CN106501835B - 一种基于线阵红外地球敏感器解算卫星对地高度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线阵红外地球敏感器解算卫星对地高度的方法，首先根据穿越位置计算俯仰角和滚动角，继而计算该种状态对应的四通道轨道零位，根据已获得的轨道零位标定表，推算卫星对地高度。本发明在满足线阵红外地球敏感器的姿态测量情况下，同时提出解算卫星对地高度，实现三轴姿态信息的等价获取，弥补了原有测量的不足，可有效帮助飞行器进行自主导航。

Description

一种基于线阵红外地球敏感器解算卫星对地高度的方法

技术领域

本发明涉及一种星载红外地球敏感器的姿态解算方法，可用于空间低轨、变轨航天器的在轨使用，或可用于未知轨道的对地自主导航。

背景技术

红外地球敏感器，是基于地球红外辐射敏感原理的卫星姿态光学敏感器，可用于航天器相对于地球局地垂线的俯仰、滚动姿态角信号的测量、初始状态时航天器对地球的捕获和稳态运行时航天器的姿态控制。

根据红外地球敏感器内部是否含机械扫描机构，可分为扫描式和静态两类：其中扫描式又可分为圆锥扫描式(单圆锥、双圆锥)和摆动扫描式两种，而静态则分为线阵和面阵两种。如今，国内外已研发出多种类型的扫描式红外地平仪，并广泛用于空间，其精度已可达到0.07°(3σ)。

近年来，随着探测器的发展，我国已利用线阵和面阵焦平面红外探测器研制出两类静态红外地球敏感器，具有体积小、重量轻、无扫描机构等优点，并分别在小卫星、高轨卫星上得到应用。其中，面阵红外地球敏感器具有精度高的优势，可达到0.06°(3σ)，但相对研发成本较高，且主要适用于高轨卫星的；而已在轨应用的线阵红外地球敏感器虽然成本较低，但其精度低，测量理论偏差最大将达到0.6°(3σ＝0.5°)。

线阵红外地球敏感器中探测器位于光学系统的焦平面上，属于凝视型结构。当航天器运行于地球上空时，从太空航天器上观察地球时，得到相当于在4K冷背景中的一个平均亮温约为220K～240K的圆盘，圆盘的边缘称为地平圆。航天器运行于地球上空时，红外地球敏感器通过线列红外探测器检测地平圆的4个方位上14μm～16.25μm波段的地球红外辐射能量，确定线列阵红外探测器对应地平圆4个点的方位角位置，根据之间的几何关系，实现对卫星姿态的测量，得到航天器相对于地球当地垂线的俯仰角和滚动角。一般采用典型设计，按“X”结构对称排列四个探头(光学系统和探测器组成，探测器位于光学系统焦平面上)，滚动轴与星体飞行方向一致，而俯仰轴垂直与轨道面。四个镜头与滚动轴和俯仰轴成45°分布，相邻两个探头光轴夹角为90°。

随着应用领域的进一步拓宽，航天器的飞行情况要求红外地球敏感器在轨能够满足自主导航的需求，能够自主获得飞行器局地矢量信息，即在传统解算俯仰角、滚动角信息的情况下，能够进一步获得偏航状态，也可转换认为为测量飞行器对地的轨道高度。

发明内容

本发明的目的在于拓展线阵红外地球敏感器姿态解算能力，能够计算飞行器对地轨道高度。该方法能够提高线阵列红外地球敏感器的各项性能，并使其应用领域进一步拓宽。

所述的线阵红外地球敏感器由四个内含探测器的红外镜头、处理电路和机箱构成，根据红外镜头探测器获取的地球边界辐射信息由处理电路完成解算工作。一种基于线阵红外地球敏感器解算卫星对地高度的方法的处理步骤为：

(1)、通过线阵红外地球敏感器四个镜头内探测器获得四个通道的像元穿越位置A、B、C、D；

(2)、计算卫星俯仰角P和滚动角R：

其中，P₀、R₀分别为俯仰零位参数和滚动零位参数，θ为探测器每个像元的视场角；

(3)、计算四个通道的轨道高度零位值a₀、b₀、c₀、d₀，数值大小为0～n，n为探测器元数：

(4)、检索线阵红外地球敏感器的轨道零位标定表，选取不大于a₀的最小组数据，这组数据的理论轨道高度值和该通道穿越位置分别记为l_a1和a₁，和不小于a₀的最大组数据，这组数据的理论轨道高度值和该通道穿越位置分别记为l_a2和a₂，l_a1和l_a2单位为km，a₁和a₂为0～n区间内的实数，其中所述的线阵红外地球敏感器的轨道零位标定表可根据相关文献通过线阵红外地球敏感器姿态解算算法标定获得；

(5)、检索线阵红外地球敏感器的轨道零位标定表，选取不大于b₀的最小组数据，这组数据的理论轨道高度值和该通道穿越位置分别记为l_b1和b₁，和不小于b₀的最大组数据，这组数据的理论轨道高度值和该通道穿越位置分别记为l_b2和b₂，l_b1和l_b2单位为km，b₁和b₂为0～n区间内的实数；

(6)、检索线阵红外地球敏感器的轨道零位标定表，选取不大于c₀的最小组数据，这组数据的理论轨道高度值和该通道穿越位置分别记为l_c1和c₁，和不小于c₀的最大组数据，这组数据的理论轨道高度值和该通道穿越位置分别记为l_c2和c₂，l_c1和l_c2单位为km，c₁和c₂为0～n区间内的实数；

(7)、检索线阵红外地球敏感器的轨道零位标定表，选取不大于d₀的最小组数据，这组数据的理论轨道高度值和该通道穿越位置分别记为l_d1和d₁，和不小于d₀的最大组数据，这组数据的理论轨道高度值和该通道穿越位置分别记为l_d2和d₂，l_d1和l_d2单位为km，d₁和d₂为0～n区间内的实数；

(8)、分别取l_a1、l_b1、l_c1、l_d1的最小值为l_min，l_a2、l_b2、l_c2、l_d2的最大值为l_max；

(9)、从l_min到l_max、间隔值为M依次取轨道高度值l_h，获得一系列轨道高度值l_h对应的综合误差d，其中dev₁、dev₂、dev₃、dev₄分别为通道1、通道2、通道3、通道4的误差项，k₁、k₂、k₃、k₄分别是四通道误差置信权值，取值范围为0～1：

d＝k₁dev₁+k₂dev₂+k₃dev₃+k₄dev₄，

(10)、选取步骤(9)中计算得到的综合误差d最小的那组数据，对应产生该综合误差d的轨道高度值l_h即为卫星对地高度。

本专利的优点：

(1)、本专利可满足线阵红外地球敏感器的姿态测量。

(2)、本专利有效解决了地球敏感器无法三轴定姿的问题，可解算卫星对地高度。

(3)、本专利实用性高，可有效帮助飞行器进行自主导航。

附图说明

图1为整体处理方法流程图。

具体实施方式

按照本发明所述方法，在某型号飞行器红外地球敏感器做了验证性实验，并结合地球模拟器进行评估。各参量的取值如下：

文中及公式中的标号	取值或参数
		N	16元
θ	2°
		M	1

一次解算过程：

(1)设置在轨道高度为500km、俯仰角为P＝5°、滚动角为R＝0°时测得四个通道数值分别是9.08、5.67、5.62、9.18。

(2)此时解算得到姿态信息为俯仰角P＝5.009°，滚动角为R＝-0.023°。

(3)此时计算四个通道的轨道高度零位值分别为7.30、7.43、7.40、7.42；

(4)检索计算420km～600km的数据，可得到轨道高度数据为500km。

综合误差计算表(节选，490km～510km)

标定的参数如下：

1、轨道零位标定表

2、其他参数

未知轨道俯仰零位参数P₀＝0.113；

未知轨道滚动零位参数R₀＝-0.082；

通道1的误差置信权值k₁＝1；

通道2的误差置信权值k₂＝1；

通道3的误差置信权值k₃＝1；

通道4的误差置信权值k₄＝1。

Claims (1)

1.一种基于线阵红外地球敏感器解算卫星对地高度的方法，所述的线阵红外地球敏感器由四个内含探测器的红外镜头、处理电路和机箱构成，根据红外镜头探测器获取的地球边界辐射信息由处理电路完成解算工作，其特征在于包括以下步骤：

(1)、通过线阵红外地球敏感器四个镜头内探测器获得四个通道的像元穿越位置A、B、C、D；

(2)、计算卫星俯仰角P和滚动角R：

其中，P₀、R₀分别为俯仰零位参数和滚动零位参数，θ为探测器每个像元的视场角；

(3)、计算四个通道的轨道高度零位值a₀、b₀、c₀、d₀，数值大小为0～n，n为探测器元数：

(4)、检索线阵红外地球敏感器的轨道零位标定表，选取不大于a₀的最小组数据，这组数据的理论轨道高度值和该通道穿越位置分别记为l_a1和a₁，和不小于a₀的最大组数据，这组数据的理论轨道高度值和该通道穿越位置分别记为l_a2和a₂，l_a1和l_a2单位为km，a₁和a₂为0～n区间内的实数；

(5)、检索线阵红外地球敏感器的轨道零位标定表，选取不大于b₀的最小组数据，这组数据的理论轨道高度值和该通道穿越位置分别记为l_b1和b₁，和不小于b₀的最大组数据，这组数据的理论轨道高度值和该通道穿越位置分别记为l_b2和b₂，l_b1和l_b2单位为km，b₁和b₂为0～n区间内的实数；

(6)、检索线阵红外地球敏感器的轨道零位标定表，选取不大于c₀的最小组数据，这组数据的理论轨道高度值和该通道穿越位置分别记为l_c1和c₁，和不小于c₀的最大组数据，这组数据的理论轨道高度值和该通道穿越位置分别记为l_c2和c₂，l_c1和l_c2单位为km，c₁和c₂为0～n区间内的实数；

(7)、检索线阵红外地球敏感器的轨道零位标定表，选取不大于d₀的最小组数据，这组数据的理论轨道高度值和该通道穿越位置分别记为l_d1和d₁，和不小于d₀的最大组数据，这组数据的理论轨道高度值和该通道穿越位置分别记为l_d2和d₂，l_d1和l_d2单位为km，d₁和d₂为0～n区间内的实数；

(8)、分别取l_a1、l_b1、l_c1、l_d1的最小值为l_min，l_a2、l_b2、l_c2、l_d2的最大值为l_max；

(9)、从l_min到l_max、间隔值为M依次取轨道高度值l_h，获得一系列轨道高度值l_h对应的综合误差d，其中dev₁、dev₂、dev₃、dev₄分别为通道1、通道2、通道3、通道4的误差项，k₁、k₂、k₃、k₄分别是四通道误差置信权值，取值范围为0～1：

d＝k₁dev₁+k₂dev₂+k₃dev₃+k₄dev₄，

(10)、选取步骤(9)中计算得到的综合误差d最小的那组数据，对应产生该综合误差d的轨道高度值l_h即为卫星对地高度。