对地面点目标推扫成像任务参数的星载求解方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及航天空间遥感成像任务技术领域，具体地，设及一种对地面点目标推 扫成像任务参数的星载求解方法。
【背景技术】
[0002] 推扫成像相机采用线阵延时积分作为接收器，通过多次曝光解决传统面阵相机通 光量不足的问题。由于相机视场角的限制，要对地面特定目标成像，根据星地相对关系，往 往需要通过姿态或相机摆镜，实现对相机指向的调整。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。
[0003] 传统的对地遥感卫星要完成对特定区域成像，通常是通过星地联合控制完成的， 在地面预先获取目标位置信息，并由地面解算成像任务参数后，如卫星姿态、成像载荷指向 调整、成像时刻等，生成程控作业，在卫星过境时上注星上。由于星地链路无法做到全时互 通，因此传统做法无法应对新发现的目标。因此一种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的卫星需求应运而生，本发明为运种需求提供了一种星载解 决方法。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种对地面点目标推扫成像任务参 数的星载求解方法。
[0005] 步骤1:建立坐标系，所述坐标系包括瞬时惯性坐标系、卫星轨道坐标系、卫星本 体坐标系、虚拟相机坐标系、虚像平面坐标系，并定义卫星、地面目标、地屯、=者间的矢量；
[0006] 步骤2:利用建立的坐标系辅助建立包含摆镜的光学系统等效光路；
[0007] 步骤3 :获取卫星星下点太阳高度角，并判断满足成像的光照条件后，在包括卫星 位置、卫星速度、地面目标位置W及系统时间在内的WGS84坐标系下获取卫星和地面目标 的各项信息；
[000引步骤4 :利用卫星星下点太阳高度角信息，WGS84坐标系下卫星和地面目标的各项 信息求解出卫星和地面目标在瞬时惯性坐标系下的运动状态表征参数，所述运动状态表征 参数包括：卫星位置、卫星速度、卫星轨道角动量、卫星的倾角、升交点赤经、轨道角速度、实 时轨道幅角、卫星轨道坐标系的转换矩阵及变化率W及卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系 的转换矩阵；
[0009] 步骤5 :根据卫星和地面目标在WGS84坐标系下的运动状态表征参数计算出地面 目标在瞬时惯性坐标系下的坐标和变化率随时间变化的表达式；
[0010] 步骤6 :根据卫星和地面目标在瞬时惯性坐标系下的运动状态表征参数、地面目 标坐标随时间变化参数W及地面目标变化率随时间变化参数计算出地面目标在卫星本体 坐标系下的坐标和变化率随时间变化的表达式；
[0011] 步骤7 :根据卫星本体坐标系下的坐标和变化率随时间变化参数建立约束方程， 并求解出成像任务参数，所述成像任务参数包括：相机指向调整参数和成像开始时刻。
[0012] 优选地，所述步骤1包括：
[0013] 步骤1. 1 :建立坐标系，所述坐标系包括瞬时惯性坐标系、卫星轨道坐标系、卫星 本体坐标系、虚拟相机坐标系、虚像平面坐标系；
[0014]-瞬时惯性坐标系OeXjiZi，0品轴在地球赤道平面内，指向GPS时刻的WGS84坐 标系X轴方向；〇A轴垂直于地球赤道平面，与地球自转角速度矢量方向一致；与0品、 化Zi轴垂直，且构成右手坐标系；所述坐标系简称I系；
[001引-卫星轨道坐标系OsXDyDZ。，化表示原点，即卫星质屯、；0sX。轴在卫星轨道平面内， 指向卫星的运动方向化Z。轴指向地屯、；0,y。与0品、0,z。轴垂直，且构成右手坐标系；所述 坐标系简称0系；
[001引-卫星本体坐标系0sXbybZb，0s表示原点，即卫星质屯、；0sXb轴沿卫星飞行方向，0sZb轴与0syb轴、0sXb轴构成右手坐标系；当卫星处于标称零姿态运动时，0品、0syb、0品轴分别 与0品、0,y。、0而轴平行，且方向相同；所述坐标系简称b系；
[0017] -虚相机坐标系OcXcycZ。，0。表示原点，即摆镜虚相机的摄像中屯、；0品7。平面为物 镜平面；〇eZ。轴沿光轴方向，摆镜无摆角时〇tX。、0。7。轴与轨道系重合，构成右手坐标系；所 述坐标系简称C系；
[0018]-虚像平面坐标系OpXpy。，Op表示原点，即相机像平面光轴中屯、处；相机像平面法线 与〇eZ。轴平行，且OpXp、Opy。轴分别与0击、0。7。平行，且方向相同；所述坐标系简称P系；
[0019] 步骤1.2:定义卫星、地面目标、地屯、S者间的矢量；
[0020] -Rpt用于描述地面目标，表示从I系原点指向地面目标的矢量；
[0021] -氏用于描述卫星位置，表示从I系原点指向卫星质屯、的矢量；
[002引-氏t用于描述地面目标相对卫星位置，表示从卫星质屯、指向地面目标的矢量；
[0023] -R。,用于描述地面目标相对相机位置，表示从C系原点指向地面目标的矢量；
[0024] -Refl表不在I系中的位置矢量Ret;
[0025] -Res°表不在轨道系0系中的位置矢量R es。
[0026] 优选地，所述步骤2包括：安装在卫星对地面上的相机光轴经过摆镜的反射后照 向地面目标位置；当摆镜偏转角时，相当于相机偏转了 2獅角，则通过摆镜就能够实现对 地面目标的推扫。
[0027] 优选地，所述步骤3包括：获取卫星星下点太阳高度角信息，并在WGS84坐标系下 获取卫星和地面目标的各项信息，包括：卫星位置、卫星速度、地面目标位置W及系统时间； 此时瞬时惯性坐标系与对应的WGS84坐标系重合，每一个GI^S测量节拍，都W当时WGS84坐 标系的指向确定重合的瞬时惯性坐标系。
[0028] 优选地，所述步骤4包括：
[0029] 步骤4. 1:判断星下点太阳高度角是否满足成像的光照条件，若满足则进入步骤 4. 2,若不满足则结束所述对地面点目标推扫成像任务参数的星载求解方法流程；
[0030] 步骤4. 2:利用卫星上的GPS测得的当前时刻的卫星位置和速度，结合地球自转角 速度，将短时间的卫星运动简化为等速圆周运动，则推导出瞬时惯性坐标系、卫星轨道坐标 系、卫星本体坐标系的转换关系；
[0031] 步骤4. 2. 1 :GPS测得的当前时刻在WGS84坐标系下的卫星位置和速度，计算公式 如下：
[003引式中：Rks84表示GPS测得的当前时刻在WGS84坐标系下的卫星位置矢量，Xkgp康示Rm；S84的X轴分里,YKGPS表不RWGS84的Y轴分里，ZKGPS表不Rm；S84的Z轴分里；VWGS84表不GPS巧[J 得的当前时刻在WGS84坐标系下的卫星速度矢量，Xwps表示V"；S84X轴分量，Yvws表示V"；S84Y 轴分量，ZvGre表示VWGS84Z轴分量；
[0034]步骤4. 2. 2:根据WGS84坐标系下的卫星位置和速度求解在I系下，同时考虑地球 自转引起的牵连速度时的卫星位置和速度，计算公式如下：
[003引式中：Tw康示卫星位置速度对应的时刻，冷、、分别表示I系下卫星位置和速度 矢量，《。表示地球自转角速率；
[0037]步骤4. 2. 3:根据I系下的卫星位置和速度求解卫星轨道角动量，计算公式如下：
[0039] 式中：H表示卫星轨道角动量，H、表示卫星轨道角动量X轴分量，HY表示卫星轨道 角动量Y轴分量，Hz表示卫星轨道角动量Z轴分量；
[0040] 步骤4. 2. 4:根据卫星轨道角动量求解I系下卫星的倾角、升交点赤经、轨道角速 度，计算公式如下：
[0047] 式中：i表示I系下卫星的轨道倾角、Q表示升交点赤经、W表示轨道角速度：xi 表示惯性系X轴矢量，zi表示惯性系Z轴矢量，zi(3)表示zi在Z轴分量，N表示轨道节线 单位矢量；
[0048] 步骤4. 2. 5:根据I系下卫星的轨道角动量、倾角、轨道角速度求解Tws时刻的轨 CN105115477A 说明书 4/12 页 道幅角u。，轨道幅角u，计算公式如下：
[0051] 式中，t表示从起始时刻开始的时间差；
[005引步骤4. 2.6 :根据I系下Tgp拥刻的轨道幅角U。，轨道幅角U求解I系到卫星轨道 坐标系的转换矩阵及变化率，计算公式如下：
[00巧]式中：表示惯性系到轨道系转移矩阵，4,表示惯性系到轨道系转移矩阵变化 率，表示轨道角速率在本体系分量，《表示轨道角速率标量.
[0056] 步骤4. 2. 7:求解卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系的转换矩阵，计算公式如下：
[0058] 式中：Ab。表示轨道系到问题系转移矩阵，0表示俯仰姿态角，口表示滚动自他角， 表示偏航姿态角。
[0059] 优选地，所述步骤5包括：根据卫星和地面目标在在WGS84坐标系下的运动状态表 征参数计算出地面目标在瞬时惯性坐标系下的坐标和变化率随时间变化的表达式，计算公 式如下：
[00川式中：增表示目标初始位置，思