[发明专利]一种采用面阵光学载荷的单星自主定位方法

摘要

本发明公开了一种采用面阵光学载荷的单星自主定位方法，包含以下步骤：S1、对地观测后获得一幅遥感图像，与地面标志点信息库匹配并提取出遥感图像中包含的所有地面标志点，从所有地面标志点中选取三个用于定位的地面标志点；S2、对三个用于定位的地面标志点分别进行空间几何位置建模，结合地面标志点坐标系、相机坐标系、像平面坐标系和地心惯性坐标系之间的几何关系，得到航天器定位模型；S3、采用预设处理算法对航天器定位模型进行求解,得到单星自主定位输出量,以完成对单星自主定位。本发明仅使用航天器对地观测载荷便可完成自主定位，从而使航天器容易地拟合出航天器轨道参数，使航天器测定轨摆脱外界条件，抗干扰性和可靠性得到极大增强。

主权项

1.一种采用面阵光学载荷的单星自主定位方法，其特征在于，包含以下步骤：S1、航天器通过面阵光学载荷对地观测后获得一幅遥感图像，经过图像预处理后，根据地面标志点信息库匹配并提取出遥感图像中包含的所有地面标志点，采用一预设提取算法，从所有地面标志点中选取三个用于定位的地面标志点；其中，所述预设提取算法包含：记所有地面标志点的个数为N，则从中选取三个用于定位的地面标志点，则有种组合方式，共有M个观测组合；记任一观测组合中三个地面标志点为p_i,p_j,p_k，则该观测组合对应的几何表述矩阵如式(1)所示；式中，G表示观测组合对应的几何表述矩阵；θi,θj,θk为在航天器轨道坐标系下地面标志点与航天器的连线同轨道坐标系+Z轴的夹角，即高低角；αi,αj,αk为在航天器轨道坐标系下地面标志点与航天器连线的投影与轨道坐标系+X轴的夹角，即方位角；假设定位过程中，三个地面标志点pi,pj,pk的测量误差均呈零均值正态分布，则该观测组合对应的误差权系数矩阵如式(2)所示；式中，H表示误差权系数矩阵；hii表示误差权系数矩阵H的对角元素，i＝1,2,3；则三个标志点pi,pj,pk组成的观测组合，其几何分布系数可按照(3)式计算：式中，Jijk表示几何分布系数；hii表示误差权系数矩阵H的对角元素，i＝1,2,3；对M个观测组合，分别计算其几何分布系数Jijk，取M个Jijk中的最小值min(Jijk)对应的观测组合作为本幅面阵光学遥感图像中用于航天器自主定位的最佳观测组合，对应的地面标志点为选择出来的用于定位的地面标志点；S2、建立地面标志点坐标系、相机坐标系、像平面坐标系及地心惯性坐标系，并对三个用于定位的地面标志点分别进行空间几何位置建模，结合地面标志点坐标系、相机坐标系、像平面坐标系和地心惯性坐标系之间的几何关系，推导可得基于面阵图像的航天器定位模型；其中，所述的步骤S2中包含：三个用于定位的地面标志点分别表示为Tp、Tm和Tn；建立相机坐标系Oc‑XcYcZc、像平面坐标系O‑UV、地面标志点Tp坐标系Op‑XpYpZp及地心惯性坐标系OI‑XIYIZI，其中，地面标志点Tp坐标系Op‑XpYpZp定义为，原点在地面标志点Tp，将地面标志点Tp与星下点连线，转过β1角后定为Xp轴方向，Xp轴与地面标志点星下点连线组成平面，垂直于该平面为Zp轴，与Xp/Zp轴垂直为Yp轴；焦距为f的面阵光学载荷在成像时，地面标志点T_p在像平面上的坐标可表示为其在相机坐标系中的坐标可表示为则该标志点对应的高低角和方位角可按式(4)和(5)得出；记地面标志点T_p在地心惯性坐标系下的坐标为记成像时刻航天器的星下点在地心惯性坐标系下的坐标为记航天器在地心惯性坐标系下的位置为星下点与航天器间的向量在地心惯性系下记为星下点与地面标志点T_p的向量在地心惯性系下记为地面标志点T_p与航天器连线间的距离记为则根据星地几何关系，可得方程组(6)：所述星地几何关系是指在面阵光学载荷的成像瞬间的地面标志点坐标系、相机坐标系、像平面坐标系和地心惯性坐标系之间的几何关系，式(6)中包含共7个未知量，其中表示星下点坐标由标志点坐标系转到地心地固系，A_I‑G表示地心地固系转到地心惯性系；联立地面标志点Tm和地面标志点Tn的几何关系方程组，可得；式(7)中包含9个方程，可求解其中9个未知量，该模型即为基于面阵图像的航天器定位模型；S3、采用预设处理算法对航天器定位模型进行求解,得到单星自主定位输出量,以完成对单星自主定位；所述预设处理算法为无迹卡尔曼滤波算法；所述预设处理算法对航天器定位模型进行求解过程包含：采用地心惯性坐标系下的航天器定位模型建立状态方程和观测方程；利用无迹卡尔曼滤波实现状态量的实时非线性滤波估计，将地心惯性坐标系下的状态量转换为轨道坐标系下的状态量输出。