一種線陣紅外地球敏感器的四通道姿態(tài)解算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種星載紅外地球敏感器的姿態(tài)解算方法，可用于空間低軌、變軌航 天器的在軌使用，或可用于未知軌道的對地自主導(dǎo)航。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外地球敏感器，是基于地球紅外輻射敏感原理的衛(wèi)星姿態(tài)光學(xué)敏感器，可用于 航天器相對于地球局地垂線的俯仰、滾動姿態(tài)角信號的測量、初始狀態(tài)時航天器對地球的 捕獲和穩(wěn)態(tài)運行時航天器的姿態(tài)控制。
[0003] 根據(jù)紅外地球敏感器內(nèi)部是否含機械掃描機構(gòu)，可分為掃描式和靜態(tài)兩類：其中 掃描式又可分為圓錐掃描式（單圓錐、雙圓錐）和擺動掃描式兩種，而靜態(tài)則分為線陣和面 陣兩種。如今，國內(nèi)外已研發(fā)出多種類型的掃描式紅外地平儀，并廣泛用于空間，其精度已 可達到 0.07。（3〇)。
[0004] 近年來，隨著探測器的發(fā)展，我國已利用線陣和面陣焦平面紅外探測器研制出兩 類靜態(tài)紅外地球敏感器，具有體積小、重量輕、無掃描機構(gòu)等優(yōu)點，并分別在小衛(wèi)星、高軌衛(wèi) 星上得到應(yīng)用。其中，面陣紅外地球敏感器具有精度高的優(yōu)勢，可達到0.06° (3〇)，但相 對研發(fā)成本較高，且主要適用于高軌衛(wèi)星的；而已在軌應(yīng)用的線陣紅外地球敏感器雖然成 本較低，但其精度低，測量理論偏差最大將達到〇. 6° (3 σ = 0. 5° )。
[0005] 線陣紅外地球敏感器中探測器位于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，屬于凝視型結(jié)構(gòu)。當航 天器運行于地球上空時，從太空航天器上觀察地球時，得到相當于在4Κ冷背景中的一個平 均亮溫約為220Κ~240Κ的圓盤，圓盤的邊緣稱為地平圓。航天器運行于地球上空時，紅外 地球敏感器通過線列紅外探測器檢測地平圓的4個方位上14 μπι~16. 25 μπι波段的地球 紅外輻射能量，確定線列陣紅外探測器對應(yīng)地平圓4個點的方位角位置，根據(jù)之間的幾何 關(guān)系，實現(xiàn)對衛(wèi)星姿態(tài)的測量，得到航天器相對于地球當?shù)卮咕€的俯仰角和滾動角。一般采 用典型設(shè)計，按"X"結(jié)構(gòu)對稱排列四個探頭（光學(xué)系統(tǒng)和探測器組成，探測器位于光學(xué)系統(tǒng) 焦平面上），滾動軸與星體飛行方向一致，而俯仰軸垂直與軌道面。A、B、C、D四個探頭與滾 動軸和俯仰軸成45°分布，相鄰兩個探頭光軸夾角為90°。
[0006] 目前，已有人提出提高其精度的方法，確實能夠在一定程度上提高精度（3 σ )，但 未改變測量的絕對偏差。且因為航天型號產(chǎn)品需要高可靠性，產(chǎn)品內(nèi)部一般采用反熔絲的 FPGA芯片進行處理，使得這種方法在應(yīng)用上存在較大難度：FPGA難以進行如此復(fù)雜的乘除 運算，且將遠遠超出芯片使用容量。
[0007] 同時，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的進一步拓寬，航天器的飛行情況要求紅外地球敏感器在軌 能夠適應(yīng)于不同軌道、甚至未知軌道下的姿態(tài)測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提高解決線陣紅外地球敏感器姿態(tài)解算能力，提高精度，降低 測量偏差，同時可適用于不同軌道、甚至未知軌道下的姿態(tài)解算。該方法能夠提高線陣列紅 外地球敏感器的各項性能，并使其應(yīng)用領(lǐng)域進一步拓寬。
[0009] -種線陣紅外地球敏感器的四通道姿態(tài)解算方法的處理步驟為：
[0010] (1)、獲得為線陣列探測器A通道從當前第i元到第i-5元的輻射量數(shù)據(jù)灰度值， 依次記為D 6、D5、D4、D3、D2、D 1，其中i是O-N的整數(shù)，N為線陣紅外地球敏感器所用線陣列探 測器的元素，N為大于6的整數(shù)。當前5元不足（i < 5)時，由上一周期最末像元依次補齊。
[0011] (2)、根據(jù)步驟（1)獲得的當前位置i，按以下公式計算相鄰輻射量差值diff，除法 運算分子da和整數(shù)部分z。
[0012] 當 i = 0 時，分別計算 D4_D3、D5-Dzp D6-D5:當 D 4_03最大時，diff = D 4_D3，da = DfD6ID3, z = N-4 ;當 05-04最大時，diff = D 5-D4, da = D2+D6-2D4, z = N-3 ;當 06-05最大 時，diff = D6_D5, da = D2+D6_2D4, z = N_2 ;
[0013] 當 i = 1，2, 3 時，diff = 0, da = 0, z = 0 ;
[0014] 當 i = 4 時，diff = D4_D3, da = D6_D3, z = 0 ;
[0015] 當 i = 5 時，diff = D4_D3, da = D2+D6_2D3, z = I ;
[0016] 當 4 < i < N 時，diff = D4_D3, da = DjD6-SD3, z = i_4。
[0017] (3)、根據(jù)步驟（2)的計算結(jié)果，判斷相鄰輻射量差值diff首次出現(xiàn)最大值的情 況，使用該情況下的相鄰輻射量差值diff、除法運算分子da和整數(shù)部分z的數(shù)據(jù)。
[0018] (4)、根據(jù)步驟（3)的數(shù)據(jù)，按以下方法獲得A通道穿越位置的整數(shù)部分Za:
[0019] 若步驟（2)計算所得的除法運算分子da大于2倍的相鄰輻射量差值diff，則穿越 位置的整數(shù)部分Za的值為z-1，同時修正除法運算分子da為除法運算分子da與相鄰輻射 量差值diff的差。否則，穿越位置的整數(shù)部分4的值即為z。
[0020] (5)、根據(jù)步驟⑶和（4)的計算結(jié)果，計算A通道穿越位置的小數(shù)部分Xa:小數(shù)計 算的分子為除法運算分子da，分母為2倍的相鄰輻射量差值diff，均采用M位有效數(shù)字，M 為不大于32的正整數(shù)，并將分子、分母等倍擴大，使得分母最高位為1。
[0021] 循環(huán)采用二分逼近的判斷：如果分子值大于分母值的二分之一，則結(jié)果左移一位， 舍最高位，并添最低位為1 ;否則，則結(jié)果左移一位，舍最高位，并添最低位為0。如此循環(huán)Y 次進行二分逼近判斷的方法，計算可得具有Y位有效數(shù)字的小數(shù)部分Xa，其中Y為不大于16 的正整數(shù)。
[0022] (6)、針對四通道，進行單鏡頭線性掃描試驗，獲得各通道穿越位置的線性變化曲 線圖。
[0023] (7)、將步驟（6)中的曲線進行線性擬合，A通道姿態(tài)線性校準參數(shù)Ka的值即為其 線性函數(shù)斜率均值的倒數(shù)；同時獲得擬合值與實際值的差指，再作差值與實際值的變化曲 線。
[0024] (8)、將步驟（7)中的曲線進行正弦函數(shù)擬合，擬合后再進行二次擬合修正。
[0025] (9)、由步驟⑶得到擬合函數(shù) fA(x) = alax2+a2ax+a3a+bla*sin(2 JT (x-b2a))，ala、 a2a、a3a分別為二次擬合的二次項系數(shù)、一次項系數(shù)和常數(shù)項系數(shù)，bla、b 2a分別為正弦函數(shù)擬 合的幅度系數(shù)、相位系數(shù)，即為A通道輻射量校正公式。
[0026] (10)、由步驟⑷獲得的整數(shù)部分滿足大于1且小于（N-2)時，代入由步驟（9)獲 得輻射量校正公式，按公另
1計算，得到A通道穿越位置Α'。
[0027] (11)、按步驟（I) -(10)，依次獲得B通道穿越位置B'、C通道穿越位置C'、D通道 穿越位置D'。
[0028] (12)、將線陣紅外地球敏感器置于地球模擬系統(tǒng)中，設(shè)置地球模擬系統(tǒng)在線陣紅 外地球敏感器的工作軌道高度H下保持俯仰角和滾動角均為0,由步驟（I)-(Il)獲得的四 通道穿越位置，依次對應(yīng)即為各通道在當前軌道高度H下的穿越位置零位，依次對應(yīng)記作 A0、B0、C0、D0〇
[0029] (13)、按步驟（12)，線陣紅外地球敏感器的工作軌道要求，設(shè)置不同軌道高度，形 成軌道零位標定表，該表包括不同軌道高度下，A、B、C、D通道穿越位置零位的值。
[0030] (14)、由步驟（13)，按公式dp = _六。+8。+(：。-0。計算不同軌道高度下的俯仰角零位 偏差dp，取其均值即為未知軌道俯仰零位參數(shù)P。。
[0031] (15)、由步驟（13)，按公式dr =六。+8。-(：。-0。計算不同軌道高度下的滾動角零位偏 差dr，取其均值即為未知軌道俯仰零位參數(shù)R。。
[0032] (16)、若未知軌道高度時，利用以下公式（拓展4/4模式）解算姿態(tài)：
[0035] 其中P為衛(wèi)星姿態(tài)俯仰角，R為衛(wèi)星姿態(tài)滾動角，Θ為每個像元的視場角
[0036] (17)、在任意軌道高度下，根據(jù)
公 式，計算零姿態(tài)穿越位置的理論值L，其值為1，其中h為線陣紅外地球敏感器工作的軌道高 度，單位為km，Θ為地球敏感器每個像元的視場角，H。為線陣紅外地球敏感器設(shè)計的標稱 軌道高度，單位為km。
[0037] (18)、根據(jù)步驟（13)獲得的軌道零位標定表按以下方法進行，獲得在理論值為1 時，A、B、C、D通道穿越位置標定零位的值a。、b。、c。、d。。線陣紅外地球敏感器的軌道零位標 定表的內(nèi)容為不同理論值L對應(yīng)的A通道穿越位置標定零位A。、B通道穿越位置標定零位 B。 、C通道穿越位置標定零位C。和D通道穿越位置標定零位D。：
[0038] 若由步驟（17)獲得的1在該表中可查，則直接從表中獲得；
[0039] 若由步驟（17)獲得的1在表中不可查，則選取不大于1的最小組數(shù)據(jù)，這組數(shù)據(jù) 的理論值L和A、B