一种线阵红外地球敏感器的四通道姿态解算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种星载红外地球敏感器的姿态解算方法，可用于空间低轨、变轨航 天器的在轨使用，或可用于未知轨道的对地自主导航。
【背景技术】
[0002] 红外地球敏感器，是基于地球红外辐射敏感原理的卫星姿态光学敏感器，可用于 航天器相对于地球局地垂线的俯仰、滚动姿态角信号的测量、初始状态时航天器对地球的 捕获和稳态运行时航天器的姿态控制。
[0003] 根据红外地球敏感器内部是否含机械扫描机构，可分为扫描式和静态两类：其中 扫描式又可分为圆锥扫描式（单圆锥、双圆锥）和摆动扫描式两种，而静态则分为线阵和面 阵两种。如今，国内外已研发出多种类型的扫描式红外地平仪，并广泛用于空间，其精度已 可达到 0.07。（3〇)。
[0004] 近年来，随着探测器的发展，我国已利用线阵和面阵焦平面红外探测器研制出两 类静态红外地球敏感器，具有体积小、重量轻、无扫描机构等优点，并分别在小卫星、高轨卫 星上得到应用。其中，面阵红外地球敏感器具有精度高的优势，可达到0.06° (3〇)，但相 对研发成本较高，且主要适用于高轨卫星的；而已在轨应用的线阵红外地球敏感器虽然成 本较低，但其精度低，测量理论偏差最大将达到〇. 6° (3 σ = 0. 5° )。
[0005] 线阵红外地球敏感器中探测器位于光学系统的焦平面上，属于凝视型结构。当航 天器运行于地球上空时，从太空航天器上观察地球时，得到相当于在4Κ冷背景中的一个平 均亮温约为220Κ~240Κ的圆盘，圆盘的边缘称为地平圆。航天器运行于地球上空时，红外 地球敏感器通过线列红外探测器检测地平圆的4个方位上14 μπι~16. 25 μπι波段的地球 红外辐射能量，确定线列阵红外探测器对应地平圆4个点的方位角位置，根据之间的几何 关系，实现对卫星姿态的测量，得到航天器相对于地球当地垂线的俯仰角和滚动角。一般采 用典型设计，按"X"结构对称排列四个探头（光学系统和探测器组成，探测器位于光学系统 焦平面上），滚动轴与星体飞行方向一致，而俯仰轴垂直与轨道面。A、B、C、D四个探头与滚 动轴和俯仰轴成45°分布，相邻两个探头光轴夹角为90°。
[0006] 目前，已有人提出提高其精度的方法，确实能够在一定程度上提高精度（3 σ )，但 未改变测量的绝对偏差。且因为航天型号产品需要高可靠性，产品内部一般采用反熔丝的 FPGA芯片进行处理，使得这种方法在应用上存在较大难度：FPGA难以进行如此复杂的乘除 运算，且将远远超出芯片使用容量。
[0007] 同时，随着应用领域的进一步拓宽，航天器的飞行情况要求红外地球敏感器在轨 能够适应于不同轨道、甚至未知轨道下的姿态测量。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提高解决线阵红外地球敏感器姿态解算能力，提高精度，降低 测量偏差，同时可适用于不同轨道、甚至未知轨道下的姿态解算。该方法能够提高线阵列红 外地球敏感器的各项性能，并使其应用领域进一步拓宽。
[0009] -种线阵红外地球敏感器的四通道姿态解算方法的处理步骤为：
[0010] (1)、获得为线阵列探测器A通道从当前第i元到第i-5元的辐射量数据灰度值， 依次记为D 6、D5、D4、D3、D2、D 1，其中i是O-N的整数，N为线阵红外地球敏感器所用线阵列探 测器的元素，N为大于6的整数。当前5元不足（i < 5)时，由上一周期最末像元依次补齐。
[0011] (2)、根据步骤（1)获得的当前位置i，按以下公式计算相邻辐射量差值diff，除法 运算分子da和整数部分z。
[0012] 当 i = 0 时，分别计算 D4_D3、D5-Dzp D6-D5:当 D 4_03最大时，diff = D 4_D3，da = DfD6ID3, z = N-4 ;当 05-04最大时，diff = D 5-D4, da = D2+D6-2D4, z = N-3 ;当 06-05最大 时，diff = D6_D5, da = D2+D6_2D4, z = N_2 ;
[0013] 当 i = 1，2, 3 时，diff = 0, da = 0, z = 0 ;
[0014] 当 i = 4 时，diff = D4_D3, da = D6_D3, z = 0 ;
[0015] 当 i = 5 时，diff = D4_D3, da = D2+D6_2D3, z = I ;
[0016] 当 4 < i < N 时，diff = D4_D3, da = DjD6-SD3, z = i_4。
[0017] (3)、根据步骤（2)的计算结果，判断相邻辐射量差值diff首次出现最大值的情 况，使用该情况下的相邻辐射量差值diff、除法运算分子da和整数部分z的数据。
[0018] (4)、根据步骤（3)的数据，按以下方法获得A通道穿越位置的整数部分Za:
[0019] 若步骤（2)计算所得的除法运算分子da大于2倍的相邻辐射量差值diff，则穿越 位置的整数部分Za的值为z-1，同时修正除法运算分子da为除法运算分子da与相邻辐射 量差值diff的差。否则，穿越位置的整数部分4的值即为z。
[0020] (5)、根据步骤⑶和（4)的计算结果，计算A通道穿越位置的小数部分Xa:小数计 算的分子为除法运算分子da，分母为2倍的相邻辐射量差值diff，均采用M位有效数字，M 为不大于32的正整数，并将分子、分母等倍扩大，使得分母最高位为1。
[0021] 循环采用二分逼近的判断：如果分子值大于分母值的二分之一，则结果左移一位， 舍最高位，并添最低位为1 ;否则，则结果左移一位，舍最高位，并添最低位为0。如此循环Y 次进行二分逼近判断的方法，计算可得具有Y位有效数字的小数部分Xa，其中Y为不大于16 的正整数。
[0022] (6)、针对四通道，进行单镜头线性扫描试验，获得各通道穿越位置的线性变化曲 线图。
[0023] (7)、将步骤（6)中的曲线进行线性拟合，A通道姿态线性校准参数Ka的值即为其 线性函数斜率均值的倒数；同时获得拟合值与实际值的差指，再作差值与实际值的变化曲 线。
[0024] (8)、将步骤（7)中的曲线进行正弦函数拟合，拟合后再进行二次拟合修正。
[0025] (9)、由步骤⑶得到拟合函数 fA(x) = alax2+a2ax+a3a+bla*sin(2 JT (x-b2a))，ala、 a2a、a3a分别为二次拟合的二次项系数、一次项系数和常数项系数，bla、b 2a分别为正弦函数拟 合的幅度系数、相位系数，即为A通道辐射量校正公式。
[0026] (10)、由步骤⑷获得的整数部分满足大于1且小于（N-2)时，代入由步骤（9)获 得辐射量校正公式，按公另
1计算，得到A通道穿越位置Α'。
[0027] (11)、按步骤（I) -(10)，依次获得B通道穿越位置B'、C通道穿越位置C'、D通道 穿越位置D'。
[0028] (12)、将线阵红外地球敏感器置于地球模拟系统中，设置地球模拟系统在线阵红 外地球敏感器的工作轨道高度H下保持俯仰角和滚动角均为0,由步骤（I)-(Il)获得的四 通道穿越位置，依次对应即为各通道在当前轨道高度H下的穿越位置零位，依次对应记作 A0、B0、C0、D0〇
[0029] (13)、按步骤（12)，线阵红外地球敏感器的工作轨道要求，设置不同轨道高度，形 成轨道零位标定表，该表包括不同轨道高度下，A、B、C、D通道穿越位置零位的值。
[0030] (14)、由步骤（13)，按公式dp = _六。+8。+(：。-0。计算不同轨道高度下的俯仰角零位 偏差dp，取其均值即为未知轨道俯仰零位参数P。。
[0031] (15)、由步骤（13)，按公式dr =六。+8。-(：。-0。计算不同轨道高度下的滚动角零位偏 差dr，取其均值即为未知轨道俯仰零位参数R。。
[0032] (16)、若未知轨道高度时，利用以下公式（拓展4/4模式）解算姿态：
[0035] 其中P为卫星姿态俯仰角，R为卫星姿态滚动角，Θ为每个像元的视场角
[0036] (17)、在任意轨道高度下，根据
公 式，计算零姿态穿越位置的理论值L，其值为1，其中h为线阵红外地球敏感器工作的轨道高 度，单位为km，Θ为地球敏感器每个像元的视场角，H。为线阵红外地球敏感器设计的标称 轨道高度，单位为km。
[0037] (18)、根据步骤（13)获得的轨道零位标定表按以下方法进行，获得在理论值为1 时，A、B、C、D通道穿越位置标定零位的值a。、b。、c。、d。。线阵红外地球敏感器的轨道零位标 定表的内容为不同理论值L对应的A通道穿越位置标定零位A。、B通道穿越位置标定零位 B。 、C通道穿越位置标定零位C。和D通道穿越位置标定零位D。：
[0038] 若由步骤（17)获得的1在该表中可查，则直接从表中获得；
[0039] 若由步骤（17)获得的1在表中不可查，则选取不大于1的最小组数据，这组数据 的理论值L和A、B