静止卫星成像导航与配准的姿态运动补偿方法与流程

本发明涉及一种姿态运动补偿方法，具体地，涉及一种静止卫星成像导航与配准的姿态运动补偿方法。

背景技术：

在数值天气预报中，需要定位区域性复杂天气，跟踪恶劣天气发展趋势并生成云图动画。这需要图像对应的绝对地理位置定位准确，相邻图像的相对位置关系配准精确。成像导航配准精度关系到天气诊断、云图分析、灾害监测应用的目标识别，以及风矢量等定量遥感产品的处理精度。但卫星平台和遥感仪器受到空间力学环境、热环境变化等因素的影响，卫星会存在轨道漂移和姿态指向偏差，仪器会产生几何变形，影响遥感图像的定位与配准精度。“卫星成像导航与配准”技术可解决此类问题：卫星对遥感仪器的二维扫描机构进行实时角度增量补偿，将仪器观测点在地表的移动轨迹引导至预设路径，从而实现成像导航，使遥感图像配准到地球标称网格(附图1)。

当前各国采用三轴稳定姿控方式的静止气象卫星主要包括：已经发射入轨的有美国的静止业务环境卫星(geostationaryoperationalenvironmentalsatellite，缩写为goes)的goes-i～m系列、goes-nop系列卫星、俄罗斯的electro-l、日本的himawari-8。待发射的有美国的goes-r卫星、欧洲的第三代气象卫星(meteosatthirdgeneration，缩写为mtg)、中国的风云四号(fy-4)卫星。以上卫星均对仪器指向精度提出了较高要求，主要体现在图像导航与配准指标。美国gose-i～m卫星的仪器视线指向误差源，包括轨道和姿态漂移、卫星热变形、仪器伺服误差、姿态控制系统噪声、动力学内部作用等。ahmedkamel等人介绍了goes-i～m系列卫星的inr系统采用的图像运动补偿系统(imcs)方案：地面应用系统每天上注未来1天内卫星轨道、姿态和热变形漂移参数，星上计算机根据上注参数和扫描反射机构二维转角实时计算图像配准补偿信号并发送给扫描镜的控制环路。图像运动补偿(imc)算法根据卫星长周期轨道递推参数和仪器内部变形预报模型，带入当前扫描镜的扫描角az和步进角el位置，计算补偿量δaz和δel。goes-nop系列卫星图像导航与配准方面有较大改进，基于imager和星敏感器开发了“参数化系统误差校正方法”(parametricsystematicerrorcorrection，缩写为parsec)，用于消除卫星图像的畸变和系统偏差。该方法将卫星遥感仪器观测恒星的数据、观测地标的数据、地面测距信息引入轨道姿态确定系统(orbitandattitudedeterminationsystem，缩写为oads)，用迭代的方式获取确定系数，而后带入星上的补偿系统进行计算。

美国在图像导航与配准方面的研究资料表明，在静止气象卫星的工程应用中，分析了仪器视线指向的主要影响因素但未根据误差的不同类型进行分类；采用了综合的补偿模型，将所有测量信息引入算法，输出综合补偿量。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种静止卫星成像导航与配准的姿态运动补偿方法，其解决卫星在轨运行中受到空间环境的干扰而影响成像期间的视线指向误差问题，本发明可使遥感卫星在空间环境的干扰和影响下，通过补偿可将仪器视线在地球表面的扫描路径导航到预期位置，所成图像与卫星在标称理想情况生成的地球标称网格图像一致，误差控制在指标范围内。

根据本发明的一个方面，提供一种静止卫星成像导航与配准的姿态运动补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：分析遥感仪器的扫描反射机构光路，写出从仪器成像系统视线到仪器出射视线的表达式；

步骤二：在遥感仪器扫描反射机构转角上增加补偿量，建立补偿后的仪器出射实现表达式；

步骤三：卫星零姿态仪器不补偿时的遥感仪器出射视线应与存在姿态运动并对扫描反射机构增加补偿量时的遥感仪器出射视线相等，据此建立等式，从而求解补偿量的表达式；

步骤四：对补偿量表达式进行仿真校验，确保推导正确性。

优选地，所述步骤二的补偿量通过建立姿态运动补偿计算模块计算，以卫星姿态确定信息和扫描镜转角位置为输入，以能够抵消姿态干扰的扫描镜补偿量为输出。

优选地，所述步骤三的等式在忽略姿态角二阶小量的条件下求解，将补偿量描述为卫星姿态欧拉角和扫描镜转角为变量的函数表达式。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明可用于静止气象卫星研制和应用，美国和欧洲等国家均采用的综合图像补偿方法，本发明所采用的方法更有针对性解决姿态问题，有利于降低系统研发难度并提高工程可实现性。

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为风云四号卫星成像仪内部扫描反射机构光路示意图；xr、yr、zr组成姿态参考坐标系，xb、yb、zb组成卫星本体坐标系。

图2为姿态运动补偿算法仿真校验结果示意图。

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，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明静止卫星成像导航与配准的姿态运动补偿方法包括以下步骤：

步骤一：分析遥感仪器的扫描反射机构光路，写出从仪器成像系统视线到仪器出射视线的表达式。

步骤二：在遥感仪器扫描反射机构转角上增加补偿量(未知数)，建立补偿后的仪器出射实现表达式。

步骤三：卫星零姿态仪器不补偿时的遥感仪器出射视线应与存在姿态运动并对扫描反射机构增加补偿量时的遥感仪器出射视线相等，据此建立等式可求解补偿量的表达式。

步骤四：对补偿量表达式进行仿真校验，确保推导正确性。

下面以风云四号卫星的主载荷——先进静止轨道辐射成像仪(简称：成像仪)为例，结合附图说明本发明的具体实施方式。

一，遥感仪器扫描反射机构光路分析

风云四号卫星的成像仪是主载荷之一，通过两面正交的反射镜往复扫描对地成像。成像仪内部扫描反射机构光路示意图见图1，包含成像系统、东西镜a1和南北镜a2。成像系统视线从成像系统光学中心发出，经过东西镜和南北镜反射后穿过遮光罩a3指向观测目标4。定义东西镜、南北镜转角分别为ε和η，如图2所示的当反射镜与本体系坐标轴成45°夹角时为零位。则成像系统出射光线r到中间反射光线q的变换关系为如下式(1)：

其中，cz为绕z轴旋转的坐标转换方向余弦矩阵。

中间反射光线q到仪器指向目标的出射光线p的变换关系为如下式(2)：

其中，cx为绕x轴旋转的坐标转换方向余弦矩阵。

在姿态运动补偿研究中，以成像系统的主光轴为研究对象，则将成像系统出射光线r取如下式(3)：

带入前两式得到仪器出射视线矢量在本体系的投影分量的表达式为如下式(4)：

二，加入补偿量未知数

分别在东西镜和南北镜原有转角的基础上增加补偿量δε和δη，则补偿后的仪器出射视线矢量在本体系的投影分量表达式应为如下式(5)：

三，建立姿态运动补偿等式

当存在卫星姿态偏差时，姿态参考系到本体系的转换矩阵可小量化描述为如下式(6)：

其中，θ、ψ为卫星姿态欧拉角。

在姿态参考系下，卫星0姿态且仪器不补偿时的仪器视线指向应与卫星存在姿态且仪器增加补偿的仪器视线指向相等，由此建立等式为如下式(7)：

将式(4)式(5)和式(6)带入等式，在忽略姿态角的二阶小量情况下求解姿态运动补偿量表达式为如下式(8)：

四，对补偿算法进行校验

姿态角在取±0.01°范围内随机取值，东西镜和南北镜转角在±6°范围内各取100组数值。对于每组扫描镜转角，给出卫星0姿态且仪器不补偿时的仪器视线指向，以及卫星存在姿态且仪器增加补偿的仪器视线指向，两矢量夹角即为姿态运动补偿的误差。仿真表明(图2)，多组数据的仿真结果最大值不超过0.05μrad，可以满足图像导航与配准的使用要求。误差主要来源于忽略姿态角的二阶小量。

本发明解决卫星姿态运动对仪器视线指向和成像导航与配准的影响，在不考虑星上其他影响因素的条件下给出一种姿态运动补偿方法。经过这样的补偿后可在卫星存在姿态偏差时将仪器视线在地球表面的移动路径导航到预期位置，遥感成像效果接近于当卫星处于0姿态时所成的图像，对遥感成像系统的成像导航与配准处理性能的提高有着重要的意义。本发明可用于静止气象卫星研制和应用。美国和欧洲等国家均采用的综合图像补偿方法，本发明所采用的方法更有针对性解决姿态问题，有利于降低系统研发难度并提高工程可实现性。

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形或修改，这并不影响本发明的实质内容。