(wèi)星平臺和載荷光路中不存在任何安裝偏差和熱變形。利用本發(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)星在標稱理想情況生成的地球標稱網(wǎng)格圖像一致，誤差控制在指標范圍內(nèi)。

本發(fā)明可用于靜止遙感衛(wèi)星研制和應(yīng)用。星上執(zhí)行成像導(dǎo)航與配準補償可以實時抵消衛(wèi)星由于姿態(tài)偏差、軌道漂移、星上熱變形等因素對圖像定位產(chǎn)生的影響，遙感成像效果接近于衛(wèi)星理想狀態(tài)所成的圖像，對遙感成像系統(tǒng)的成像導(dǎo)航與配準處理性能的提高有著重要的意義。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。