遥感卫星对月相对定标姿态调整方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种遥感卫星对月相对定标姿态调整方法，属于对月成像技术领域。
【背景技术】
[0002] 我国遥感卫星的在轨定标目前仍W地球表面真实景物目标为主，手段较为单一， 很少利用空间星体运类重要的辅助工具，运对于提高我国遥感卫星成像质量是一个很重要 的手段缺失。在天体定标中，对日定标有比较广泛的应用。但由于太阳光太强，一般超过遥 感器动态范围甚至耐受能力，遥感器不能直接对日，需要采用漫射板反射太阳光线，而漫散 板长期暴露在宇宙空间福射中，随着寿命在退化，且易受污染，对长寿命遥感卫星不是一个 最佳选择的方案。天体定标方法中，对月定标成为国际上研究和使用的热口。
[0003] 月球是除太阳外我们所能观察到的最大的光源，依靠反射太阳而发光，其光谱特 性与太阳光谱的自身吸收、反射有关，稳定性好，且光强一般在遥感器动态范围内，可将遥 感器直接对月成像。采取对月成像的方式，可W进行相对定标方式，可W对卫星大部分遥感 仪器定标，在获取标准月球福照度模型的情况下，利用月球进行绝对福射定标需要精确的 计算出观测角度和天体距离等的影响，并获取准确的月球光谱分布，可实现高定标精度，适 合长寿命遥感卫星。
[0004] 对月相对定标需要标准的月球福照度模型，由于月球表面具有稳定的福射特性， 月球福照度模型一旦建立，就可W应用于任何时间的月球观测对比，对于不同时间、不同探 测器的观察结果可W使用同一观测模型，运样就可W将所有对月观测目标的定标情况加W 联系，得到较准确的定标结果。
[0005] 采取对月相对定标的方式，不受大气影响，利用两极成像，不影响陆地成像，可大 大增加定标次数，提高定标效率。将月亮作为稳定福射源，定标时机的选择与相机本身参数 和月相有关，定标时间选择范围增加，大大提局了定标频率和定标精度，拓宽了定标时机的 选择面。另外，月球可W看作是相对稳定的福射源，能够保证卫星寿命周期内福射特性的稳 定性，适合作为在轨定标的天体。
[0006] 目前国内遥感卫星对月成像方式为:通过控制卫星的初始姿态角实现对月球惯性 定向后，利用卫星绕地球轨道的运动实现对月绝对定标成像，在绝对定标的过程中，卫星整 星姿态不采取修正措施。此类成像方式没有考虑遥感器的成像原理，获取的月球图像模糊 不清，甚至无法辨识。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供了一种遥感卫星对月 相对定标姿态调整方法。
[0008] 本发明的技术方案是：
[0009] -种遥感卫星对月相对定标姿态调整的方法，其特征在于步骤如下：
[0010] (1)建立月球的模型、卫星的模型和星上传感器的模型，并使遥感器级数方向与卫 星本体X轴重合，星上遥感器视轴与卫星本体z轴重合;所述星上传感器采用线阵时间延迟 积分CCD传感器；
[0011] (2)当月球为满月、月球影像为圆盘时，且卫星能够观测到月球时为卫星对月成像 的可见时间窗口，在可见时间窗口内选定(tl-tn)作为定标时段，在定标时段内获取星上轨 道预报数据，W及卫星在J2000坐标系下的速度矢量Vs和月球在J2000坐标系下的速度矢量 Vm，ti时刻时，卫星在J2000坐标系下的速度矢量为Vsi，ti时刻时，月球在J2000坐标系下的速 度矢量为Vml;其中，tl为定标的开始时间，tn为定标的结束时间；η为定标时段内的采样点 数;i=l、2、3........n-l、n;
[0012] (3)根据步骤（1)中建立的Ξ个模型确定卫星对月相对定标的初始姿态角q，q的确 定方法如下：
[0013]①确定卫星本体巧由在J2000坐标系下的初始矢量Zi，即卫星本体Z轴对月定向；
[0014]在tl时刻，将月球设置为约束目标，设置卫星本体Z轴指向月球，运行仿真场景，由 卫星预报生成tl时刻卫星本体巧自矢量幻；
[0015] ②确定卫星本体-Y轴在J2000坐标系下的初始矢量-Yi;
[0016] 在tl时刻，卫星本体Z轴对月定向的情况下，卫星相对月球的速度矢量Vrl与卫星本 体Z轴矢量Zi的夹角αι为；
[0017]
[001引所述的Vri根据步骤(2)获取卫星在tl时刻J2000坐标系下的初始速度Vsi和月球在J2000坐标系下的初始速度Vml，计算得到卫星在tl时刻相对月球的初始速度:Vrl=Vsl-Vml;
[0019]在tl时刻，卫星本体巧由对月定向的情况下，卫星相对月球的速度矢量Vr迪卫星本 体Z轴方向的速度矢量分量为Vrl(z)，卫星相对月球的速度矢量Vrl在垂直于卫星本体Z轴方 向的速度矢量分量Vrl<-y)。将速度矢量Vrl绕卫星本体X轴转过
Φ得到速度矢量分 量Vrl(-y):
[0020]
[0021]根据步骤（1)遥感器的安装设置，相对定标卫星本体-Y轴矢量和Vrl(-y)-致，因此- Yl=Vrl(-y)；
[0022]
[0023] ③双矢量定姿确定卫星初始姿态角q
[0024] 卫星在J2000坐标下的Ξ轴矢量确定过程，由卫星本体Z轴矢量Zi和卫星本体-Y轴 矢量方向-Yi，再由ZiX(-Yi)确定卫星本体X轴方向矢量Xi，卫星在J2000坐标系下的矢量求 出后，同时求出Ξ轴矢量在星体本体坐标下的单位矢量。根据双矢量定姿得到卫星的初始 Ξ轴姿态角四元数q=[qiQ2Q3qo]T。
[0025] (4)确定对月相对定标姿态角速度，分别为卫星本体X轴转动角速度ωχ、卫星本体Υ轴转动角速度ωy和卫星本体巧由转动角速度ωzi，确定方法如下：
[0026] ①卫星本体X轴转动角速度ωX的确定方法
[0027] 小卫星对地相对定标时，利用了卫星沿轨道法线方向的角速度形成对地相对定标 所需的速高比。但是对月相对定标过程中，卫星受轨道运行的限制，无法形成W月球为中屯、 的观测角速度矢量。因此在姿态控制设计时，增加了对月相对定标模式;通过卫星姿态绕自 身本体X轴旋转控制形成W月球为视场中屯、的观测速高比，完成对月相对定标。
[0028] 对月相对定标时遥感器本身物理参数无法改变，一个像元对应的瞬时视场角IF0V 和积分时间不变，按此式
计算得到对月相对定标所需的姿态机动角速度。卫星姿 态需要通过绕自身本体X轴Κωχ= 〇.06-0.6%旋转控制形成W月球为视场中屯、的观测速 局比。
[0029] ②卫星本体Υ轴转动角速度ωγ的确定方法
[0030] 为了保证月球在遥感器视场中屯、，对月相对定标过程中，卫星绕本体Υ轴转动角速 度ωy=0 /s。
[0031 ]③卫星本体巧由转动角速度ωzi的确定方法
[0032] ωzi为ti时刻卫星本体巧由转动角速度；
[0033] 卫星本体-Y轴矢量-Yi的变化率决定了卫星本体Z轴的转动角速度Wzi，在ti时刻， 卫星相对月球的速度矢量Vri在垂直于矢量Zi方向速度矢量分量Vrl(-y)为:将速度矢量Vrl绕 卫星本体X轴转过
I即得到速度矢量分量Vrl(-y)
[0034]
[OCX35]其中，
为卫星相对月球运动的速度矢量，-Yi为ti时刻卫星本体-Υ轴的 矢量;Zi为ti时刻卫星本体Ζ轴的矢量；
[0036]Qi为ti时刻卫星相对月球运动速度矢量Vri与卫星本体Z轴矢量的夹角，Qi为变化 量，其求解过程如下：
[0037] 在对月相对定标过程中，卫星采用3-1-2的姿态角转序，卫星绕本体Z轴由ti时刻 转动到ti+1时刻时转过的角度为0i+i，0i+i=ωzi(ti+l-ti)，卫星绕本体X轴由ti时刻转动到 ti+i时刻时转过的角度为丫i+i，丫i+i=?x(ti+i-ti)角度，得到卫星本体Z轴矢量变化为
[003引
[0039]卫星绕本体巧由转过目角度，此旋转对Zi矢量没有影响，因此上式 可简化为
[0040；
[00川由此得到卫星在ti+1时刻，卫星本体巧由矢量Zi+1和卫星相对月球速度Vr(i+1)的夹角 为
[0042]
[0043] 卫星在ti+i时刻，卫星本体-Yi+i轴的矢量方向
[0044]
[004引由矢量-Yi和矢量-Yi+1的变化率，得到卫星本体巧由矢量的角速度
[0046]
[0047] 其中，Vri为ti时刻卫星相对月球的速度，Vr(W)为ti+l时刻卫星相对月球的速度。Vsi 为ti时刻卫星在J2000坐标系下的速度，Vmi为ti时刻月球在J2000坐标系下的速度，αι为Vri 与卫星本体Zi轴的夹角，心1为Vr(i+1)与卫星本体Zi+i轴的夹角，ωy为卫星本体巧由转动角速 度ωy〇
[0048] (5)定标时段内卫星姿态四元素的确定方法：
[0049] 由步骤(3)得到的卫星初始Ξ轴姿态角四元数q=[qiQ2Q3qo]T，结合步骤(4)得 至IJ的Ξ轴姿态角速度ωX、ωy和ωZ1，得到姿态四元素运动方程如下
[0050]
[0051] 根据该运动方程得到定标