[发明专利]一种遥感卫星的姿态确定方法及系统

说明书

一种遥感卫星的姿态确定方法及系统，该方法基于遥感卫星光学相机载荷和地球数字表面模型确定卫星姿态，即将遥感相机作为场景敏感器获取某一地区的二维影像，将该二维影像与高精度三维地球表面模型进行匹配，并结合卫星轨道信息，获得遥感相机外方位元素，计算并确定卫星平台的姿态。该方法可克服传统方法中二维与二维图像匹配时由于地球曲率和地形起伏等地表状况所导致的图像畸变和视角的影响，并降低搭载光学载荷谱段与含有控制点底图谱段一致的苛刻要求。采用本发明中所述的卫星姿态确定方法，不仅能够为在轨校准星敏提供依据，更能够在星敏感器不能使用等特定场景下代替星敏感器确定卫星姿态。

技术领域

本发明属于卫星控制领域，涉及一种遥感卫星的姿态确定方法及系统。

背景技术

姿态敏感器是实现卫星姿态测量与控制的仪器。高精度卫星平台姿态测量是卫星姿态控制、导航、定位，尤其是遥感摄影测量技术的前提与基础。传统的卫星定姿过程需要多个光学姿态敏感器的共同工作，占用较大体积、质量和功耗。星敏感器是当前广泛应用的光学姿态敏感器，星敏感器的姿态确定精度高，但仍存在多种误差源，必须对星敏感器进行误差标定补偿才能获得高测角精度。星敏感器的标定一般用地面标定试验设备进行标定，以确定星敏感器的安装矩阵、焦距、中心点偏移等，由于地面标定相应的环境搭建和测控系统十分复杂且价格昂贵，而且并不能够完全真实模拟飞行器在轨运行的各种空间环境，然而随着飞行器在辐射环境下工作时间的增加，星敏感器光学系统像差加大以及结构变形等会导致星敏感器各种标定参数发生变化，因此需要对其进行在轨标定。而且星敏的姿态输出频率一般都低于30赫兹，每次对星图成像过程中，积分时间较长，从而无法测量出在每次曝光期间平台的抖动情况。

对于遥感卫星，遥感相机作为主载荷获取空间高分辨图像，相比于星敏感器等具有积分时间短、分辨率更高、视角更大的优点，因此可以将遥感载荷作为姿态敏感器，从卫星遥感图像信息中提取卫星的姿态信息，再通过空间矢量转换以确定卫星的姿态，从而作为获取卫星姿态信息的一种新方法。直接对卫星遥感平台获取的图像信息进行图像处理，不仅保证了卫星常规任务的实现，而且可以及时利用获取的图像信息推算出卫星的姿态偏差，当卫星的某些姿态敏感器失效时，能够继续获取高精度姿态信息，为卫星正常工作提供必备条件。

已有学者提出利用光学有效载荷进行姿态测量的方式，目前已广泛应用于深空探测领域如月球、火星探测等。以专利(CN201510763374.3)为例，利用卫星平台上搭载星敏感器和光学相机；选取标志性的人工或者自然地物作为地面控制点；利用光学相机对地面控制点成像，获得包含有地面控制点像点的全色波段影像，获取全色波段影像上地面控制点的像点在地球固定地面参考坐标系下的摄影光线；根据摄影光线以及光学相机的安装矩阵，获取卫星平台的姿态矩阵。该方法往往要求光学相机载荷谱段与含有地面控制点的底图影像的谱段一致，这严重限制了该方法的推广与实际应用。与本专利类似的，基于有效载荷测量的方式主要利用二维图像与二维基准图像进行匹配，再根据成像几何模型计算出卫星姿态信息。利用有效载荷的二维图像信息虽计算简单，但拍摄的角度变化、光照变化所导致的阴影以及D/N值变化，都会影响匹配精度，甚至是无法匹配，以致于严重影响测量精度，而且由于卫星存在滚动/俯仰的变化，不同于航空摄影姿态测量，在卫星姿态存在偏移时或通过侧摆进行观测时，获取的图像非正射影像，加之由于地球曲率和地形起伏等地表状况，使得获得的二维图像存在畸变，而基准图像通常为正射影像，这就导致匹配误差增大，甚至无法匹配。因此无法有效利用于地球遥感卫星姿态测量。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种基于遥感卫星光学相机载荷和地球数字表面模型的卫星姿态确定方法，该方法通过二维图像与三维模型匹配的方法即利用遥感相机获取的某一地区的二维影像，与高精度三维地球表面模型进行匹配，结合卫星高度，获得相机外方位元素，计算并确定卫星平台的姿态。

本发明采用的技术方案为：

一种遥感卫星的姿态确定方法，步骤如下：