CN111381256B - 主动遥感卫星天线相位中心偏移误差计算的方法和*** - Google Patents

主动遥感卫星天线相位中心偏移误差计算的方法和*** Download PDF

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CN111381256B CN202010163564.2A CN202010163564A CN111381256B CN 111381256 B CN111381256 B CN 111381256B CN 202010163564 A CN202010163564 A CN 202010163564A CN 111381256 B CN111381256 B CN 111381256B
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Abstract

本发明提供一种主动遥感卫星天线相位中心偏移误差计算的方法和***，由GNSS观测数据处理得到WGS84坐标系下卫星GNSS天线相位中心的矢量，误差包括GNSS的测量误差；根据地面测量得到卫星本体坐标系下GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的连线矢量，误差包括GNSS天线、主动遥感天线相位中心的安装和变形误差；计算卫星本体坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，误差包括卫星姿态指向误差、GNSS的测量误差、轨道参数转换误差；计算得到WGS84坐标系下卫星主动遥感天线相位中心的矢量和偏移误差。计算方法简单、计算精度高、适用性强，具有良好的应用前景和市场前景，是主动遥感卫星精密图像处理的关键步骤。

Description

主动遥感卫星天线相位中心偏移误差计算的方法和***
技术领域
本发明涉及卫星总体设计领域，具体地，涉及一种主动遥感卫星天线相位中心偏移误差计算的方法和***，尤其是涉及主动遥感卫星在轨相位的计算。
背景技术
主动遥感卫星通过主辅星在轨空间编队飞行，卫星发射，主辅星同时接收，形成有效干涉基线，对地球形成干涉测绘。主动遥感天线相位中心计算的准确性直接影响测绘精度。
经检索发现，专利文献CN 102981174A公开了一种GPS天线相位中心变化对相对定位精度的修正方法，包括以下步骤：两个目标均载有GPS接收机及GPS天线，利用GPS卫星信号对两个目标进行相对定位；确定两个目标的GPS天线相位中心变化；根据所述天线相位中心变化确定与目标相对定位精度修正量的关系；利用所述修正量对目标相对定位精度进行修正。实现了根据天线相位中心变化修正目标相对定位结果，提高了目标相对定位精度。但是不适用于主动遥感卫星天线相位中心坐标系转换和相位中心偏移误差计算。
因此，有必要设计一种方法简单、计算精度高、适用性强的主动遥感卫星天线相位中心偏移误差计算的方法。
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主动遥感卫星天线相位中心偏移误差计算的方法和***。
根据本发明提供的一种主动遥感卫星天线相位中心偏移误差计算的方法，包括：
步骤S1：基于GNSS观测数据处理得到WGS84坐标系下GNSS天线相位中心的矢量，偏移误差包括GNSS测量误差；
步骤S2：根据地面测量，得到卫星本体坐标系下GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的连线矢量，偏移误差包括GNSS天线相位中心的安装和变形误差，以及主动遥感天线相位中心的安装和变形误差；
步骤S3：根据矢量和连线矢量，计算卫星本体坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，偏移误差包括卫星姿态指向误差、GNSS测量误差、轨道参数转换误差；
步骤S4：根据坐标转换矩阵，计算得到WGS84坐标系下主动遥感卫星天线相位中心的矢量和偏移误差。
优选地，所述步骤1中，通过GNSS接收机原始观测数据，在地面经过高精度事后处理，得到WGS84坐标系下卫星GNSS天线相位中心的矢量。
优选地，所述步骤2中，根据地面标定后测量，分别得到卫星本体坐标系下GNSS天线相位中心矢量
Figure BDA0002406633170000021
主动遥感天线相位中心的矢量
Figure BDA0002406633170000022
随后计算得到GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的相对矢量
Figure BDA0002406633170000023
GNSS天线相位中心的安装和变形误差为
Figure BDA0002406633170000024
主动遥感天线相位中心的安装和变形误差分别
Figure BDA0002406633170000025
计算公式为：
Figure BDA0002406633170000026
其中，
Figure BDA0002406633170000027
表示GNSS天线相位中心与主动遥感卫星天线相位中心之间的相对矢量偏差。
优选地，所述步骤3中，利用瞬时轨道参数、卫星姿态角、世界时，分别计算得到卫星本体坐标系到轨道坐标系、到J2000惯性坐标系、到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，计算公式为：
Figure BDA0002406633170000028
其中，M表示卫星本体坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，ΔM表示坐标转换矩阵的偏差项，PR、NR和EP分别为岁差、章动和极移矩阵，ER为地球旋转矩阵；
L()为坐标系转换矩阵，Lx(α)为绕x轴旋转α角度的变换关系，Ly(α)为绕y轴旋转α角度的变换关系，Lz(α)为绕z轴旋转α角度的变换关系；
Ω为升交点赤经、i为轨道倾角、u为纬度幅角；ψ、φ、θ为卫星姿态偏航角、滚动角、俯仰角，α为卫星斜飞角度；ΔΩ、Δi、Δu分别为GNSS的测量和轨道参数转换带来的误差，Δψ、Δφ、Δθ分别为卫星姿态指向误差；ΔΩ表示GNSS的测量和轨道参数转换带来的升交点赤经偏差，Δi表示GNSS的测量和轨道参数转换带来的倾角偏差，Δu表示GNSS的测量和轨道参数转换带来的纬度幅角偏差，Δψ表示卫星姿态偏航角偏差，Δφ表示卫星姿态滚动角偏差，表示卫星姿态俯仰角偏差Δθ。
优选地，所述步骤4中，计算得到WGS84坐标系下卫星主动遥感天线相位中心的矢量和偏移误差，计算公式为：
Figure BDA0002406633170000031
其中，
Figure BDA0002406633170000032
表示WGS84坐标系下卫星主动遥感天线相位中心的矢量，
Figure BDA0002406633170000033
表示WGS84坐标系下卫星主动遥感天线相位中心的矢量偏差；
Figure BDA0002406633170000034
表示WGS84坐标系下GNSS天线相位中心的矢量，
Figure BDA0002406633170000035
表示WGS84坐标系下GNSS天线相位中心的矢量偏差；
Figure BDA0002406633170000036
表示GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的相对矢量，
Figure BDA0002406633170000037
表示GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的相对矢量偏差。
根据本发明提供的一种主动遥感卫星天线相位中心偏移误差计算的***，包括：
模块S1：基于GNSS观测数据处理得到WGS84坐标系下GNSS天线相位中心的矢量，偏移误差包括GNSS测量误差；
模块S2：根据地面测量，得到卫星本体坐标系下GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的连线矢量，偏移误差包括GNSS天线相位中心的安装和变形误差，以及主动遥感天线相位中心的安装和变形误差；
模块S3：根据矢量和连线矢量，计算卫星本体坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，偏移误差包括卫星姿态指向误差、GNSS测量误差、轨道参数转换误差；
模块S4：根据坐标转换矩阵，计算得到WGS84坐标系下主动遥感卫星天线相位中心的矢量和偏移误差。
优选地，所述模块1中，通过GNSS接收机原始观测数据，在地面经过高精度事后处理，得到WGS84坐标系下卫星GNSS天线相位中心的矢量。
优选地，所述模块2中，根据地面标定后测量，分别得到卫星本体坐标系下GNSS天线相位中心矢量
Figure BDA0002406633170000038
主动遥感天线相位中心的矢量
Figure BDA0002406633170000039
随后计算得到GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的相对矢量
Figure BDA00024066331700000310
GNSS天线相位中心的安装和变形误差为
Figure BDA00024066331700000311
主动遥感天线相位中心的安装和变形误差分别
Figure BDA00024066331700000312
计算公式为：
Figure BDA00024066331700000313
其中，
Figure BDA00024066331700000314
表示GNSS天线相位中心与主动遥感卫星天线相位中心之间的相对矢量偏差。
优选地，所述模块3中，利用瞬时轨道参数、卫星姿态角、世界时，分别计算得到卫星本体坐标系到轨道坐标系、到J2000惯性坐标系、到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，计算公式为：
Figure BDA0002406633170000041
其中，M表示卫星本体坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，ΔM表示坐标转换矩阵的偏差项，PR、NR和EP分别为岁差、章动和极移矩阵，ER为地球旋转矩阵；
L()为坐标系转换矩阵，Lx(α)为绕x轴旋转α角度的变换关系，Ly(α)为绕y轴旋转α角度的变换关系，Lz(α)为绕z轴旋转α角度的变换关系；
Ω为升交点赤经、i为轨道倾角、u为纬度幅角；ψ、φ、θ为卫星姿态偏航角、滚动角、俯仰角，α为卫星斜飞角度；ΔΩ、Δi、Δu分别为GNSS的测量和轨道参数转换带来的误差，Δψ、Δφ、Δθ分别为卫星姿态指向误差；ΔΩ表示GNSS的测量和轨道参数转换带来的升交点赤经偏差，Δi表示GNSS的测量和轨道参数转换带来的倾角偏差，Δu表示GNSS的测量和轨道参数转换带来的纬度幅角偏差，Δψ表示卫星姿态偏航角偏差，Δφ表示卫星姿态滚动角偏差，表示卫星姿态俯仰角偏差Δθ。
优选地，所述模块4中，计算得到WGS84坐标系下卫星主动遥感天线相位中心的矢量和偏移误差，计算公式为：
Figure BDA0002406633170000042
其中，
Figure BDA0002406633170000043
表示WGS84坐标系下卫星主动遥感天线相位中心的矢量，
Figure BDA0002406633170000044
表示WGS84坐标系下卫星主动遥感天线相位中心的矢量偏差；
Figure BDA0002406633170000045
表示WGS84坐标系下GNSS天线相位中心的矢量，
Figure BDA0002406633170000046
表示WGS84坐标系下GNSS天线相位中心的矢量偏差；
Figure BDA0002406633170000047
表示GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的相对矢量，
Figure BDA0002406633170000048
表示GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的相对矢量偏差。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明能够根据GNSS观测数据、卫星主动遥感天线相位中心和GNSS天线相位中心的位置等，通过一系列的坐标系转换快速计算得到WGS84坐标系下主动遥感天线相位中心的矢量和偏移误差。
2、本发明方法简单、计算精度高、适用性强，具有良好的应用前景和市场前景。
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为本发明的主动遥感卫星GNSS和主动遥感天线相位中心的几何关系示意图。
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。
本发明实施例提供了一种主动遥感卫星天线相位中心偏移误差计算的方法，包括如下步骤：
步骤1，由GNSS(全球导航定位***)观测数据处理得到WGS84坐标系下卫星GNSS天线相位中心的矢量，误差包括GNSS的测量误差；
步骤2，根据地面测量，得到卫星本体坐标系下GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的连线矢量，误差包括GNSS天线、主动遥感天线相位中心的安装和变形误差；
步骤3，计算卫星本体坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，误差包括卫星姿态指向误差、GNSS的测量误差、轨道参数转换误差；
步骤4，计算得到WGS84坐标系下卫星主动遥感天线相位中心的矢量和偏移误差。
所述步骤1中，通过双星GNSS接收机原始观测数据，在地面经过高精度事后处理，得到WGS84坐标系下卫星GNSS天线相位中心的矢量
Figure BDA0002406633170000051
GNSS的测量误差为
Figure BDA0002406633170000052
所述步骤2中，根据地面标定后测量，分别得到卫星本体坐标系下GNSS天线相位中心矢量
Figure BDA0002406633170000053
主动遥感天线相位中心的矢量
Figure BDA0002406633170000054
随后计算得到卫星GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的相对矢量
Figure BDA0002406633170000055
表示GNSS天线相位中心与主动遥感卫星天线相位中心之间的相对矢量偏差，GNSS天线、主动遥感天线相位中心的安装和变形误差分别为
Figure BDA0002406633170000061
计算公式为：
Figure BDA0002406633170000062
所述步骤3中，利用瞬时轨道参数、卫星姿态角、世界时等，计算得到卫星本体坐标系到轨道坐标系、到J2000惯性坐标系、到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，计算公式为：
Figure BDA0002406633170000063
其中，M表示卫星本体坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，ΔM表示坐标转换矩阵的偏差项，PR、NR和EP分别为岁差、章动和极移矩阵，ER为地球旋转矩阵；这里的极移矩阵是标准的计算方法，不是本发明的重点，在此不再展开描述；
L()为坐标系转换矩阵，Lx(α)为绕x轴旋转α角度的变换关系，Ly(α)为绕y轴旋转α角度的变换关系，Lz(α)为绕z轴旋转α角度的变换关系，
Figure BDA0002406633170000064
Ω为升交点赤经、i为轨道倾角、u为纬度幅角；ψ、φ、θ为卫星姿态偏航角、滚动角、俯仰角，α为卫星斜飞角度；ΔΩ、Δi、Δu为GNSS的测量和轨道参数转换带来的误差，Δψ、Δφ、Δθ为卫星姿态指向误差。
所述步骤4中，根据以上步骤计算结果，计算得到WGS84坐标系下卫星主动遥感天线相位中心的矢量和偏移误差，计算公式为：
Figure BDA0002406633170000065
其中，
Figure BDA0002406633170000066
表示WGS84坐标系下卫星主动遥感天线相位中心的矢量，
Figure BDA0002406633170000067
表示WGS84坐标系下卫星主动遥感天线相位中心的矢量偏差；
Figure BDA0002406633170000068
表示WGS84坐标系下GNSS天线相位中心的矢量，
Figure BDA0002406633170000069
表示WGS84坐标系下GNSS天线相位中心的矢量偏差；
Figure BDA00024066331700000610
表示GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的相对矢量，
Figure BDA00024066331700000611
表示GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的相对矢量偏差。
如图1所示，卫星星体10安装了GNSS天线1、主动遥感天线2、太阳阵3，Os为卫星安装坐标系原点，S为卫星主动遥感天线相位中心，G为卫星GNSS天线相位中心。
综上所述，本发明的主动遥感卫星天线相位中心偏移误差计算的方法，能够根据GNSS观测数据、主动遥感天线相位中心和GNSS天线相位中心的位置等，通过一系列的坐标系转换快速计算得到WGS84坐标系下主动遥感天线相位中心的矢量和偏移误差。该计算方法简单、计算精度高、适用性强，具有良好的应用前景和市场前景,是主动遥感卫星精密图像处理的关键步骤。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的***、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
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 (2)

1.一种主动遥感卫星天线相位中心偏移误差计算的方法，其特征在于，包括：
步骤S1：基于GNSS观测数据处理得到WGS84坐标系下GNSS天线相位中心的矢量，偏移误差包括GNSS测量误差；
步骤S2：根据地面测量，得到卫星本体坐标系下GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的连线矢量，偏移误差包括GNSS天线相位中心的安装和变形误差，以及主动遥感天线相位中心的安装和变形误差；
步骤S3：根据矢量和连线矢量，计算卫星本体坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，偏移误差包括卫星姿态指向误差、GNSS测量误差、轨道参数转换误差；
步骤S4：根据坐标转换矩阵，计算得到WGS84坐标系下主动遥感卫星天线相位中心的矢量和偏移误差；
所述步骤1中，通过GNSS接收机原始观测数据，在地面经过高精度事后处理，得到WGS84坐标系下卫星GNSS天线相位中心的矢量；
所述步骤2中，根据地面标定后测量，分别得到卫星本体坐标系下GNSS天线相位中心矢量
Figure FDA0003598468380000011
主动遥感天线相位中心的矢量
Figure FDA0003598468380000012
随后计算得到GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的相对矢量
Figure FDA0003598468380000013
GNSS天线相位中心的安装和变形误差为
Figure FDA0003598468380000014
主动遥感天线相位中心的安装和变形误差分别
Figure FDA0003598468380000015
计算公式为：
Figure FDA0003598468380000016
其中，
Figure FDA0003598468380000017
表示GNSS天线相位中心与主动遥感卫星天线相位中心之间的相对矢量偏差；
所述步骤3中，利用瞬时轨道参数、卫星姿态角、世界时，分别计算得到卫星本体坐标系到轨道坐标系、到J2000惯性坐标系、到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，计算公式为：
Figure FDA0003598468380000018
其中，M表示卫星本体坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，ΔM表示坐标转换矩阵的偏差项，PR、NR和EP分别为岁差、章动和极移矩阵，ER为地球旋转矩阵；
L()为坐标系转换矩阵，Lx(α)为绕x轴旋转α角度的变换关系，Ly(α)为绕y轴旋转α角度的变换关系，Lz(α)为绕z轴旋转α角度的变换关系；
Ω为升交点赤经、i为轨道倾角、u为纬度幅角；ψ、φ、θ为卫星姿态偏航角、滚动角、俯仰角，α为卫星斜飞角度；ΔΩ、Δi、Δu分别为GNSS的测量和轨道参数转换带来的误差，Δψ、Δφ、Δθ分别为卫星姿态指向误差；ΔΩ表示GNSS的测量和轨道参数转换带来的升交点赤经偏差，Δi表示GNSS的测量和轨道参数转换带来的倾角偏差，Δu表示GNSS的测量和轨道参数转换带来的纬度幅角偏差，Δψ表示卫星姿态偏航角偏差，Δφ表示卫星姿态滚动角偏差，表示卫星姿态俯仰角偏差Δθ；
所述步骤4中，计算得到WGS84坐标系下卫星主动遥感天线相位中心的矢量和偏移误差，计算公式为：
Figure FDA0003598468380000021
其中，
Figure FDA0003598468380000022
表示WGS84坐标系下卫星主动遥感天线相位中心的矢量，
Figure FDA0003598468380000023
表示WGS84坐标系下卫星主动遥感天线相位中心的矢量偏差；
Figure FDA0003598468380000024
表示WGS84坐标系下GNSS天线相位中心的矢量，
Figure FDA0003598468380000025
表示WGS84坐标系下GNSS天线相位中心的矢量偏差；
Figure FDA0003598468380000026
表示GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的相对矢量，
Figure FDA0003598468380000027
表示GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的相对矢量偏差。
2.一种主动遥感卫星天线相位中心偏移误差计算的***，其特征在于，包括：
模块S1：基于GNSS观测数据处理得到WGS84坐标系下GNSS天线相位中心的矢量，偏移误差包括GNSS测量误差；
模块S2：根据地面测量，得到卫星本体坐标系下GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的连线矢量，偏移误差包括GNSS天线相位中心的安装和变形误差，以及主动遥感天线相位中心的安装和变形误差；
模块S3：根据矢量和连线矢量，计算卫星本体坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，偏移误差包括卫星姿态指向误差、GNSS测量误差、轨道参数转换误差；
模块S4：根据坐标转换矩阵，计算得到WGS84坐标系下主动遥感卫星天线相位中心的矢量和偏移误差；
所述模块1中，通过GNSS接收机原始观测数据，在地面经过高精度事后处理，得到WGS84坐标系下卫星GNSS天线相位中心的矢量；
所述模块2中，根据地面标定后测量，分别得到卫星本体坐标系下GNSS天线相位中心矢量
Figure FDA0003598468380000031
主动遥感天线相位中心的矢量
Figure FDA0003598468380000032
随后计算得到GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的相对矢量
Figure FDA0003598468380000033
GNSS天线相位中心的安装和变形误差为
Figure FDA0003598468380000034
主动遥感天线相位中心的安装和变形误差分别
Figure FDA0003598468380000035
计算公式为：
Figure FDA0003598468380000036
其中，
Figure FDA0003598468380000037
表示GNSS天线相位中心与主动遥感卫星天线相位中心之间的相对矢量偏差；
所述模块3中，利用瞬时轨道参数、卫星姿态角、世界时，分别计算得到卫星本体坐标系到轨道坐标系、到J2000惯性坐标系、到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，计算公式为：
Figure FDA0003598468380000038
其中，M表示卫星本体坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，ΔM表示坐标转换矩阵的偏差项，PR、NR和EP分别为岁差、章动和极移矩阵，ER为地球旋转矩阵；
L()为坐标系转换矩阵，Lx(α)为绕x轴旋转α角度的变换关系，Ly(α)为绕y轴旋转α角度的变换关系，Lz(α)为绕z轴旋转α角度的变换关系；
Ω为升交点赤经、i为轨道倾角、u为纬度幅角；ψ、φ、θ为卫星姿态偏航角、滚动角、俯仰角，α为卫星斜飞角度；ΔΩ、Δi、Δu分别为GNSS的测量和轨道参数转换带来的误差，Δψ、Δφ、Δθ分别为卫星姿态指向误差；ΔΩ表示GNSS的测量和轨道参数转换带来的升交点赤经偏差，Δi表示GNSS的测量和轨道参数转换带来的倾角偏差，Δu表示GNSS的测量和轨道参数转换带来的纬度幅角偏差，Δψ表示卫星姿态偏航角偏差，Δφ表示卫星姿态滚动角偏差，表示卫星姿态俯仰角偏差Δθ；
所述模块4中，计算得到WGS84坐标系下卫星主动遥感天线相位中心的矢量和偏移误差，计算公式为：
Figure FDA0003598468380000039
其中，
Figure FDA00035984683800000310
表示WGS84坐标系下卫星主动遥感天线相位中心的矢量，
Figure FDA00035984683800000311
表示WGS84坐标系下卫星主动遥感天线相位中心的矢量偏差；
Figure FDA0003598468380000041
表示WGS84坐标系下GNSS天线相位中心的矢量，
Figure FDA0003598468380000042
表示WGS84坐标系下GNSS天线相位中心的矢量偏差；
Figure FDA0003598468380000043
表示GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的相对矢量，
Figure FDA0003598468380000044
表示GNSS天线相位中心与主动遥感天线相位中心之间的相对矢量偏差。
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