[发明专利]星敏感器和有效载荷的姿态基准偏差估计与修正方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高精度遥感卫星的姿态测量基准的标定方法。

背景技术

为了实现对地或其他目标的观测，获取遥感图像，遥感卫星都载有相机等有效载荷，而所获得图像的精确配准和定位，是保证图像产品质量的关键，其性能直接反映一个国家航天遥感应用的能力和水平。

因观测目的、成像机理或技术途径不同，既有全部组件相对卫星固定安装的遥感载荷，也有采用摆镜等活动部件进行扫描成像的遥感载荷。从姿态基准标定角度来说，摆镜扫描成像有效载荷更加复杂，存在扫描测角误差、摆镜随温度变形的误差。目前，星敏感器是高精度观测卫星姿态测量系统的标准配置，是确定图像指向和位置的关键部件，但星敏感器存在随温度影响和视场指向空间变化的慢变误差。此外，星敏感器和有效载荷两者之间安装结构存在热变化。三种因素导致星敏感器和有效载荷的测姿基准存在慢变偏差，给高精度的图像配准和定位带来困难。

在星敏感器偏差估计方面，目前研究主要集中在使用星敏感器自身数据处理、陀螺、地标信息等对星敏感器误差进行标定。专利CN201210203660“一种星敏感器在轨测量误差的确定方法”、文献AAS13-046“HYDRA STAR TRACKER ON-BOARD SPOT-6”，利用星敏感器自身的测量数据，求取测量序列与其多项式拟合数据的偏差，通过对偏差滤波处理提取星敏感器的低频误差，该方法主要用于星敏感器自身特性的识别和在轨性能评估，不能识别星敏感器基准与有效载荷基准的关系。利用高精度陀螺识别星敏感器偏差特性，也是一种受到重视的方法，如文献《利用高精度陀螺对星敏感器在轨标定算法研究》（系统工程与电子技术，Vol.30No.1，2008），但同样存在不能识别星敏感器基准与有效载荷基准关系的问题。文献《基于陆标敏感器对星敏感器在轨标定算法研究》（哈尔滨商业大学学报(自然科学版)Vol.24No.4，2008）利用陆标敏感器对星敏感器系统常值偏差进行标定，没有处理慢变的低频误差。专利CN201110291301“一种基于地标信息的星敏感器低频误差补偿方法”，利用有效载荷对已知地标的观测信息，对星敏感器低频误差进行标定，这种方法代表了星敏感器标定的主流方向，由于没有涉及有效载荷自身变形和摆镜运动后基准的影响，如果应用到带摆镜扫描成像有效载荷的卫星中，不能评估有效载荷基准变化带来的影响，无法保证标定精度。

采用摆镜扫描成像的有效载荷，因为存在扫描测角误差、摆镜随温度变形的误差而导致基准变化，其获得图像的定位与配准是个难题，一直受到卫星应用领域的重视，目前研究主要集中在利用有效载荷对已知目标的测量，根据目标已知数据和实测数据的偏差拟合有效载荷基准变化参数，利用它们修正观测数据。美国专利US2010/022848A1“Image Navigation and Registration Accuracy Improvement Using Parametric Systematic Error Correction”是该领域的代表性工作，它建立了反映有效载荷系统误差与观测点东西、南北坐标的关系的包含12个参数的公式，通过处理有效载荷对理想测点（恒星、可见光陆标、红外陆标、测距）测量数据的处理，使用最小二乘或卡尔曼滤波拟合上述公式，利用拟合公式修正实测图像数据，实现图像的精确定位与配准。该方法适用于标定系统误差，而对于存在慢变误差的系统，需要依赖精确的姿态确定系统模型来消除热变形等慢变误差对该算法的影响。

目前先进的气象卫星既安装有星敏感器、又载有摆镜扫描成像有效载荷，如何实现它们所组成系统的姿态基准标定，是一个开放的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对摆镜扫描成像有效载荷、星敏感器均存在慢变误差以及它们之间姿态基准变化的问题，提供一种利用有效载荷对星敏感器基准偏差进行估计和修正的方法，提供一种利用星敏感器对有效载荷基准偏差进行估计和修正的方法，从而能够减小星敏感器和成像有效载荷的姿态基准误差，提高成像质量和图像定位精度。

本发明的技术方案是：

一种利用有效载荷对星敏感器基准偏差进行估计和修正的方法，包括如下步骤：

（1）以有效载荷成像的焦平面为参考建立整星的姿态基准坐标系；根据有效载荷特性确定有效载荷入射光矢量的定位公式以及建立包括有效载荷基准偏差的有效载荷误差模型；根据星敏感器特性建立包括星敏感器基准偏差的星敏感器误差模型；