一种星载相机全视场偏流角确定与补偿方法

摘要

本发明一种星载相机全视场偏流角确定与补偿方法，步骤为：(1)场景仿真与建模，包括对卫星轨道、姿态、相机测量坐标系、卫星本体测量坐标系、相机不同视场传感器进行高精度建模与仿真；(2)在地心固联坐标系下，对相机全视场偏流角进行计算；(3)对卫星本体测量坐标系补偿角计算；(4)对卫星偏流角补偿姿态四元数矩阵进行计算；(5)对姿态补偿后相机全视场偏流角进行计算。本发明解决了三轴稳定卫星在绕卫星本体三轴机动后，卫星以特定姿态对地观测时相机全视场偏流角的确定与补偿问题，可用于卫星研制过程中星载大视场相机偏流角的确定、偏流角补偿方法的设计与验证以及优化卫星设计。

主权项

一种星载相机全视场偏流角确定与补偿方法，其特征在于步骤如下：1)场景仿真与建模；11)根据卫星实际运行轨道，确定相机成像观测时间范围和场景仿真时间间隔Delta_T；所述的相机成像观测时间范围包括成像开始时间、结束时间；设置卫星轨道参数；12)根据观测区域需求和观测任务规划，设置卫星姿态参数；13)相机成像模型建模；13a)根据相机焦面设计值或实验室焦面精测值，获取相机光轴方向向量、相机线阵方向向量和相机推扫方向向量，并建立相机测量坐标系；所述相机测量坐标系原点为相机光学系统后节点，+OY方向为相机线阵方向，+OZ为相机光轴，与相机焦平面垂直；+OX定义符合右手定则，为+OY与+OZ叉乘方向；13b)建立卫星本体测量坐标系；所述卫星本体测量坐标系的坐标基由卫星本体相机光轴方向向量、卫星本体相机线阵方向向量和卫星本体相机推扫方向向量组成，其中卫星本体相机线阵方向向量为相机线阵方向向量在卫星本体测量坐标系XOY面的投影向量，卫星本体相机推扫方向向量为相机推扫方向向量在卫星本体测量坐标系XOY面的投影向量，卫星本体相机光轴方向向量为卫星本体相机线阵方向向量和卫星本体相机推扫方向向量叉乘方向，符合右手定则；13c)根据相机指定视场处焦面探元在卫星本体测量坐标系的指向角设计值或内方位元素检测值，建立卫星本体系下相应视场的传感器；2)相机全视场偏流角计算；21)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，获取仿真时间内相机测量坐标系坐标基相机光轴方向向量相机线阵方向向量和相机推扫方向向量22)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，获取仿真时间内相机指定视场对应的传感器中心与地球交汇摄影点的经纬度数据(Longitude_N、Latitude_N)、摄影点斜距(Range)和三维空间位置矩阵矢量数据23)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤22)获取的摄影点三维空间位置矩阵矢量数据，计算得到相机指定视场摄影点地速24)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤22)获取的摄影点斜距和步骤23)获取的摄影点地速，计算得到相机指定视场处摄影点对应的像移速度25)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤21)获取的相机光轴方向向量和步骤24)获取的像移速度，计算得到相机指定视场处摄影点对应相机焦面内像移速度值26)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤21)获取的相机推扫方向向量和步骤24)获取的像移速度，计算得到相机指定视场处摄影点对应相机焦面内像移速度在相机推扫方向分量(V_Image_Scan_N(t))；27)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤21)获取的相机线阵方向向量和步骤24)获取的像移速度，计算得到相机指定视场摄影点对应相机焦面内像移速度在相机线阵方向分量(V_Image_LMCCD_N(t))；28)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤25)获取的相机焦面内像移速度值和步骤26)获取的相机推扫方向分量，计算得到相机测量坐标系下相机指定视场摄影点对应像移速度方向与推扫方向之间的夹角(Scan_Angle_N(t))；29)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤25)获取的相机焦面内像移速度值和步骤27)获取的相机线阵方向分量，计算得到相机测量坐标系下相机指定视场摄影点对应像移速度方向与线阵方向之间的夹角(LMCCD_Angle_N(t))；210)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系中，利用步骤28)获取的像移速度方向与推扫方向之间的夹角和步骤29)获取的像移速度方向与线阵方向之间的夹角，计算得到相机测量坐标系下相机指定视场摄影点对应偏流角(Drift_Angle_N(t))；211)在地心固联坐标系中，重复上述步骤21)～步骤211)，计算得到不同成像时刻t时相机测量坐标系下相机全视场摄影点对应偏流角(Drift_Angle(t))；3)卫星本体测量坐标系补偿角计算；31)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，获取仿真时间内卫星本体测量坐标系坐标基卫星本体相机光轴方向向量卫星本体相机线阵方向向量和卫星本体相机推扫方向向量32)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，利用步骤23)获取的摄影点地速和步骤31)获取的卫星本体相机光轴方向向量，计算得到卫星本体测量坐标系下相机指定视场摄影点地速在卫星本体测量坐标系XOY面的推扫速度值33)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，利用步骤23)获取的摄影点地速和步骤31)获取的卫星本体相机推扫方向向量，计算得到卫星本体测量坐标系下相机指定视场摄影点地速在卫星本体测量坐标系XOY平面的推扫速度在卫星本体相机推扫方向的分量(Vel_BodyXY_Scan_m(t))；34)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，利用步骤23)获取的摄影点地速和步骤31)获取的卫星本体相机线阵方向向量，计算得到卫星本体测量坐标系下相机指定视场摄影点地速在卫星本体系XOY平面的推扫速度在卫星本体相机线阵方向的分量(Vel_BodyXY_LMCCD_m(t))；35)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，利用步骤32)获取的推扫速度值和步骤33)获取的卫星本体相机推扫方向的分量，计算得到卫星本体测量坐标系下相机指定视场摄影点在卫星本体系XOY平面内推扫速度方向与卫星本体相机推扫方向之间的夹角(Sat_Scan_Angle_m(t))；36)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系中，利用步骤32)获取的推扫速度值和步骤34)获取的卫星本体相机推扫方向的分量，计算得到卫星本体测量坐标系下相机指定视场摄影点在卫星本体测量坐标系XOY平面内推扫速度方向与卫星本体相机线阵方向之间的夹角(Sat_LMCCD_Angle_m(t))；37)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系中，利用步骤35)获取的推扫速度方向与卫星本体相机推扫方向之间的夹角和步骤36)获取的推扫速度方向与卫星本体相机线阵方向之间的夹角，计算得到卫星本体测量坐标系下相机指定视场摄影点偏流角为补偿依据时，卫星本体测量坐标系补偿角值(Attitude_Compensate_Angle(t))；4)卫星偏流角补偿姿态四元数矩阵计算；41)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，获取仿真时间内相应姿态转序下卫星轨道坐标系姿态四元数矩阵(Quater_Unfix)；42)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，利用步骤41)获取的姿态四元数矩阵，计算得到在卫星轨道坐标系下卫星姿态矩阵(Matrix_Quater_Unfix(t))；43)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，利用步骤37)获取的卫星本体测量坐标系补偿角值，计算得到以相机指定视场摄影点偏流角作为姿态补偿依据时，卫星姿态补偿矩阵(Matrix_Fix(t))；44)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，利用步骤42)获取的卫星姿态矩阵和步骤43)获取的卫星姿态补偿矩阵，计算得到经过姿态补偿后的卫星姿态矩阵(Matrix_Quater_Fix(t))；45)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，利用步骤44)获取的经过姿态补偿后的卫星姿态矩阵，计算得到卫星偏流角补偿后姿态四元数矩阵(Quater_Fix(t))；5)姿态补偿后相机全视场偏流角计算；51)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，保存步骤4)中计算得到的卫星姿态补偿后的姿态四元数矩阵(Quater_Fix(t))；52)重复步骤1)中场景仿真与建模所有步骤，其中步骤12)中卫星姿态仿真采用步骤51)中保存的姿态四元数矩阵替代；53)重复步骤2)，对姿态补偿后相机全视场的偏流角进行计算，求得姿态补偿后相机全视场的偏流角(Drift_Angle_Compensate(t))。