CN105444781B - 星载自主引导成像地面验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种星载自主引导成像地面验证方法，本发明通过地面数据驱动场景演示及结果数据输出的方法验证星载自主引导成像算法及偏流角计算方法的正确性。通过动力学数据及遥测数据驱动STK场景，可显示引导正确性并计算引导精度；通过STK矢量计算功能，输出成像时刻卫星指向视轴与地球的交点的矢量在相机坐标系下的三轴速度分量来计算偏流角，从而验证星载偏流角算法的正确性。本发明为卫星正确的完成自主成像任务提供了有效的验证手段。
Description
技术领域
本发明涉及航天空间遥感成像任务技术领域，具体地，涉及星载自主引导成像地面验证方法。
背景技术
TDICCD相机对目标指向通常需要摆动机构，可以依靠摆镜实现滚动方向的侧摆，使得调整后的视场，随着卫星飞行，将在某时刻恰好能够拍摄到特定地面目标。同时，由于是线阵扫描，需要修正偏流角，航天器在轨成像期间，由于地球本身自转和航天器平台稳定度等原因，使得线阵的运动方向和相机实际成像方向并不相同，两者之间的夹角即为偏流角，像在像平面的速度即为像移速度。为保证对目标成像清晰，必须使得积分时间内光生电荷包的转移与焦平面上的像的运动保持同步。因此，需要通过适当的补偿技术来尽量减小偏流角，这里采用绕视轴姿态机动的方法补偿偏流角。由像移速度大小和偏流角来描述的像移速度矢量的快速、高效、准确解算为卫星高精度控制提供依据，因此是高分辨率清晰成像的重要前提。
星载任务实现上述过程的解算以后需要在地面验证算法的正确性，本发明解决的问题是指向的验证以及可以进一步指向偏流角的验证，并且将成像任务过程进行三维演示，创造性的解决了直观显示计算结果正确与否的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自主成像任务地面验证的方法。
根据本发明提供的一种星载自主引导成像地面验证方法，包括如下步骤：
步骤A：在场景中建立卫星；
步骤B：通过卫星指向视轴与经过成像目标最近点的时刻，验证自主引导成像时刻计算的正确性。
优选地，所述步骤B包括如下步骤：
步骤B-1：设置场景的解算起始时刻，记为时刻t0；
步骤B-2：修改卫星相机视场敏感器的水平角为0.0001°；单步播放场景，观察该卫星相机视场经过目标的时刻，记为时刻t1，其中，时刻t1与成像时刻之差即为成像时刻解算误差；
步骤B-3：修改卫星相机视场敏感器的垂直角为0.0001°；设置场景时刻为成像时刻，量取地面目标与相机视场的距离L，该距离L与卫星飞行高度的比值折合为角度，即为摆角控制量的解算误差；若摆角控制量的解算误差超过设定阈值，则认为自主引导成像时刻计算的不正确，否则，认为自主引导成像时刻计算的正确。
优选地，所述距离L与卫星飞行高度的比值根据如下计算式折合为角度：
(距离L与卫星飞行高度的比值/600)*(180/π)。
优选地，还包括如下步骤：
步骤C：通过输出成像时刻卫星指向视轴与地球的交点的矢量在相机坐标系下的三轴速度分量来计算偏流角，验证星上偏流角计算正确性。
优选地，所述步骤C如下步骤：
步骤C-1：提取卫星指向视轴与地球地面交点处的经纬度；
步骤C-2：建立地面站，地面站的位置在卫星指向视轴与地球地面交点处：
步骤C-3：建立矢量Vector_Sat2Tar，其中，所述矢量Vector_Sat2Tar为从卫星到卫星指向视轴与地球地面交点处的矢量；
步骤C-4：相机坐标系为笛卡尔xyz坐标系，得到矢量Vector_Sat2Tar在相机坐标下的x轴、y轴、z轴的速度分量Derivative x、Derivative y、Derivative z；
步骤C-5：将y轴的速度分量与x轴的速度分量的比值的反正切值作为偏流角；
步骤C-6：如果步骤C-5中计算得到偏流角与星上计算的偏流角一致，则认为星上偏流角计算正确，否则，认为星上偏流角计算不正确。
优选地，所述场景为以卫星动力学数据和整星遥测数据驱动STK软件所建立的场景，其中，所述卫星动力学数据包括卫星的J2000地球惯性系坐标系下的位置、速度、卫星三轴欧拉姿态角，整星遥测数据包括目标WGS84坐标系下的位置、相机后视角、摆镜侧摆角。
优选地，卫星相机坐标系以卫星本体系为基准，312转序下的偏航滚动俯仰欧拉角为[0φ0]，其中，312代表坐标变换的旋转顺序，依次为z轴、x轴、y轴；φ表示卫星相机侧摆角。
优选地，所述相机视场，具体为：
以卫星相机坐标系为基准参考坐标系，312转序下的偏航滚动俯仰欧拉角为[00η]，视场形状为矩形；所述η表示相机后视角，按照右手定则以卫星本体系+y轴为基准；312代表坐标变换的旋转顺序，依次为z轴、x轴、y轴；φ表示卫星相机侧摆角。
优选地，所述矢量Vector_Sat2Tar的起始点为卫星中心，结束点为卫星相机视轴与地球地面的交点。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过地面数据驱动场景演示及结果数据输出的方法验证星载自主引导成像算法及偏流角计算方法的正确性。通过动力学数据及遥测数据驱动STK场景，可显示引导正确性并计算引导精度；通过STK矢量计算功能，输出成像时刻卫星指向视轴与地球的交点的矢量在相机坐标系下的三轴速度分量来计算偏流角，从而验算星载偏流角算法的正确性。本发明为卫星正确的完成自主成像任务提供了有效的验证手段。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为引导成像正确性验证总示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明旨在验证星载自主引导成像算法的正确性；星上实时自主获知地面目标坐标，并能够在轨自主解算成像任务参数，为了验证星载算法的正确性，本发明为这种需求提供了一种地面验证解决方法。星上实现时，在轨获取地面点目标坐标后，快速求解相机指向调整参数以及成像开始时刻等任务执行参数，以确保卫星能够自主、实时、快速、精准的对目标成像，即谓自主引导成像。为了验证上述步骤，在地面通过动力学及遥测数据驱动STK场景，可显示并计算引导精度；TDI-CCD相机的偏流角修正可通过视轴指向处的像移在相机像平面坐标系下的表达，验证星上偏流角算法的正确性。
具体地，根据本发明提供的一种星载自主引导成像地面验证方法，包括如下步骤：
步骤A：在场景中建立卫星；
步骤B：通过卫星指向视轴与经过成像目标最近点的时刻，验证自主引导成像时刻计算的正确性。
优选地，所述步骤B包括如下步骤：
步骤B-1：设置场景的解算起始时刻，记为时刻t0；
步骤B-2：修改卫星相机视场敏感器的水平角为0.0001°；单步播放场景，观察该卫星相机视场经过目标的时刻，记为时刻t1，其中，时刻t1与成像时刻之差即为成像时刻解算误差；
步骤B-3：修改卫星相机视场敏感器的垂直角为0.0001°；设置场景时刻为成像时刻，量取地面目标与相机视场的距离L，该距离L与卫星飞行高度的比值折合为角度，即为摆角控制量的解算误差；若摆角控制量的解算误差超过设定阈值，则认为自主引导成像时刻计算的不正确，否则，认为自主引导成像时刻计算的正确。
优选地，所述距离L与卫星飞行高度的比值根据如下计算式折合为角度：
(距离L与卫星飞行高度的比值/600)*(180/π)。
优选地，还包括如下步骤：
步骤C：通过输出成像时刻卫星指向视轴与地球的交点的矢量在相机坐标系下的三轴速度分量来计算偏流角，验证星上偏流角计算正确性。
优选地，所述步骤C如下步骤：
步骤C-1：提取卫星指向视轴与地球地面交点处的经纬度；
步骤C-2：建立地面站，地面站的位置在卫星指向视轴与地球地面交点处：
步骤C-3：建立矢量Vector_Sat2Tar，其中，所述矢量Vector_Sat2Tar为从卫星到卫星指向视轴与地球地面交点处的矢量；
步骤C-4：相机坐标系为笛卡尔xyz坐标系，得到矢量Vector_Sat2Tar在相机坐标下的x轴、y轴、z轴的速度分量Derivative x、Derivative y、Derivative z；
步骤C-5：将y轴的速度分量与x轴的速度分量的比值的反正切值作为偏流角；
步骤C-6：如果步骤C-5中计算得到偏流角与星上计算的偏流角一致，则认为星上偏流角计算正确，否则，认为星上偏流角计算不正确。
优选地，所述场景为以卫星动力学数据和整星遥测数据驱动STK软件所建立的场景，其中，所述卫星动力学数据包括卫星的J2000地球惯性系坐标系下的位置、速度、卫星三轴欧拉姿态角，整星遥测数据包括目标WGS84坐标系下的位置、相机后视角、摆镜侧摆角。
优选地，卫星相机坐标系以卫星本体系为基准，312转序下的偏航滚动俯仰欧拉角为[0φ0]，其中，312代表坐标变换的旋转顺序，依次为z轴、x轴、y轴；φ表示卫星相机侧摆角。
优选地，所述相机视场，具体为：
以卫星相机坐标系为基准参考坐标系，312转序下的偏航滚动俯仰欧拉角为[00η]，视场形状为矩形；所述η表示相机后视角，按照右手定则以卫星本体系+y轴为基准；312代表坐标变换的旋转顺序，依次为z轴、x轴、y轴；φ表示卫星相机侧摆角。
优选地，所述矢量Vector_Sat2Tar的起始点为卫星中心，结束点为卫星相机视轴与地球地面的交点。
更进一步具体地，在一个优选的具体实施方式中，所述星载自主引导成像地面验证方法包括如下步骤：
步骤1，场景建立与坐标系定义；
步骤1-1：在STK场景中建立卫星，从地面动力学取J2000地球惯性坐标系卫星位置速度，实时驱动卫星SAT-1的卫星轨道运动，从地面动力学取卫星欧拉姿态角，实时驱动卫星SAT-1的卫星姿态。
步骤1-2：建立相机坐标系Camera Axis，基准坐标系为卫星本体系Body Axis，Euler B设置为摆镜摆角，示例中摆角为10°。相机视轴为Camera Axis系中的Z轴；
步骤1-3：建立电子信号视场Sensor-Dianzi，参考坐标系为卫星本体系，视场类型为圆锥型，视场半角30°；
步骤1-4：建立相机视场Sensor-Camera，即TDICCD阵列在地面投影，参考坐标系为相机系Camera Axis下，视场类型为矩形，视场设置水平角horizontal角为1.4°，垂直角vertical角0.2°；
指向设置：以欧拉角312转序，Euler C设置为后视角-5.3°；
步骤1-5：建立引导成像的地面目标YDTarget_k，取遥测数据中的地面目标WGS84位置坐标。
步骤2，引导算法正确性验证；
引导算法主要求解两个参数：成像时刻和摆角控制量，引导成像正确性需验证这两个参数，可参照如下步骤。
步骤2-1：设置场景到解算起始时刻，即t0时刻；
步骤2-2：修改相机视场敏感器Sensor-Camera的水平角horizontal角为0.0001°；单步播放场景，观察该相机视场经过目标的时刻，该时刻与求解出的成像时刻之差即为成像时刻解算误差；
步骤2-3：修改相机视场敏感器Sensor-Camera的垂直角vertical角为0.0001°；设置场景时刻为成像时刻，量取地面目标与相机视场的距离，该距离与卫星飞行高度的比值转换为角度，即为摆角控制量的解算误差；
按照仿真情况，初始时刻t0为[2015年1月1日0时0分0秒]，卫星J2000地球惯性坐标系下位置速度：
Px＝-4485.461944km,Py＝-651.460201km,Pz＝5305.720367km；
Vx＝-5.789659km/s,Vy＝0.592053km/s,Vz＝-4.821890]km/s；
三轴姿态角按滚动俯仰偏航为[-0.5°,2°,1°]，WGS84坐标系下目标位置[425km,4423km,4560km],星上解算出成像时刻[2015年1月1日0时1分10.2秒]、相机侧摆角为-15.63°。经验证，成像时刻为[2015年1月1日0时1分10.266秒]，引导成像算法计算误差为0.066秒，满足小于1秒的星上计算误差要求；摆镜摆角控制量计算误差为0.1公里，折合成角度误差约为0.1/600*180/pi＝0.01°，满足小于0.1°的星上计算误差要求。示意如图1所示。
步骤3，偏流角算法正确性验证；
地物目标所对应的像在CCD所在的像平面中移动的速度矢量，即为像移速度矢量，它与相机系x轴的夹角即为偏流角。验证其计算正确性的方法具体如下：
步骤3-1：提取视轴与地球交点的经纬度。
提取相机视场敏感器Sensor-Camera的视轴与地球交点位置BoresightIntersection报告，此坐标描述在地理坐标系下。
步骤3-2：建立地面站Target_plj，位置为视轴与地面交点：
步骤3-3：建立矢量Vector_Sat2Tar：从卫星SAT-1到视轴与地面交点处位置Target_plj的矢量；
步骤3-4：输出矢量Vector_Sat2Tar在相机坐标下SAT-1-Camera Axis下的三轴xyz轴的速度分量Derivative x,Derivative y,Derivative z；
步骤3-5：计算偏流角，为y轴速度分量与x轴速度分量比值的反正切值：atand(Derivative y/Derivative x)；
如果场景计算的偏流角与星上算法计算的一致认为星上偏流角计算值正确。
按照仿真情况，视轴与地面交点的地理经纬度为[84.514°E,45.938°N],
输出卫星指向视轴地面交点的矢量Vector_Sat2Tar在相机坐标系SAT-1-CameraAxis下的三轴速度分量为[-6.942242,-0.135932,-0.254706]km/s,则偏流角为atand(-0.135932/-6.942242)＝1.122°，星上程序计算结果为1.125°，星上计算误差为0.003°，满足小于0.01°的星上计算误差要求。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (6)
1.一种星载自主引导成像地面验证方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：在场景中建立卫星；
步骤B：通过卫星指向视轴与经过成像目标最近点的时刻，验证自主引导成像时刻计算的正确性；
所述步骤B包括如下步骤：
步骤B-1：设置场景的解算起始时刻，记为时刻t0；
步骤B-2：修改卫星相机视场敏感器的水平角为0.0001°；单步播放场景，观察该卫星相机视场经过目标的时刻，记为时刻t1，其中，时刻t1与成像时刻之差即为成像时刻解算误差；
步骤B-3：修改卫星相机视场敏感器的垂直角为0.0001°；设置场景时刻为成像时刻，量取地面目标与相机视场的距离L，该距离L与卫星飞行高度的比值折合为角度，即为摆角控制量的解算误差；若摆角控制量的解算误差超过设定阈值，则认为自主引导成像时刻计算的不正确，否则，认为自主引导成像时刻计算的正确；
所述的星载自主引导成像地面验证方法，还包括如下步骤：
步骤C：通过输出成像时刻卫星指向视轴与地球的交点的矢量在相机坐标系下的三轴速度分量来计算偏流角，验证星上偏流角计算正确性；
所述步骤C如下步骤：
步骤C-1：提取卫星指向视轴与地球地面交点处的经纬度；
步骤C-2：建立地面站，地面站的位置在卫星指向视轴与地球地面交点处：
步骤C-3：建立矢量Vector_Sat2Tar，其中，所述矢量Vector_Sat2Tar为从卫星到卫星指向视轴与地球地面交点处的矢量；
步骤C-4：相机坐标系为笛卡尔xyz坐标系，得到矢量Vector_Sat2Tar在相机坐标下的x轴、y轴、z轴的速度分量Derivative x、Derivative y、Derivative z；
步骤C-5：将y轴的速度分量与x轴的速度分量的比值的反正切值作为偏流角；
步骤C-6：如果步骤C-5中计算得到偏流角与星上计算的偏流角一致，则认为星上偏流角计算正确，否则，认为星上偏流角计算不正确。
2.根据权利要求1所述的星载自主引导成像地面验证方法，其特征在于，所述距离L与卫星飞行高度的比值根据如下计算式折合为角度：
(距离L与卫星飞行高度的比值/600)*(180/π)。
3.根据权利要求1所述的星载自主引导成像地面验证方法，其特征在于，所述场景为以卫星动力学数据和整星遥测数据驱动STK软件所建立的场景，其中，所述卫星动力学数据包括卫星的J2000地球惯性系坐标系下的位置、速度、卫星三轴欧拉姿态角，整星遥测数据包括目标WGS84坐标系下的位置、相机后视角、摆镜侧摆角。
4.根据权利要求1所述的星载自主引导成像地面验证方法，其特征在于，卫星相机坐标系以卫星本体系为基准，312转序下的偏航滚动俯仰欧拉角为[0 φ 0]，其中，312代表坐标变换的旋转顺序，依次为z轴、x轴、y轴；φ表示卫星相机侧摆角。
5.根据权利要求1所述的星载自主引导成像地面验证方法，其特征在于，所述相机视场，具体为：
以卫星相机坐标系为基准参考坐标系，312转序下的偏航滚动俯仰欧拉角为[0 0 η]，视场形状为矩形；所述η表示相机后视角，按照右手定则以卫星本体系+y轴为基准；312代表坐标变换的旋转顺序，依次为z轴、x轴、y轴；φ表示卫星相机侧摆角。
6.根据权利要求1所述的星载自主引导成像地面验证方法，其特征在于，所述矢量Vector_Sat2Tar的起始点为卫星中心，结束点为卫星相机视轴与地球地面的交点。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |