CN107479565A - 基于椭圆轨道像移补偿计算方法 - Google Patents

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Abstract

基于椭圆轨道像移补偿计算方法，涉及航天领域，解决现有像移补偿模型无法实现对椭圆轨道的像移进行补偿的问题，以圆轨道像移速度矢计算模型以及椭圆轨道的参数，建立椭圆轨道的像移速度矢模型，并计算航天器椭圆运动轨道速度，近地点轨道速度和远地点轨道速度；计算轨道速度与离心速度的夹角，并根据计算的夹角获得可得环绕速度和离心速度，计算椭圆轨道高度；将航天器的环绕速度转换到像面的像移速度分别经过景点星下垂线地平坐标系、行星坐标系、行星惯性坐标系、轨道坐标系、相机坐标系及像面坐标系；获得景点在相机像面的像移速度，根据获得像面的像移速度对椭圆轨道像移进行补偿。

Description

基于椭圆轨道像移补偿计算方法
技术领域
本发明涉及航天领域，具体涉及一种基于椭圆轨道像移补偿计算方法。
背景技术
现有的像移补偿模型是基于地球这种近圆轨道建立的，对于火星等深空探测的椭圆轨道不完全适应。椭圆轨道的像移速度矢变化规律与近圆轨道存在很大的差别：第一，离心速度(飞行器在轨道面内指向天顶方向的速度分量)的加入使像移变化情况更加复杂，必须采用实时计算像移速度，完成实时像移匹配，将像移速度累积误差控制在允许范围内，才能保证清晰成像。第二，在非星下点成像时，离心速度会叠加到像面上沿CCD积分方向和垂直CCD积分方向的两个像移速度分量上，使得误差分析更加复杂，需要系统地研究椭圆轨道情况下的像移速度变化规律以及误差来源。然而，目前的像移补偿算法模型都是建立在圆轨道上的，无法解决椭圆轨道的像移补偿问题。
发明内容
本发明为解决现有像移补偿模型无法实现对椭圆轨道的像移进行补偿的问题，提供一种基于椭圆轨道像移补偿计算方法。
基于椭圆轨道像移补偿计算方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、以圆轨道像移速度矢计算模型以及椭圆轨道的参数，建立椭圆轨道的像移速度矢模型；
步骤二、根据步骤一建立椭圆轨道的像移速度矢模型，计算航天器椭圆运动轨道速度V，近地点N轨道速度VN和远地点A轨道速度VA；
式中G为万有引力常数，M为行星质量，a为椭圆轨道半长轴，r1为航天器到行星中心的距离，所述e为椭圆轨道的偏心率，f为真近点角；所述近地点轨道速度和远地点轨道速度
步骤三、计算轨道速度V与离心速度VS2的夹角θ，根据角动量守恒，V·r1 sinθ＝VA·(a+ae)，可得并根据计算的夹角θ获得可得环绕速度VS1和离心速度VS2；VS1＝V·sinθ，VS2＝V·cosθ；
步骤四、计算椭圆轨道高度H0＝r1-R，R为行星半径；
步骤五、将航天器的环绕速度VS1转换到像面的像移速度Vp分别经过景点星下垂线地平坐标系、行星坐标系、行星惯性坐标系、轨道坐标系、相机坐标系及像面坐标系；获得景点在相机像面的像移速度，根据获得像面的像移速度对椭圆轨道像移进行补偿。
本发明的有益效果：本发明建立一个椭圆轨道像移模型，对实时的输入数据进行合理地分析、加工和处理。椭圆模型中航天器的轨道高度会不断变化，由于轨道高度的不同受姿态不稳定的影响不同，需要对不同轨道高度的误差都进行计算，以保证相机在轨时的像移补偿精度。
附图说明
图1为本发明所述基于椭圆轨道像移补偿计算方法的模型示意图；
图2为轨道速度和离心速度夹角计算示意图；
图3为过景点坐标系到相机坐标系坐标变换示意图；
图4为过景点坐标系G到相机坐标系C的坐标变换关系原理图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，
步骤一、以近圆轨道像移速度矢计算模型为基础，建立椭圆轨道的像移速度矢模型，如图1所示；O是行星中心，Ob为轨道中心，F1和F2为椭圆的两个焦点，B为某时刻的航天器的位置。在成像过程中，航天器始终保持指向行星中心。V为该时刻航天器轨道速度，与轨道相切，相机的光轴沿BF1方向指向行星中心，BG为焦面上TDI CCD的积分方向；
步骤二、椭圆轨道速度计算，根据椭球运动的活力公式可得椭圆轨道速度式中G为万有引力常数，M为行星质量，a为椭圆轨道半长轴，r1为航天器到行星中心的距离，依据椭圆第二定义计算其中e为椭圆轨道的偏心率，f为真近点角。由此可得近地点轨道速度和远地点轨道速度
步骤三、环绕速度VS1＝V·sinθ和离心速度VS2＝V·cosθ，θ为轨道速度与离心速度的夹角。方法一根据角动量守恒，V·r1 sinθ＝VA·(a+ae)，可得方法二如图2所示，r2为椭圆轨道的焦点半径，BF1＝r1、BF2＝r2，r2＝2a-r1。在三角形ΔF1BF2中，根据余弦定理：在任意三角形ΔF1BF2中，过点B做轨道速度V的垂线BQ，根据椭圆性质，BQ平分角∠F1BF2，即∠F1BQ＝∠QBF2，由此可得由于θ和∠F1BQ互为余角，因此采用角动量守恒和几何三角形和椭圆特性计算得到的轨道速度和离心速度夹角结果一致；
步骤四、椭圆轨道高度H0＝r1-R，R为行星半径；
步骤五、根据上述计算结果及平台提供参数，将环绕速度经过六个坐标系转换到像面上，获得景点在相机像面的像移速度，进行像移补偿。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明白，以下结合附图，对本发明中的坐标系转换进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例，仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图3所示，从景点g(g1,g2,g3)到相机坐标系C(c1,c2,c3)坐标变换的物理意为：景点g在过景点星下垂线地平坐标系中的三个分量为g1，g2，g3，保持景点在轨道坐标系中的位置不变，从过景点坐标系G到行星坐标系E作：(1)沿G3轴平移-Le(G坐标系原点G0到E坐标系原点E0的距离)、(2)绕G2轴旋转-γ0(从降交点到航天器所对应行星的中心角)、(3)绕G3轴旋转i0(轨道倾角)的坐标变换；从行星E坐标系到行星惯性坐标系I：(4)绕E2轴旋转-ωt(行星自转角)的坐标变换；从行星惯性坐标系I到轨道坐标系B作：(5)绕I3轴旋转-i0、(6)绕I1轴旋转(7)沿I3轴平移-(r1+Vs2t)的坐标变换；从B坐标系到相机坐标系C作：(8)绕B1横滚(三轴姿态角横滚)、(9)绕B2俯仰(三轴姿态角俯仰)、(10)绕B3横滚(三轴姿态角偏航)的坐标变换。
即连续地进行10次坐标变换，将过景点星下垂线地平坐标系G转换为相机坐标系C，其结果是从相机坐标系C的物空间中来观察景点g，获取景点g在相机坐标系C(c1,c2,c3)物空间的位置方程，两边对t求导，并令t＝0，则可得到在相机坐标系物空间的速度方程，
通过变换矩阵将物空间中的景点g的速度矢转换为像空间中的像移速度矢则像移速度矢大小为运动偏流角为βp＝arctan(Vp2/Vp1)。g从过景点坐标系G到相机坐标系C的坐标变换示意图如图4所示，其他参数为平台提供的姿态及轨道参数。
以上是本发明的较佳实施方式，但本发明的保护范围不限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，未经创造性劳动想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应以权利要求所限定的保护范围为准。

Claims (1)

1.基于椭圆轨道像移补偿计算方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：
步骤一、以圆轨道像移速度矢计算模型以及椭圆轨道的参数，建立椭圆轨道的像移速度矢模型；
步骤二、根据步骤一建立椭圆轨道的像移速度矢模型，计算航天器椭圆运动轨道速度V，近地点N轨道速度VN和远地点A轨道速度VA；
式中G为万有引力常数，M为行星质量，a为椭圆轨道半长轴，r1为航天器到行星中心的距离，所述e为椭圆轨道的偏心率，f为真近点角；所述近地点轨道速度和远地点轨道速度
步骤三、计算轨道速度V与离心速度VS2的夹角θ，根据角动量守恒，V·r1sinθ＝VA·(a+ae)，可得并根据计算的夹角θ获得可得环绕速度VS1和离心速度VS2；VS1＝V·sinθ，VS2＝V·cosθ；
步骤四、计算椭圆轨道高度H0＝r1-R，R为行星半径；
步骤五、将航天器的环绕速度VS1转换到像面的像移速度Vp分别经过景点星下垂线地平坐标系、行星坐标系、行星惯性坐标系、轨道坐标系、相机坐标系及像面坐标系；获得景点在相机像面的像移速度，根据获得像面的像移速度对椭圆轨道像移进行补偿。
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