[发明专利]一种恒星观测模式下姿态低频误差修正方法

权利要求书

1.一种恒星观测模式下的姿态低频误差修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，不同轨道位置的恒星观测；

步骤2，恒星物方、像方坐标精确提取；

步骤3，相机-星敏感器夹角变化模型构建；

步骤4，相机-星敏感器低频姿态误差修正；

所述步骤1的实现方式为：

步骤1.1，合理规划卫星恒星观测的拍摄位置和角度，相机和至少两个星敏感器的视场方向规避太阳、地球和月球；

步骤1.2，针对具有轨道周期低频姿态误差的卫星，根据卫星机动能力，通过间隔一定纬度对恒星进行观测拍摄，获取所有的恒星观测影像和几何参数；

所述步骤2为恒星物方以及像方坐标精确提取，具体包括以下步骤：

步骤2.1，根据理想的小孔成像模型，结合观测星向量和星表向量一一对应关系，构建恒星几何成像模型：

其中，(α_i，δ_i)为第i颗恒星在瞬时J2000坐标系下的赤经赤纬，(x_i，y_i)为恒星在影像上的坐标，m为缩放因子，为恒星拍摄时刻相机在J2000坐标系下测量的姿态矩阵，f为相机光学镜头的主距，(x₀，y₀)是镜头主光轴与像面的交点；

步骤2.2，利用已有的姿态测量信息和初始相机-星敏感器安装关系，实现影像中星点像方/物方坐标的快速确定；

步骤2.3，根据拍摄时刻和详细的GAIA星表参数，以及根据拍摄时刻卫星的速度方向，完成星点物方坐标的自行和光行差修正；

所述步骤3为相机-星敏感器夹角变化模型构建，具体包括以下步骤：

步骤3.1，根据恒星几何成像模型，以及恒星的物方/像方坐标，求解相机在J2000惯性坐标系下的姿态矩阵

步骤3.2，根据不同拍摄时刻，相机和星敏感器测量的姿态矩阵，分别计算两个星敏感器光轴和相机的光轴指向，根据光轴夹角计算公式，构建两个星敏感器光轴-相机光轴之间的夹角变化模型；假设两个星敏感器分别为星敏感器A和星敏感器B，步骤3.2进一步包括：

3.2.1，星敏感器A，星敏感器B到惯性系J2000的姿态矩阵为已知恒星观测得到的相机到J2000惯性系的姿态矩阵为则星敏感器A光轴Opt_A，星敏感器B光轴Opt_B和相机光轴Opt_cam分别为：

其中Opt＝[0，0，1]，a₁，b₁，c₁，a₂，b₂，c₂，x，y，z为各矢量具体参数；

3.2.2，假设星敏感器A光轴与相机的夹角为θ_A，星敏感器B光轴与相机光轴的夹角为θ_B，根据上述步骤有：

3.2.3，由于低频姿态误差的存在，θ_A，θ_B不唯一；假设θ_A，θ_B的变化模型为：

θ_A＝f_A(m)，θ_B＝f_B(m)

其中m为变化因子，假设为轨道位置等因素；f_A为相机-星敏感器A光轴夹角的变化模型，f_B为相机-星敏感器B光轴夹角的变化模型；

所述步骤4具体包括以下步骤：

步骤4.1，根据步骤3.2的夹角变化模型，得到任意时刻两个星敏感器光轴和相机光轴的夹角，结合该时刻星敏感器光轴在惯性系下的指向，通过相机光轴指向补偿(Cameraoptical axis pointing compensation，COAPC)方法实现相机光轴的修正；进一步包括：

4.1.1，假设已知相机-星敏感器光轴夹角变化模型，即对于某一时刻Opt_A，Opt_B，θ_A，θ_B为确定值，而Opt_cam为未知项；根据余弦定理，结合步骤3.2.1，相机光轴与星敏感器光轴之间存在如下关系式：

其中，a₁，b₁，c₁表示星敏感器A光轴Opt_A矢量参数，a₂，b₂，c₂表示星敏感器B光轴Opt_B矢量参数，x，y，z表示相机光轴Opt_cam矢量未知参数，θ_A为星敏感器A光轴与相机的夹角，θ_B为星敏感器B光轴与相机光轴的夹角；

4.1.2，对上式进行求解，并对系数项进行替换可得：

4.1.3，带入步骤4.1.1的方程组第三项可得：

其中，m，n，p，q由星敏感器A、B和相机光轴矢量参数a₁，b₁，c₁，a₂，b₂，c₂，x，y，z组成的替换参数；

根据步骤4.1.2解得x和y为唯一解；根据步骤4.1.3可得z有两个取值，通过与预先估计的相机指向进行比较，接近者即为正确z值；从而得到模型补偿后的相机光轴指向

步骤4.2，根据任意时刻修正前后相机光轴的变化，构建四元数补偿参数，实现姿态低频误差的修正。