[发明专利]基于可见光地球敏感器和太阳敏感器的卫星姿态确定方法

摘要

基于可见光地球敏感器和太阳敏感器的卫星姿态确定方法，利用可见光地球敏感器和太阳敏感器联合确定卫星对地的三轴姿态。首先通过对CMOS成像器件所成的地球图像处理，提取到地球图像的有效边缘，然后应用最小二乘法拟合提取到的有效边缘的中心。其次在卫星对地姿态角为小角度的假设下，近似计算卫星的对地滚动角和俯仰角。最后应用太阳敏感器和近似计算得到的滚动角和俯仰角姿态信息计算得到卫星对地的偏航角。相对于传统的利用地球红外敏感器和太阳敏感器组合确定卫星对地的三轴姿态角，本发明方法提高了卫星姿态角测量精度，并且该方法适用于小型化的小卫星姿态测量，顺应当前小卫星的发展潮流。

主权项

1.基于可见光地球敏感器和太阳敏感器的卫星姿态确定方法，其特征在于包括如下步骤：(1)利用可见光地球敏感器中的CMOS成像器件对地球进行成像，获取输入图像；输入图像应满足：CMOS成像器件所成地球图像地平轮廓有效弧长占到总弧长的50％；(2)对所述的输入图像进行预处理，去除噪声，平滑图像；平滑图像的方法为3×3卷积模板的中值滤波，具体做法如下：将中心像素及其3×3邻域内8个像素的灰度值按从小到大排序，取第5个元素灰度值为中心像素的灰度值；(3)对步骤(2)获取的图像进行边缘检测，获取有效边缘；边缘检测的方法为：首先采用Sobel算子检测所有的边缘，然后采用Hough变换检测出有效边缘，Hough变换检测采用未知图像圆半径Hough变换，具体如下：A、首先根据先验知识或者已知数据估计参数半径r的变化范围r∈[r_min,r_max]以及步长Δr大小；H为卫星高度，为半张角，R_E为地球半径，f为相机焦距，r为地球成像后成像面上近似圆形的半径，由此确定r的范围r∈[r_min,r_max]；步长Δr由敏感器控制器的计算能力以及精度要求决定；从半径r₀＝r_min开始，每一次循环半径增加Δr，直至r＝r_max，对于任一循环，半径r_i＝r_min+Δr×i,(i＝0,1…m),其中m为循环的总次数，表达式将每一边缘坐标点(x_j,y_j)(j＝1,…n)及其梯度方向角h_j依次代入x₀＝x±r cos(h)和y₀＝y±r sin(h)，(x₀,y₀)为圆心坐标，h为圆边缘点(x,y)处梯度方向角，r为图像圆半径，计算出圆心坐标(x_0ij,y_0ij)，其中j表示有效和无效边缘点总个数，然后将计算所得的圆心坐标四舍五入取整，上述各个边缘点坐标是在以图像左下角为坐标原点，向右为x轴，向上为y轴的坐标系下表示；为防止计算得到的整数圆心坐标为负数，将原有坐标系分别沿x轴，y轴负方向平移1024个像素点，平移后得到新的正的整数圆心坐标值，以新坐标值为二维数组的坐标值，二维数组的值统计累加该二维坐标值出现的次数，遍历所有的边缘点，最后由累加次数峰值确定此次循环r＝r_i时的圆参数c_i＝{x_0i,y_0i,r_i}，每一次循环确定一组参数c_i＝{x_0i,y_0i,r_i}和累加次数K_i；通过此次循环累加次数K_i和上一次循环累加次数K_i‑1的比较，记录比较高的累加次数K_max以及相应的圆参数c_max＝{X₀,Y₀,R}，当r_i＝r_max时，最终确定的圆参数c_max＝{X₀,Y₀,R}为有效边缘像素级圆心坐标{X₀,Y₀}以及半径R；B、未知半径Hough变换得到像素级圆心坐标{X₀,Y₀}以及半径R，如果某边缘点为有效边缘点，即圆周上的边界点，则该点与像素级圆心坐标{X₀,Y₀}之间距离满足不符合该关系式的干扰边缘点将被删除，从而获得有效边缘；(4)对所述有效边缘进行拟合，获取有效边缘中心和半径；(5)计算获得卫星对地的滚动角φ和俯仰角θ，其中(C_x,C_y)为有效边缘中心坐标，R为有效边缘的半径，f为CMOS成像器件的焦距；(6)计算获得卫星对地的偏航角其中D_ssB为太阳敏感器相对卫星本体坐标系的安装矩阵，式中S_AX、S_AY、S_AZ分别表示太阳敏感器测量坐标系x_ss轴与卫星本体坐标系x_b、y_b、z_b三轴的夹角余弦值，S_BX、S_BY、S_BZ分别表示太阳敏感器测量坐标系y_ss轴与卫星本体坐标系x_b、y_b、z_b三轴的夹角余弦值，S_CX、S_CY、S_CZ分别表示太阳敏感器测量坐标系z_ss轴与卫星本体坐标系x_b、y_b、z_b三轴的夹角余弦值；S_o＝[S_oX S_oY S_oZ]^T为太阳矢量在轨道坐标系下的三轴分量形式，α是太阳方向矢量在太阳敏感器测量坐标系y_ssoz_ss平面投影与oz_ss轴的夹角。