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(huà)。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?！靶l(wèi)星成像導(dǎo)航與配準(zhǔn)”技術(shù)可解決此類(lèi)問(wèn)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(chēng)網(wǎng)格(附圖1)。

當(dāng)前各國(guó)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(guó)的靜止業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星(geostationaryoperationalenvironmentalsatellite，縮寫(xiě)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(guó)的goes-r衛(wèi)星、歐洲的第三代氣象衛(wèi)星(meteosatthirdgeneration，縮寫(xiě)為mtg)、中國(guó)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(guó)gose-i～m衛(wèi)星的儀器視線(xiàn)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。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(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(lái)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(zhǎng)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(kāi)發(fā)了“參數(shù)化系統(tǒng)誤差校正方法”(parametricsystematicerrorcorrection，縮寫(xiě)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)(orbitandattitudedeterminationsystem，縮寫(xiě)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(guó)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(xiàn)指向的主要影響因素但未根據(jù)誤差的不同類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)；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。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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(xiàn)指向誤差問(wèn)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(guò)補(bǔ)償可將儀器視線(xiàn)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(chēng)理想情況生成的地球標(biāo)稱(chēng)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(xiě)出從儀器成像系統(tǒng)視線(xiàn)到儀器出射視線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(guò)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。

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，美國(guó)和歐洲等國(guó)家均采用的綜合圖像補(bǔ)償方法，本發(fā)明所采用的方法更有針對(duì)性解決姿態(tài)問(wèn)題，有利于降低系統(tǒng)研發(fā)難度并提高工程可實(shí)現(xiàn)性。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星成像儀內(nèi)部掃描反射機(jī)構(gòu)光路示意圖；xr、yr、zr組成姿態(tài)參考坐標(biāo)系，xb、yb、zb組成衛(wèi)星本體坐標(biāo)系。

圖2為姿態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法仿真校驗(yàn)結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)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(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，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(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明靜止衛(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(xiě)出從儀器成像系統(tǒng)視線(xiàn)到儀器出射視線(xiàn)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(未知數(shù))，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(xiàn)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(xiàn)相等，據(jù)此建立等式可求解補(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。

下面以風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星的主載荷——先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀(簡(jiǎn)稱(chēng)：成像儀)為例，結(jié)合附圖說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

一，遙感儀器掃描反射機(jī)構(gòu)光路分析

風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星的成像儀是主載荷之一，通過(guò)兩面正交的反射鏡往復(fù)掃描對(duì)地成像。成像儀內(nèi)部掃描反射機(jī)構(gòu)光路示意圖見(jiàn)圖1，包含成像系統(tǒng)、東西鏡a1和南北鏡a2。成像系統(tǒng)視線(xiàn)從成像系統(tǒng)光學(xué)中心發(fā)出，經(jīng)過(guò)東西鏡和南北鏡反射后穿過(guò)遮光罩a3指向觀測(cè)目標(biāo)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(biāo)軸成45°夾角時(shí)為零位。則成像系統(tǒng)出射光線(xiàn)r到中間反射光線(xiàn)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(biāo)轉(zhuǎn)換方向余弦矩陣。

中間反射光線(xiàn)q到儀器指向目標(biāo)的出射光線(xiàn)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(biāo)轉(zhuǎn)換方向余弦矩陣。

在姿態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究中，以成像系統(tǒng)的主光軸為研究對(duì)象，則將成像系統(tǒng)出射光線(xiàn)r取如下式(3)：

帶入前兩式得到儀器出射視線(xiàn)矢量在本體系的投影分量的表達(dá)式為如下式(4)：

二，加入補(bǔ)償量未知數(shù)

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

三，建立姿態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)仁?/p>

當(dāng)存在衛(wèi)星姿態(tài)偏差時(shí)，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(bǔ)償時(shí)的儀器視線(xiàn)指向應(yīng)與衛(wèi)星存在姿態(tài)且儀器增加補(bǔ)償?shù)膬x器視線(xiàn)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(yùn)動(dòng)補(bǔ)償量表達(dá)式為如下式(8)：

四，對(duì)補(bǔ)償算法進(jìn)行校驗(yàn)

姿態(tài)角在取±0.01°范圍內(nèi)隨機(jī)取值，東西鏡和南北鏡轉(zhuǎn)角在±6°范圍內(nèi)各取100組數(shù)值。對(duì)于每組掃描鏡轉(zhuǎn)角，給出衛(wèi)星0姿態(tài)且儀器不補(bǔ)償時(shí)的儀器視線(xiàn)指向，以及衛(wèi)星存在姿態(tài)且儀器增加補(bǔ)償?shù)膬x器視線(xiàn)指向，兩矢量夾角即為姿態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)恼`差。仿真表明(圖2)，多組數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果最大值不超過(guò)0.05μrad，可以滿(mǎn)足圖像導(dǎo)航與配準(zhǔn)的使用要求。誤差主要來(lái)源于忽略姿態(tài)角的二階小量。

本發(fā)明解決衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)對(duì)儀器視線(xiàn)指向和成像導(dǎo)航與配準(zhǔn)的影響，在不考慮星上其他影響因素的條件下給出一種姿態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法。經(jīng)過(guò)這樣的補(bǔ)償后可在衛(wèi)星存在姿態(tài)偏差時(shí)將儀器視線(xiàn)在地球表面的移動(dòng)路徑導(dǎo)航到預(yù)期位置，遙感成像效果接近于當(dāng)衛(wèi)星處于0姿態(tài)時(shí)所成的圖像，對(duì)遙感成像系統(tǒng)的成像導(dǎo)航與配準(zhǔn)處理性能的提高有著重要的意義。本發(fā)明可用于靜止氣象衛(wèi)星研制和應(yīng)用。美國(guó)和歐洲等國(guó)家均采用的綜合圖像補(bǔ)償方法，本發(fā)明所采用的方法更有針對(duì)性解決姿態(tài)問(wèn)題，有利于降低系統(tǒng)研發(fā)難度并提高工程可實(shí)現(xiàn)性。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)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(shí)質(zhì)內(nèi)容。