CN109443380B - 一种地球静止轨道光学相机热变形误差修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种地球静止轨道光学相机热变形误差修正方法，方法步骤如下：(1)获取连续周期内静止轨道光学相机热变形定位误差的观测值；(2)采用数学模型对误差观测值随时间的变化规律进行拟合；(3)采用第n+1天的误差数据解算第1，2，...，n天的误差拟合模型构成的修正模型的权系数；(4)将(3)获得的权系数应用到第2，3，...，n+1天的误差拟合模型上，得到第n+2天的误差修正模型；(5)由第n+2天的误差观测值减去误差修正模型预测值，得到修正后的定位误差值。本发明能够有效地修正热变形引起的静止轨道光学相机定位误差，具有设计合理、精度高、成本低、使用方便等特点，可在高精度遥感卫星几何定位领域应用推广。

Description

一种地球静止轨道光学相机热变形误差修正方法

技术领域

本发明属于空间卫星定位技术领域，尤其涉及一种地球静止轨道光学相机空间热变形定位误差修正方法。

背景技术

由于时间分辨率高、观测范围广且能够实现特定区域凝视成像的特点，静止轨道遥感相机已广泛应用于对地观测和空间监视等领域。受卫星发射时的冲击、振动变形和太阳入射角变化引起的热变形影响，高轨遥感相机的几何定位模型将发生改变，从而影响相机最终的定位精度。因此，往往需要再次对相机进行在轨标定。

受轨道高度影响，地球静止轨道卫星周围温度场变化可达±12度，由其导致的空间热变形将对相机几何定位精度产生重要影响。目前空间热变形定位误差多采用解算安装角变化量的方法来修正，该方法涉及最低观测星等、待观测恒星及成像仪凝视观测位置等指标的选取，虽能达到一定的精度但计算复杂、稳定性一般(非专利参考文献1和2)。目前的高轨卫星多采用规避的方法来避免太阳辐射对望远镜内部，尤其是对主镜的影响。如高分4号卫星采用关机规避的方法，一天工作8小时，以此控制卫星周围热环境波动不超过0.5K，从而减小空间热变形引起的定位误差(非专利参考文献3)。GOES-R卫星使其陀螺仪和星敏感器指向赤道面外±30度方向来避免直接的太阳辐射，以此减小空间热变形对指向精度的影响(非专利参考文献4和5)。综上可知，关机规避的方法虽可在一定程度上减小空间热变形对定位精度的影响，但不可避免地缩短了卫星的工作时间，这将难以满足高轨卫星长期连续观测的需求。

非专利参考文献1:Guo Qiang,Xian Di.On-Orbit Modification of PointingError for Imager in Geostationary Satellite Based on Star Sensing[J].ActaOptica Sinica,2009,29(9):2413-2420.

非专利参考文献2：钱勇,南树军,李卿.基于图像运动补偿轨道运动和热变形对载荷成像的影响分析[J].上海航天,2008,25(3):51-55.

非专利参考文献3：Wang M,Cheng Y,Chang X,et al.On-orbit geometriccalibration and geometric quality assessment for the high-resolutiongeostationary optical satellite GaoFen4[J].Isprs Journal of Photogrammetry&Remote Sensing,2017,125:63-77.

非专利参考文献4：Chapel J,Stancliffe D,Bevacqua T,et al.Guidance,navigation,and control performance for the GOES-R spacecraft[J].Ceas SpaceJournal,2015,7(2):87-104.

非专利参考文献5：Fiorello J L J,Oh I H,Kelly K A,et al.GOES I/M imagenavigation and registration[C]//Flight Mechanics/Estimation Theory Symposium,1989.Flight Mechanics/Estimation Theory Symposium, 1989,1989:129-147.

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种地球静止轨道光学相机热变形误差修正方法，解决高轨卫星几何定位的精度问题。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案实现的：

一种地球静止轨道光学相机热变形误差修正方法，包括以下步骤:

步骤1：通过严格几何定位模型，获取空间热变形引起的地球静止轨道光学相机在赤经赤纬方向的定位误差在连续周期内的观测值，分析该定位误差观测值随在轨时间的变化规律；

步骤2：采用三阶傅里叶级数模型对地球静止轨道光学相机热变形定位误差观测值随时间的变化趋势进行高精度拟合；

步骤3：根据地球静止轨道光学相机热变形定位误差在连续周期内的观测数据，采用第n+1天的定位误差数据解算由第1，2，...，n天误差拟合模型构成的修正模型的权系数，并保存该权系数矩阵，n为天数；

步骤4：将步骤3获得的权系数矩阵应用到第2，3，...，n+1天的误差拟合模型上，得到第n+2天的误差修正模型，通过该模型对第n+2天的定位误差进行修正；

步骤5：由第n+2天的地球静止轨道光学相机热变形误差观测值减去修正模型的预测值，得到修正后的定位误差。

步骤6：重复执行步骤2、步骤3、步骤4、步骤5，并以卫星周期为单位随时间逐步移动，从而修正每一天的热变形定位误差。

所述步骤2根据最小二乘原理和信赖域收敛算法，采用三阶傅里叶级数模型对地球静止轨道光学相机热变形定位误差观测值随时间的变化趋势进行高精度拟合；

所述步骤3根据连续周期的热变形定位误差观测数据，通过Levenberg-Marquardt算法，采用第n+1天的定位误差观测值解算由第1，2，...， n天误差拟合模型构成的修正模型的权系数；

所述步骤4将步骤3获得的权系数矩阵作用于第2，3，...，n+1天的误差拟合模型上，得到第n+2天的误差修正模型；

所述步骤5由第n+2天的地球静止轨道光学相机热变形误差观测值减去修正模型的预测值，得到修正后的定位误差。

本发明的优点和积极效果是：

1.本发明有效避免了求解热变形引起的安装角变化量的复杂过程，只需连续均匀的采集足够数量的误差数据，即可构建高精度的误差修正模型。通过高精度的误差修正模型修正热变形引起的定位误差，一方面可以显著提高静止轨道卫星的在轨定位精度，另一方面可在一定程度上缩短高轨相机的规避时间，使其长期连续观测成为可能。

2.本发明能够有效地修正热变形引起的静止轨道光学相机定位误差，具有设计合理、精度高、成本低、使用方便等特点，可在高精度遥感卫星几何定位领域应用推广。

附图说明

图1为总体流程图。

图2为连续7天的热变形定位误差变化规律。

图3为模型拟合结果。

图4为连续7天的修正误差分布图。

具体实施方式

下面以某型号静止轨道凝视相机的短波红外数据为例，选取连续7天的热变形定位误差数据，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详述：

本发明是通过高精度地拟合热变形定位误差变化规律，并以连续n天的拟合模型所构成的修正模型来修正后续一天的定位误差。这里选取n＝3，傅里叶级数模型取为三阶，对该方法进行说明。主要包括以下步骤:

(1)通过几何定位模型，获取某型号静止轨道光学相机热变形定位误差在连续周期内的观测值；如图2所示为该型号静止轨道凝视相机连续7天的热变形定位误差随在轨时间的变化规律；

(2)根据最小二乘原理和信赖域收敛算法，采用三阶傅里叶级数模型对该型号静止轨道光学相机热变形定位误差观测值随时间的变化趋势进行高精度拟合；设Data1＝{(t_1i,error_1i)|i＝1,2…N₁}为第一天的误差数据集，error_1i为t_1i时刻对应的定位误差值，根据三阶傅里叶级数模型：

其中，a₀，a₁，b₁，a₂，b₂，a₃，b₃，ω为三阶傅里叶级数模型的参数，Time为时间，FError为拟合误差值。根据最小二乘原理：

带入第一天的数据Data1＝{(t_1i,error_1i)|i＝1,2…N}即可求得拟合模型的参数，如图3所示为第一天数据的拟合结果，其他各天数据拟合方法相同；

(3)根据步骤(2)方法可求得第一、二、三天的误差拟合模型分别为 FError1、FError2、FError3，采用第四天的定位误差数据：Data4＝ {(t_4i,error_4i)|i＝1,2…N₄}解算由第一、二、三天误差拟合模型构成的修正模型如下：

F＝q₀+q₁FError1+q₂FError2+q₃FError3 (3)

式中，q₀，q₁，q₂，q₃为修正模型的权系数，F为修正模型。解算并保存该权系数矩阵；

(4)将步骤(3)获得的权系数矩阵应用到第二、三、四天的误差拟合模型FError2、FError3、FError4上，根据最小二乘原理，得到第五天的误差修正模型：

F_Final＝q₀+q₁FFError₂+q₂FFError₃+q₃FError₄ (4)

式中，q₀，q₁，q₂，q₃为步骤(3)求得的模型权系数，F_Final为第五天的误差修正模型。最后通过该模型对第五天的定位误差进行修正；

(5)由该型号静止轨道光学相机第五天的热变形误差观测值减去其修正模型的预测值，得到修正后的定位误差分布。如图4所示为所选连续7天的误差数据修正后的误差分布；

(6)步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)重复执行并随着卫星周期逐步移动，即可对每一天的热变形定位误差进行修正。由图可知，本发明方法可将该型号静止轨道光学相机热变形误差修正到±2像元以内。

上述本发明的说明书和实施方式仅仅以示例性的方式对本发明的方法原理进行了说明，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中具体步骤的等同变化并不超出本发明的精神和保护范围。

Claims (1)

1.一种地球静止轨道光学相机热变形误差修正方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1：通过严格几何定位模型，获取空间热变形引起的地球静止轨道光学相机在赤经赤纬方向的定位误差在连续周期内的观测值，分析该定位误差观测值随在轨时间的变化规律；

步骤2：根据最小二乘原理和信赖域收敛算法，采用傅里叶级数模型对地球静止轨道光学相机热变形定位误差观测值随时间的变化趋势进行高精度拟合；设Data1＝{(t_1i,error_1i)|i＝1,2…N₁}为第一天的误差数据集，error_1i为t_1i时刻对应的定位误差值，根据三阶傅里叶级数模型：

其中，a₀，a₁，b₁，a₂，b₂，a₃，b₃，ω为三阶傅里叶级数模型的参数，Time为时间，FError为拟合误差值；根据最小二乘原理：

带入第一天的数据Data1＝{(t_1i,error_1i)|i＝1,2…N}即可求得拟合模型的参数；

步骤3：根据地球静止轨道光学相机热变形定位误差在连续周期内的观测数据，通过Levenberg-Marquardt算法，采用第n+1天的定位误差数据解算由第1，2，...，n天误差拟合模型构成的修正模型的权系数，并保存该权系数矩阵，n为天数；

根据步骤2方法可求得第一、二、三天的误差拟合模型分别为FError1、FError2、FError3，采用第四天的定位误差数据：

Data4＝{(t_4i,error_4i)|i＝1,2…N₄} (3)

解算由第一、二、三天误差拟合模型构成的修正模型如下：

F＝q₀+q₁FError1+q₂FError2+q₃FError3 (4)

式中，q₀，q₁，q₂，q₃为修正模型的权系数，F为修正模型，解算并保存该权系数矩阵；

步骤4：将步骤3获得的权系数矩阵应用到第2，3，...，n+1天的误差拟合模型上，得到第n+2天的误差修正模型，通过该模型对第n+2天的定位误差进行修正；

步骤5：由第n+2天的地球静止轨道光学相机热变形误差观测值减去修正模型的预测值，得到修正后的定位误差；

步骤6：重复执行步骤2、步骤3、步骤4、步骤5，并以卫星周期为单位随时间逐步移动，从而修正每一天的热变形定位误差。

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