CN106124170A - 一种基于高精度姿态信息的相机光轴指向计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于高精度姿态信息的相机光轴指向计算方法，根据扫描相机光轴在卫星本体系{b}下的指向以及卫星本体坐标系{b}相对轨道坐标系{o}的转换矩阵A_bo，来计算相机光轴在轨道坐标系下的指向由和卫星轨道坐标系{o}相对地心惯性坐标系{i}的转换矩阵A_oi，来计算相机光轴在地心惯性坐标系{i}的指向由及地心惯性坐标系{i}相对于地固系的转换矩阵(HG)，计算相机光轴在地固系下的指向本发明的计算方式可由地面实时的计算并修正光轴指向，也可预先将地面的轨道、地固系信息保存于星上由星上实时自主计算并修正光轴指向，通过以上简单的计算方式，即可提高卫星的成像能力。

Description

一种基于高精度姿态信息的相机光轴指向计算方法

技术领域

本发明涉及卫星光轴指向技术，具体涉及基于高精度姿态信息的相机光轴指向计算方法。

背景技术

近年来航天光学遥感技术获得了巨大的发展，为了使遥感仪器既具有高的地面分辨率，又有大的观测范围，往往采用运动扫描镜来使遥感相机能够对不同位置的地面目标进行详细观测。

美国GOES－I/M卫星上所安装的扫描成像器IMAGER采用摆镜东西扫描方式。美国Landsat-4，5卫星上的TM(主体测绘仪)是摆扫式的多光谱扫描辐射计。法国SPOT-5卫星上的HRG(高分辨率几何)相机利用指向镜机构获得倾斜视角观测能力，最大侧视角度为27°。我国第一代极轨气象卫星FY-1(风云一号)携带的扫描辐射计采用了45°旋转反射镜扫描方式。中巴地球资源卫星(CBERS)携带的红外多光谱扫描仪(IRMSS)也采用了摆动扫描镜扫描方式，提高了扫描效率。

但同时扫描镜的使用也给遥感相机的成像过程带来了一些新的影响，受地球轨道热变形、平台控制误差和扫描机构指向偏差等因素的影响，相机的高精度光轴指向信息通常难以精确获得，因此如何利用已有的信息高效的获取光轴指向是本发明亟需解决的一个问题。

发明内容

本发明旨在提出一种基于高精度姿态信息的相机光轴指向计算方法，能够简单有效地获取相机的光轴指向，提高卫星的成像能力。

为了达成上述目的，本发明提供了一种基于高精度姿态信息的相机光轴指向计算方法，通过以下各步骤实现，各步骤中计算时刻均以相机曝光时刻为基准点：

1)计算扫描相机光轴在卫星本体系{b}下的指向

计算时，由卫星下传中相机的曝光时间和转角测量信息得到相机光轴指向，同时计算过程中考虑相机的初始安装偏差角。

2)计算卫星本体坐标系{b}相对轨道坐标系{o}的转换矩阵A_bo；

计算时，由卫星下传的星上时间和控制***获取的高精度姿态测量信息得到。为此，通过星敏感器与陀螺组合的联合高精度姿态确定方法，获得高精度的姿态角度及姿态角速度信息；同时考虑到相机曝光时刻与星上控制***计算的姿态时间有偏差，通过将姿态角和角速度进行递推的方式以补偿曝光时间差。

3)计算相机光轴在轨道坐标系下的指向由1)和2)计算得到的和A_bo，求得

4)计算卫星轨道坐标系{o}相对地心惯性坐标系{i}的转换矩阵A_oi；

由地面测控的卫星轨道数据信息，得到相机曝光时刻的卫星位置和速度矢量计算轨道系与地心惯性系之间的姿态转换矩阵。

5)计算相机光轴在地心惯性坐标系{i}的指向由3)和4)计算得到的和A_oi，求得

6)计算地心惯性坐标系{i}相对于地固系的转换矩阵(HG)；

计算时，根据IAU2000规范考虑章动、岁差、自转几方面的影响，将J2000坐标系转换到地球固连坐标系WGS-84。

7)计算相机光轴在地固系下的指向由5)和6)计算得到的和(HG)，求得

与现有技术相比，其优点和有益效果是：

1)利用星上已有的相机曝光时间、转角测量信息、高精度姿态信息再结合地面的轨道信息、地固系信息通过算法简单有效的获取相机的光轴指向；

2)计算的方法可由地面实时的计算并修正光轴指向，也可预先将地面的轨道、地固系信息保存于星上由星上实时自主计算并修正光轴指向，通过简单的计算方式，即可提高卫星的成像能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的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是本发明实施例的一种基于高精度姿态信息的相机光轴指向计算方法的流程图。

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。

如图1所示，本发明提供的一种基于高精度姿态信息的相机光轴指向计算方法，包含以下过程：

1.计算扫描相机光轴在卫星本体系{b}下的指向

用相机探测器中心点r_sm为信号的输入，通过推导r_sm经过扫描转动，得到在相机主体坐标系(与测量坐标系一致)下的输出光线r_xj，用r_xj来描述相机转角测量信息与光轴指向之间的关系：

r_sm＝(0 0 1)^T

r_xj＝A_zd ^T·R_x(α_xj)^T·N_z·R_x(α_xj)·A_zd·r_sm

其中，A_zd为相机成像测量坐标系到相机转动轴坐标系的转换矩阵，α_xj为绕转动轴转动的角度，R_x表示绕x轴旋转的旋转矩阵，N_z为相机扫描的极性矩阵。

在卫星总装过程中，相机的安装等会引起相机基准值与理论值不一致，通过安装测量确定基准偏差矩阵ΔA_sm，则在{b}下的实际指向为：

$r_{xj}^b={\mathrm{\ΔA}}_{sm}{r}_{xj}$

2.计算卫星本体坐标系{b}相对轨道坐标系{o}的转换矩阵A_bo

通过星敏感器与陀螺组合的联合高精度姿态确定方法，获得高精度的姿态角度及姿态角速度信息，考虑到相机曝光时刻与星上控制***计算的姿态时间有偏差，通过将姿态角和角速度进行递推的方式以补偿曝光时间差，以滚动轴为例：

其中，表示t_k时刻的滚动角度，表示t_k时刻的滚动角速度；k为序列。

通过以上方式，可得到分别表示滚动角度、俯仰角度、偏航角度，则卫星本体在轨道系下的方向余弦阵可以表示为：

R_y表示绕y轴旋转的旋转矩阵，R_z表示绕z轴旋转的旋转矩阵。

3.计算相机光轴在轨道坐标系下的指向

由步骤1和步骤2，可以得到相机在轨道系下的光轴指向：

$r_{xj}^o=A_{bo}^T{r}_{xj}^b$

4.计算卫星轨道坐标系{o}相对地心惯性坐标系{i}的转换矩阵A_oi

相机曝光时刻t_xj时候，卫星的位置r＝(r_x,r_y,r_z)^T和速度v＝(v_x,v_y,v_z)^T，根据位置和速度矢量计算姿态转换矩阵：

$A_{oi}\left(3\right)=-\frac{r}{\left|r\right|}$

$A_{oi}\left(2\right)=-\frac{r\×v}{|r\×v|}$

A_oi(1)＝A_oi(2)×A_oi(3)

A_oi＝[A_oi(1) A_oi(2) A_oi(3)]^T

5.计算相机光轴在地心惯性坐标系{i}的指向

由步骤3和步骤4，可以得到相机在地心惯性系下的光轴指向：

$r_{xj}^i=A_{oi}^T{r}_{xj}^o=A_{oi}^T{A}_{bo}^T{r}_{xj}^b$

6.计算地心惯性坐标系{i}相对于地固系的转换矩阵(HG)

从地固系的定义可知，地固系与平极相关，而历元J2000惯性系只与历元时间的平赤道和黄道相关。在考虑地固系与惯性系之间的关系时，需要从以下几方面考虑：

1、瞬时天极相对于惯性系(J2000)的变化；

2、瞬时天极的自转。

1)瞬时天极相对惯性系(J2000)的变化

由于日、月对地球非球形部分的引力作用，地球自转轴在空间摆动，使得瞬时天极相对于惯性系存在变化，主要为岁差、章动。

由标准历元J2000.0到计算历元的平赤道坐标系之间转换的三个赤道岁差参数ζ_A,z_A,θ_A，可得到岁差矩阵表示为：

(PR)＝R_z(-z_A)R_y(θ_A)R_z(-ζ_A)

由IAU2000章动模型的黄经章动Δψ、交角章动Δε、瞬时平赤道面与黄道面的交角ε_A，可得到章动矩阵：

(NR)＝R_x(-Δε)R_y(Δθ)R_z(-Δμ)

其中Δμ＝Δψcosε_A,Δθ＝Δψsinε_A是赤经和赤纬章动。

2)瞬时天极的自转

地球自转矩阵ER(t)的计算涉及到时刻t的格林尼治真恒星时GAST，即

(ER)＝R_z(GAST)

综上所示，地心惯性坐标系(J2000)与地固系(WGS84)坐标系之间的转换关系可以表述为如下关系：

(HG)＝(ER)(NR)(PR)

7.计算相机光轴在地固系下的指向

由步骤5和步骤6，可以得到相机在地固系下的光轴指向：

$r_{xj}^e=\left(HG\right)r_{xj}^i=\left(HG\right)A_{oi}^T{r}_{xj}^o=\left(HG\right)A_{oi}^T{A}_{bo}^T{r}_{xj}^b$

本发明所示基于高精度姿态信息的相机光轴指向计算方法，在不增加多余信息、多余工作工况的情况下，利用星上已有的相机曝光时间、转角测量信息、高精度姿态信息再结合地面的轨道信息、地固系信息通过算法简单有效的获取相机的光轴指向。计算的方法可由地面实时的计算并修正光轴指向，也可预先将地面的轨道、地固系信息保存于星上由星上实时自主计算并修正光轴指向，通过简单的计算方式，即可提高卫星的成像能力。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种基于高精度姿态信息的相机光轴指向计算方法，其特征在于，

根据扫描相机光轴在卫星本体系{b}下的指向以及卫星本体坐标系{b}相对轨道坐标系{o}的转换矩阵A_bo，来计算相机光轴在轨道坐标系下的指向

$r_{xj}^o=A_{bo}^T{r}_{xj}^b$

根据求得的指向及卫星轨道坐标系{o}相对地心惯性坐标系{i}的转换矩阵A_oi，来计算相机光轴在地心惯性坐标系{i}的指向

$r_{xj}^i=A_{oi}^T{r}_{xj}^o=A_{oi}^T{A}_{bo}^T{r}_{xj}^b$

根据求得的指向以及地心惯性坐标系{i}相对于地固系的转换矩阵(HG)，计算相机光轴在地固系下的指向

$r_{xj}^e=\left(HG\right)r_{xj}^i=\left(HG\right)A_{oi}^T{r}_{xj}^o=\left(HG\right)A_{oi}^T{A}_{bo}^T{r}_{xj}^b.$

2.如权利要求1所述基于高精度姿态信息的相机光轴指向计算方法，其特征在于，根据卫星下传中相机的曝光时间和转角测量信息得到相机光轴指向，并基于相机的初始安装偏差角进行修正，得到指向

r_sm＝(0 0 1)^T

r_xj＝A_zd ^T·R_x(α_xj)^T·N_z·R_x(α_xj)·A_zd·r_sm

$r_{xj}^b={\mathrm{\ΔA}}_{sm}{r}_{xj}$

其中，r_sm是相机探测器中心点，作为信号输入；通过推导相机探测器中心点r_sm经过扫描转动，得到在相机主体坐标系下的输出光线r_xj，用来描述相机转角测量信息与光轴指向之间的关系；

A_zd为相机成像测量坐标系到相机转动轴坐标系的转换矩阵，R_x表示绕x轴旋转的旋转矩阵，α_xj为绕转动轴转动的角度，N_z为相机扫描的极性矩阵；ΔA_sm为相机安装的基准偏差矩阵，在卫星总装时测得。

3.如权利要求1所述基于高精度姿态信息的相机光轴指向计算方法，其特征在于，根据卫星下传的星上时间和星上控制***获取的姿态测量信息，对于相机曝光时刻与星上控制***计算的姿态时间的偏差，通过将姿态角及姿态角速度进行递推的方式来补偿曝光时间差，得到转换矩阵A_bo：

$\mathrm{\θ}\left(t_{xj}\right)=\mathrm{\θ}\left(t_k\right)+\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\left(t_k\right)(t_{xj}-t_k)$

$\mathrm{\ψ}\left(t_{xj}\right)=\mathrm{\ψ}\left(t_k\right)+\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}\left(t_k\right)(t_{xj}-t_k)$

其中，t_xj为相机曝光时刻，t_k-1＜t_xj≤t_k；

θ(t_k)、ψ(t_k)分别表示t_k时刻的滚动角度、俯仰角度、偏航角度，分别表示t_k时刻的滚动角速度、俯仰角速度、偏航角速度；R_y表示绕y轴旋转的旋转矩阵，R_z表示绕z轴旋转的旋转矩阵。

4.如权利要求1所述基于高精度姿态信息的相机光轴指向计算方法，其特征在于，在相机曝光时刻，从地面测控的卫星轨道数据信息获取卫星的位置r＝(r_x,r_y,r_z)^T和速度v＝(v_x,v_y,v_z)^T，根据位置矢量和速度矢量计算转换矩阵A_oi：

$A_{oi}\left(3\right)=-\frac{r}{\left|r\right|}$

$A_{oi}\left(2\right)=-\frac{r\×v}{|r\×v|}$

A_oi(1)＝A_oi(2)×A_oi(3)

A_oi＝[A_oi(1) A_oi(2) A_oi(3)]^T。

5.如权利要求1所述基于高精度姿态信息的相机光轴指向计算方法，其特征在于，基于IAU2000规范的岁差、章动、自转矩阵，将地心惯性坐标系J2000转换到地球固连坐标系WGS84：

岁差矩阵表示为：

(PR)＝R_z(-z_A)R_y(θ_A)R_z(-ζ_A)

其中，ζ_A,z_A,θ_A是由标准历元的地心惯性坐标系J2000.0到计算历元的平赤道坐标系之间转换的三个赤道岁差参数；

章动矩阵表示为：

(NR)＝R_x(-Δε)R_y(Δθ)R_z(-Δμ)

其中，Δμ＝Δψcosε_A,Δθ＝Δψsinε_A分别是赤经和赤纬章动；IAU2000章动模型的黄经章动Δψ、交角章动Δε、瞬时平赤道面与黄道面的交角ε_A；

地球自转矩阵ER(t)表示为：

(ER)＝R_z(GAST)

GAST为时刻t的格林尼治真恒星时；

求得转换矩阵(HG)：

(HG)＝(ER)(NR)(PR)。