一种敏捷卫星斜条带成像模式姿态计算方法

摘要

本发明公开了一种敏捷卫星斜条带成像模式姿态计算方法。输入各时刻卫星的位置坐标、目标成像点的位置坐标和推扫方向向量，并构建地心惯性坐标系、卫星轨道坐标系和卫星本体坐标系；对于目标的成像过程中的任意时刻，根据目标成像点的位置坐标和推扫方向向量确定得到使得目标成像点在卫星的光轴上且偏流角为零的卫星姿态，从而得到从卫星本体坐标系到卫星轨道坐标系的坐标变换矩阵；从坐标变换矩阵提取出欧拉角。本发明解决了传统的偏流角补偿方法算法复杂且补偿不准确的缺陷，为敏捷卫星实现任意方向斜条带成像奠定基础。

权利要求

1.一种敏捷卫星斜条带成像模式姿态计算方法，其特征在于包括步骤如下：

步骤1：输入各时刻卫星的位置坐标、目标成像点的位置坐标和推扫方向向量，并构建地心惯性坐标系、卫星轨道坐标系和卫星本体坐标系；

所述的地心惯性坐标系Oe-xIyIzI、卫星轨道坐标系Os-xoyozo和卫星本体坐标系Os-xbybzb分别为：a)地心惯性坐标系Oe-xIyIzI：坐标系的原点为地心Oe，OexI轴在赤道平面内，指向J2000.0春分点，OezI轴垂直于赤道面，指向北极，与地球自转角速度矢量方向一致，OeyI轴分别垂直于OexI和OezI轴，且构成右手系坐标，简称I系；

b)卫星轨道坐标系Os-xoyozo：坐标系的原点为卫星质心Os，Oszo轴指向地心Oe，Osxo轴在卫星轨道平面内，垂直于Oszo轴，Osyo轴分别垂直于Osxo和Oszo轴，且构成右手系坐标，坐标系在I系内以卫星运行角速度做轨道运动，简称o系；

c)卫星本体坐标系Os-xbybzb：坐标系的原点与o系的原点重合，同为卫星质心Os，Osxb、Osyb和Oszb轴分别作为卫星姿态运动的横滚轴、俯仰轴、偏航轴，且构成右手系坐标，简称b系；

步骤2：对于成像过程中的任意时刻，根据目标成像点的位置坐标和目标条带方向确定得到使得目标成像点在卫星的光轴上且偏流角为零的卫星姿态，从而得到从卫星本体坐标系到卫星轨道坐标系的坐标变换矩阵；

所述步骤2具体为：卫星内设有相机，相机在卫星内的安装时，相机采用时间延迟积分(TDI)CCD，时间延迟积分(TDI)CCD的行方向与Osyb轴平行，时间延迟积分(TDI)CCD的积分方向与Osxb轴平行，并采用以下公式计算坐标变换矩阵Rob：其中：RoI表示从I系到o系的坐标变换矩阵，Rob表示从b系到o系的坐标变换矩阵； 表示b系Osxb轴的基元向量 投影到I系的向量， 表示b系Osyb轴的基元向量 投影到I系的向量， 表示b系Oszb轴的基元向量 投影到I系的向量；

从I系到o系的坐标变换矩阵RoI和向量 分别采用以下公式计算：

其中，Ω表示卫星轨道升交点与春分点间的角度，即轨道升交点赤经；i表示地球赤道面与卫星轨道面的夹角，即轨道倾角；α表示卫星的相机对目标成像时，在卫星轨道平面内，沿着卫星运行的方向，升交点与卫星所在位置对应的地心张角，即卫星纬度幅角； 表示矢量 投影到I系的向量， 表示从卫星质心Os指向地面目标成像点T的矢量，表示目标成像点T处的推扫方向向量，即目标条带中心线在T点的切线向量；

步骤3：从坐标变换矩阵提取出欧拉角；

所述步骤3具体采用以下公式从坐标变换矩阵提取欧拉角：

其中，Ri,j表示坐标变换矩阵Rob中的第i行、第j列元素，i,j＝1,2,3； θ、ψ分别表示卫星本体坐标系相对卫星轨道坐标系的滚动角、俯仰角和偏航角。

2.根据权利要求1所述的一种敏捷卫星斜条带成像模式姿态计算方法，其特征在于：所述的目标条带为斜条带模式下的任务条带。

3.根据权利要求1所述的一种敏捷卫星斜条带成像模式姿态计算方法，其特征在于：卫星在初始姿态下的所述卫星本体坐标系Os-xbybzb和所述卫星轨道坐标系Os-xoyozo重合，即Osxb、Osyb、Oszb轴分别与Osxo、Osyo、Oszo轴重合。

说明书

一种敏捷卫星斜条带成像模式姿态计算方法

技术领域

[0001] 本发明属于遥感技术领域，涉及保证敏捷卫星斜条带成像条件工作，具体涉及一种敏捷卫星斜条带成像模式姿态计算方法。

背景技术

[0002] 星载TDICCD线阵推扫式空间相机在对地摄影时，CCD线阵移动方向与地面目标像移方向会出现一定的角度偏差，即存在偏流角。TDICCD线阵推扫相机若不进行偏流角纠正，则在积分时间内，CCD光生电荷包的转移与焦面上图像的运动不同步，会出现像移失配现象，导致图像模糊。

[0003] 偏流角与敏捷卫星平台特性和地物目标所处环境有关。卫星运行轨道、卫星姿态机动以及地物目标随地球自转等因素均会影响偏流角。TDICCD线阵推扫相机在对地摄影时，必须对偏流角进行控制。偏流角控制是以焦面上某特征像元(通常情况是中心点)的偏流角计算结果为参考，采用适当的方式将焦面旋转一个角度，使TDICCD积分方向与此特征像元处的像移速度方向一致，从而达到偏流角控制的目的。

[0004] 现有技术涉及的文献有王亚敏.敏捷卫星灵巧多模式成像设计与研究[D]. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2017；李永昌.敏捷卫星相机像移补偿关键技术研究[D].中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2016；赵嘉鑫,张涛,杨永明,李昕阳,王德江.TDI-CCD全景航空相机的像移速度场计算模型研究[J].光学学报,2014,34(07):269-276；黄群东,杨芳,赵键.一种新型敏捷卫星机动中成像方法[P].中国专利：CN 103983254 A,2014.08.13；黄群东, 杨芳,赵键.姿态对地指向不断变化成像时的像移速度计算[J].光学精密工程,2012,20(12):2812-2820；尹欢，白照广，陆春玲，王超，王付刚.一种星载相机全视场偏流角确定与补偿方法[P].中国专利：CN 104567819  A,
2015.04.29。

[0005] 上述文献中王亚敏基于几何模型推导了期望欧拉角的计算，但在计算期望偏航角时未考虑相机像面的姿态转动，导致在其计算出的期望欧拉角下，像面中心点偏流角不为零，因此需要进行偏流角补偿。上述文献中对偏流角的补偿控制主要是根据像移速度场模型计算出中心视场点的偏流角，其模型形式可由以下公式表示：

[0006]

[0007] 其中，f表示计算偏流角的函数，β表示偏流角，ψ表示偏航角， 表示偏航角变化率。

[0008] 然后通过卫星姿态偏航或由焦面偏流机构统一调整。这种方法将偏流角与卫星偏航角视为简单的线性关系，忽略了偏航角调整对偏航角变化率的影响，无法真正起到控制偏流角的作用。

发明内容

[0009] 针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种敏捷卫星斜条带成像模式姿态计算方法，能够实现任意方向的斜条带推扫成像模式下，保证条带中心线上的目标成像点偏流角为零。相比现有计算方法，本文不需要进行复杂的偏流角计算，而是直接计算出使目标成像点偏流角为零的欧拉角，解决了传统算法复杂且补偿不准确的缺陷，为敏捷卫星实现任意方向斜条带成像奠定基础。

[0010] 如图1所示，本发明的技术方案是：

[0011] 步骤1：输入各时刻卫星的位置坐标、目标成像点的位置坐标和推扫方向向量，并构建地心惯性坐标系、卫星轨道坐标系和卫星本体坐标系；

[0012] 所述的各时刻卫星的位置坐标和目标成像点的位置坐标是在成像过程中根据卫星轨道参数、目标条带参数和卫星设计约束条件计算出各时刻卫星的位置坐标和目标成像点的位置坐标。

[0013] 所述的目标成像点为相机光轴与目标条带中心线的交点，目标条带为斜条带模式下的任务条带，推扫方向向量为目标条带中心线在目标成像点的切线向量。

[0014] 步骤2：对于成像过程中的任意时刻，根据目标成像点的位置坐标和目标条带方向确定得到使得目标成像点在卫星的光轴上且偏流角为零的卫星姿态，从而得到从卫星本体坐标系到卫星轨道坐标系的坐标变换矩阵。

[0015] 步骤3：从坐标变换矩阵提取出欧拉角。

[0016] 所述的地心惯性坐标系Oe-xIyIzI、卫星轨道坐标系Os-xoyozo和卫星本体坐标系Os-xbybzb分别为：

[0017] a)地心惯性坐标系Oe-xIyIzI：坐标系的原点为地心Oe，OexI轴在赤道平面内，指向J2000.0春分点，OezI轴垂直于赤道面，指向北极，与地球自转角速度矢量方向一致，OeyI轴分别垂直于OexI和OezI轴，且构成右手系坐标，简称I 系；

[0018] b)卫星轨道坐标系Os-xoyozo：坐标系的原点为卫星质心Os，Oszo轴指向地心Oe，Osxo轴在卫星轨道平面内，垂直于Oszo轴，Osyo轴分别垂直于Osxo和Oszo轴，且构成右手系坐标，坐标系在I系内以卫星运行角速度做轨道运动，简称o 系；

[0019] c)卫星本体坐标系Os-xbybzb：坐标系的原点与o系的原点重合，同为卫星质心Os，Osxb、Osyb和Oszb轴分别作为卫星姿态运动的横滚轴、俯仰轴、偏航轴，卫星的三轴姿态指的就是该坐标系在o系内的三轴姿态，且构成右手系坐标，简称b系。

[0020] 卫星在初始姿态下的所述卫星本体坐标系Os-xbybzb和所述卫星轨道坐标系Os-xoyozo重合，即Osxb、Osyb、Oszb轴分别与Osxo、Osyo、Oszo轴重合。

[0021] 所述步骤2具体为：卫星内设有相机，通过相机探测对目标成像，相机在卫星内的安装时，相机采用时间延迟积分(TDI)CCD，时间延迟积分(TDI)CCD 的行方向与Osyb轴平行，时间延迟积分(TDI)CCD的积分方向与Osxb轴平行，并采用以下公式计算坐标变换矩阵Rob：

[0022]

[0023] 其中：RoI表示从I系到o系的坐标变换矩阵，Rob表示从b系到o系的坐标变换矩阵；表示b系Osxb轴的基元向量 投影到I系的向量， 表示b系Osyb轴的基元向量 投影到I系的向量， 表示b系Oszb轴的基元向量 投影到I 系的向量；

[0024] 从I系到o系的坐标变换矩阵RoI和向量 分别采用以下公式计算：

[0025]

[0026]

[0027]

[0028]

[0029] 其中，Ω表示卫星轨道升交点与春分点间的角度，即轨道升交点赤经；i表示地球赤道面与卫星轨道面的夹角，即轨道倾角；α表示卫星的相机对目标成像时，在卫星轨道平面内，沿着卫星运行的方向，升交点与卫星所在位置对应的地心张角，即卫星纬度幅角；表示矢量 投影到I系的向量， 表示从卫星质心Os指向地面目标成像点T的矢量， 表示目标成像点T处的推扫方向向量，即目标条带中心线在T点的切线向量。

[0030] 其中由轨道倾角i、轨道升交点赤经Ω及卫星纬度幅角α构建计算 Oe-xIyIzI系到Os-xoyozo系的坐标变换矩阵RoI的公式。如附图2敏捷卫星斜条带成像模式姿态调整示意图所示，若要使目标成像点T在光轴上，则b系的Oszb轴必须指向目标成像点T，即基元向量与 同向。而且，要使目标成像点T在像面上偏流角为零，则TDI积分方向向量必须与 及推扫方向向量 共面，即基元向量 在 与 构成的平面内，又 构成右手系。由此构建向量 的计算公式。

[0031] 所述步骤3具体采用以下公式从坐标变换矩阵提取欧拉角：

[0032]

[0033] 其中，Ri,j表示坐标变换矩阵Rob中的第i行、第j列元素，i,j＝1,2,3； θ、ψ分别表示卫星本体坐标系相对卫星轨道坐标系的滚动角、俯仰角和偏航角，其方向如附图3所示，三轴姿态转序定为：横滚-俯仰-偏航。

[0034] 由滚动角、俯仰角和偏航角共同组成了欧拉角。

[0035] 本发明能够实现任意方向的斜条带推扫成像模式下，保证目标成像点偏流角为零。经过仿真验证，使用该方法计算得到的卫星姿态可使目标成像点偏流角为零。

[0036] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0037] 一、本发明计算简单可靠，解决了传统的偏流角补偿方法算法复杂且补偿不准确的缺陷，为敏捷卫星实现任意方向斜条带成像奠定基础。

[0038] 传统的敏捷卫星姿态计算方法需要先模拟计算在某一姿态下视场中心点的偏流角，再通过调整偏航姿态补偿偏流角，计算过程复杂，而且不能精确消除偏流角。而本发明从TDICCD成像条件出发，直接由几何关系推导使视场中心点偏流角为零的卫星姿态，算法稳健可靠，计算复杂度低。

[0039] 二、本发明方法计算精度高。经像移速度场模型验证，基于本发明的姿态计算方法调整卫星姿态，能使整个斜条带推扫过程中，视场中心点的偏流角始终为零。

附图说明

[0040] 图1是敏捷卫星斜条带成像模式姿态调整流程图；

[0041] 图2是敏捷卫星斜条带成像模式姿态调整示意图；

[0042] 图3是敏捷卫星滚动角、俯仰角和偏航角的方向示意图；

[0043] 图4是本发明实施例的像面偏流角分布图。

具体实施方式

[0044] 现在将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。

[0045] 本发明以一颗敏捷卫星执行斜条带成像任务的某一时刻为例，给出按照本发明方法实施的具体算例如下：

[0046] 步骤1输入各时刻卫星的位置坐标、目标成像点的位置坐标和推扫方向向量：

[0047] 输入该时刻卫星位置参数，包括：卫星与地心的距离r为6987.000000km；轨道倾角i为98.074000°；轨道升交点赤经Ω为355.101000°；卫星纬度幅角α为34.343714°；

[0048] 计算从地心Oe指向卫星质心Os的矢量 在I系中的坐标，即卫星的位置坐标：

[0049]

[0050] 其中， 为 在o系中的坐标： RoI为从I系到o系的转移矩阵：

[0051]

[0052] 输入该时刻成像目标点T位置坐标：目标点T在I系的坐标向量 为 [5172.136322,-894.104057,3611.414606]T，(单位：km)；

[0053] 输入目标点T处的推扫方向向量(即条带中心线在T点的切线向量) 为  [-0.519813,-0.628905,0.578163]T，(单位：km)。

[0054] 步骤2计算从卫星本体坐标系到卫星轨道坐标系的坐标变换矩阵：计算从卫星质心Os指向地面目标点T的矢量 在I系中的坐标：

[0055]

[0056] 计算b系的基元向量投影到I系的坐标：

[0057]

[0058]

[0059]

[0060] 计算坐标变换矩阵Rob

[0061]

[0062] 其中：

[0063]

[0064] 步骤3从坐标变换矩阵Rob提取欧拉角：

[0065]

[0066] 其中Ri,j表示旋转矩阵Rob的第i行，第j列元素，i,j＝1,2,3。

[0067] 计算结果如下：横滚角φ＝-5.794649°，俯仰角θ＝4.986460°，偏航角ψ＝-35.520460°，其方向如附图3所示，三轴姿态转序定为：横滚-俯仰-偏航。

[0068] 在上述实施例中，根据本发明的姿态计算结果调整卫星姿态，经像移速度场模型验证，可使目标成像点的偏流角为零，图4示出了根据本实施例姿态计算结果调整卫星姿态时像面上不同位置的偏流角。图4中可见像面中心位置的偏流角为零，即目标成像点的偏流角为零。

[0069] 本发明以上算例中相关变量定义如下：

[0070] 1)卫星轨道参数：

[0071] Ω：卫星轨道升交点与春分点间的角度，即轨道升交点赤经；

[0072] r：卫星相对于地心的距离，即卫星轨道地心距；

[0073] i：地球赤道面与卫星轨道面的夹角，即轨道倾角；

[0074] α：卫星的相机对目标成像时，在卫星轨道平面内，沿着卫星运行的方向，升交点与卫星所在位置对应的地心张角，即卫星纬度幅角；

[0075] 2)卫星姿态参数：

[0076] θ、ψ：卫星的相机对目标成像时，卫星本体坐标系相对卫星轨道坐标系的滚动角、俯仰角和偏航角，即欧拉角；

[0077] 3)空间矢量定义：

[0078] T：光轴所指向的目标成像点；

[0079] 从地心Oe指向地面目标成像点T的矢量；

[0080] 从地心Oe指向卫星质心Os的矢量；

[0081] 从卫星质心Os指向地面目标成像点T的矢量；

[0082] b系三轴的基元向量，即单位向量；

[0083] 目标成像点T处的推扫方向向量，即目标条带中心线在T点的切线向量。

[0084] 4)坐标变换矩阵定义：

[0085] RoI：从I系到o系的坐标变换矩阵；

[0086] Rob：从b系到o系的坐标变换矩阵。