CN111308127B - 一种基于大气物理机制的星载加速度计校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于大气物理机制的星载加速度计校准方法，属于卫星重力探测技术领域，包括以下步骤：采集原始数据集；对原始数据集进行预处理获得非保守力观测值和非保守力物理模型值；基于非保守力观测值和非保守力物理模型值构建校准模型；求解校准模型，获得尺度因子满阵解和偏差参数。本发明能有效避免卫星精密定轨与重力场建模的同解法引起加速度计校准参数和重力场相关参数耦合现象，同时无需先验信息约束且校准步长精化和参数估计全面，从而改善星载加速度计校准性能。相较于同解法，本发明提出的算法原理简洁高效，参数估算全面，实用性强，值得推广。
Description
技术领域
本发明属于卫星重力探测技术领域，具体涉及一种基于大气物理机制的星载加速度计校准方法。
背景技术
星载加速度计是卫星重力测量中分离保守力和非保守力的关键设备，其数据质量直接影响卫星轨道和最终重力场模型的精度，但卫星在轨飞行时受空间环境影响，设备的物理特性实时变化导致加速度计观测值存在偏差项，因此需要对星载加速度计进行校准。
采用同解法是在卫星精密定轨和重力场反演过程中，将加速度计校准参数与卫星轨道和地球重力场参数同时解算，由于没有直接标准值，通常是将卫星轨道作为间接标准，引起加速度计校准参数和重力场相关参数间相互耦合；此外，需要考虑先验信息约束；同时，数学模型公式复杂，需求解变分方程，对计算资源要求高和计算耗时；另外，校准模型尺度因子简化仅考虑对角阵以及按月步长解算，导致星载加速度计校准精度和效率受限。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于大气物理机制的星载加速度计校准方法，以便解决现有技术中的不足。
本发明的技术方案是：
一种基于大气物理机制的星载加速度计校准方法，包括以下步骤：
采集原始数据集；
对原始数据集进行预处理获得非保守力观测值和非保守力物理模型值；
基于非保守力观测值和非保守力物理模型值构建校准模型；
求解校准模型，获得尺度因子满阵解和偏差参数。
优选的，所述采集原始数据集包括星载加速度计观测值、卫星姿态观测值、航天器的几何物理参数和环境信息参数。
优选的，获得非保守力观测值的步骤包括：
对星载加速度计观测值进行温度改正和喷气调姿处理，获得星载加速度计改正观测值；
对卫星姿态观测值进行线性内插和时间同步处理，获得卫星姿态连续观测值；
对星载加速度计改正观测值和卫星姿态连续观测值进行降采样和坐标变换处理，获得非保守力观测值。
优选的，获得非保守力物理模型值的步骤包括：
基于获取的航天器的几何物理参数和环境信息参数，利用式(1)求取大气阻力：
其中，
表示大气阻力，CD表示大气阻力系数，用来描述大气与卫星表面材料的相互作用，A是卫星横截面积，m是卫星质量，ρ表示大气密度，
表示卫星相对于大气的运动速度；
利用式(2)求取太阳光压摄动加速度：
其中，
表示太阳光压摄动加速度；F表示阴影因子；Ps是卫星处的太阳辐射压；
表示卫星横截面积与质量之比；CR表示反射系数；
表示卫星与太阳间的单位矢量；
利用式(3)求取地球辐射压摄动加速度：
其中，
表示地球辐射压摄动加速度；Au表示太阳常数；φ⊙表示太阳常数Au距离处太阳辐射通量密度；c表示真空中的光速；rs表示太阳与地球间的距离；A表示卫星横截面积；m表示卫星质量；CR表示卫星对地球反射和红外辐射的反射系数；Al表示地球反射率；θs表示太阳高度角；τ表示符号函数，即当太阳高度角θs<90°时，τ＝1；否则τ＝0；Em表示地球红外辐射率；Ps表示面元中心点到卫星间的距离；
表示面元中心点处地球反照和红外辐射对卫星的压力方向；α表示
与面元中心点处法线间的夹角；ds表示在卫星上可见到地球上的面元；
利用式(4)求取非保守力物理模型值
其中，
表示大气阻力，
表示太阳光压摄动加速度，
表示地球辐射压摄动加速度，
表示非保守力物理模型值。
优选的，利用式(5)构建校准模型：
其中，
表示非保守力物理模型值；
表示星载加速度计非保守力观测值；
表示尺度因子满阵解；(sx,sy,sz)表示尺度因子三个方向主参数；(α,β,γ)表示加速度计非垂直轴角；(ζ,ε,δ)表示加速度计坐标系与科学坐标系未重合角；
表示偏差参数；(bx,by,bz)表示偏差参数三个方向参数。
优选的，求解校准模型利用最小二乘原理，逐日步长全面估计尺度因子和偏差参数，获得尺度因子满阵解和偏差参数。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于大气物理机制的星载加速度计校准方法，基于大气物理机制确定非保守力物理模型值，将其与星载加速度计直接测定的非保守力观测值建立校准模型，利用最小二乘逐日步长全面估计解算尺度因子满阵解和偏差参数，有效避免卫星精密定轨与重力场建模的同解法引起加速度计校准参数和重力场相关参数耦合现象，同时无需先验信息约束且参数估计全面，从而改善星载加速度计校准性能。相较于同解法，本发明提出的算法原理简洁高效，校准步长精化且参数估计全面，实用性强，值得推广。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于大气物理机制的星载加速度计校准方法，下面结合图1的结构示意图，对本发明进行说明。
实施例1
如图1所示，一种基于大气物理机制的星载加速度计校准方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：采集原始数据集
采集的原始数据集包含星载加速度计观测值和卫星姿态观测值，卫星形状、质量、轨道高度、表面材料等表征航天器几何物理参数的相关信息以及环境信息参数。
步骤2：原始数据集预处理
星载加速度计观测值的数据预处理考虑温度改正和喷气调姿等两部分：星载加速度计对温度敏感，尤其是法向方向；同时温控系统对加速度计校准偏差参数影响显著，通常利用线性模型进行改正。
此外，星载加速度计观测值存在毛刺，主要是由卫星调姿点火喷气产生的反推脉冲力作用引起，导致加速度计校准时偏差参数受影响。可以通过标记喷气调姿点火事件文件剔除点火脉冲信号再进行内插获得连续的加速度计改正观测值。
步骤3：确定非保守力物理模型值
基于大气物理机制和卫星形状、材料、轨道高度等属性通过大气密度模型计算大气阻力，同时利用阴影因子解算太阳光压摄动加速度，由地球反照率和红外辐射率分别确定地球反照辐射压和地球红外辐射压由此获得地球辐射压摄动加速度；将大气阻力、太阳光压摄动加速度和地球辐射压摄动加速度相加确定非保守力物理模型值，其推导过程如下：
基于获取的航天器的几何物理参数和环境信息参数，计算大气阻力：
其中，
表示大气阻力，CD表示大气阻力系数，用来描述大气与卫星表面材料的相互作用，A是卫星横截面积，m是卫星质量，ρ表示大气密度，
表示卫星相对于大气的运动速度。
太阳光压摄动加速度：
其中，
表示太阳光压摄动加速度；F表示阴影因子；Ps是卫星处的太阳辐射压；
表示卫星横截面积与质量之比；CR表示反射系数；
表示卫星与太阳间的单位矢量；
地球辐射压摄动加速度：
其中，
表示地球辐射压摄动加速度；Au表示太阳常数；φ⊙表示太阳常数Au距离处太阳辐射通量密度；c表示真空中的光速；rs表示太阳与地球间的距离；A表示卫星横截面积；m表示卫星质量；CR表示卫星对地球反射和红外辐射的反射系数；Al表示地球反射率；θs表示太阳高度角；τ表示符号函数，即当太阳高度角θs<90°时，τ＝1；否则τ＝0；Em表示地球红外辐射率；Ps表示面元中心点到卫星间的距离；
表示面元中心点处地球反照和红外辐射对卫星的压力方向；α表示
与面元中心点处法线间的夹角；ds表示在卫星上可见到地球上的面元；
最后，求取非保守力物理模型值
其中，
表示大气阻力，
表示太阳光压摄动加速度，
表示地球辐射压摄动加速度，
表示非保守力物理模型值。
步骤4：构建校准模型
基于大气物理机制实现星载加速度计校准，其原因在于，避免校准参数和重力场等参数耦合，同时不依赖于先验约束，模型简洁直观，解算效率高且校准步长精化与参数估计全面，其校准模型如下：
其中，
表示非保守力物理模型值；
表示星载加速度计非保守力观测值；
表示尺度因子满阵解；(sx,sy,sz)表示尺度因子三个方向主参数；(α,β,γ)表示加速度计非垂直轴角；(ζ,ε,δ)表示加速度计坐标系与科学坐标系未重合角；
表示偏差参数；(bx,by,bz)表示偏差参数三个方向参数。
步骤5：求解校准模型，获得尺度因子满阵解和偏差参数。
本步骤中，改进的策略是基于大气物理机制实现星载加速度计校准：
首先，对卫星姿态原始数据进行线性内插和降采样处理，同时确保与加速度计改正观测值时间同步，根据姿态数据提供的四元素信息将加速度计观测值旋转得到惯性系下的非保守力观测值；然后将步骤2获得的非保守力物理模型值当作校准参考值与星载加速度计直接测定的非保守力观测值构建校准模型，最后利用最小二乘原理逐日步长全面估计尺度因子和偏差参数，获得尺度因子满阵解和偏差参数。
需要说明的是校准参数尺度因子不仅考虑三个方向主参数，同时兼顾加速度计非垂直轴角和加速度计坐标系与科学坐标系未重合角，使得校准参数估算全面详尽。
本发明提供的一种基于大气物理机制的星载加速度计校准方法，适用于CHAMP、GRACE、GOCE、Swarm、GRACE-Follow On等低轨重力卫星，其基于大气物理机制确定非保守力物理模型值，将其与星载加速度计直接测定的非保守力观测值建立校准模型，利用最小二乘逐日步长全面估计解算尺度因子满阵解和偏差参数，有效避免卫星精密定轨与重力场建模的同解法引起加速度计校准参数和重力场相关参数耦合现象，同时无需先验信息约束且参数估计全面，从而改善星载加速度计校准性能。相较于同解法，本发明提出的算法原理简洁高效，校准步长精化且参数估计全面，实用性强，值得推广。
以上公开的仅为本发明的较佳的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于大气物理机制的星载加速度计校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集原始数据集；
对原始数据集进行预处理获得非保守力观测值和非保守力物理模型值；
基于非保守力观测值和非保守力物理模型值构建校准模型；
求解校准模型，获得尺度因子满阵解和偏差参数；
所述采集原始数据集包括星载加速度计观测值、卫星姿态观测值、航天器的几何物理参数和环境信息参数；
获得非保守力物理模型值的步骤包括：
基于获取的航天器的几何物理参数和环境信息参数，利用式(1)求取大气阻力：
其中，
表示大气阻力，CD表示大气阻力系数，用来描述大气与卫星表面材料的相互作用，A是卫星横截面积，m是卫星质量，ρ表示大气密度，
表示卫星相对于大气的运动速度；
利用式(2)求取太阳光压摄动加速度：
其中，
表示太阳光压摄动加速度；F表示阴影因子；Ps是卫星处的太阳辐射压；
表示卫星横截面积与质量之比；CR表示反射系数；
表示卫星与太阳间的单位矢量；
利用式(3)求取地球辐射压摄动加速度：
其中，
表示地球辐射压摄动加速度；Au表示太阳常数；φ表示太阳常数Au距离处太阳辐射通量密度；c表示真空中的光速；rs表示太阳与地球间的距离；A表示卫星横截面积；m表示卫星质量；CR表示卫星对地球反射和红外辐射的反射系数；Af表示地球反射率；θs表示太阳高度角；τ表示符号函数，即当太阳高度角θs＜90°时，τ＝1；否则τ＝0；Em表示地球红外辐射率；Ps表示面元中心点到卫星间的距离；
表示面元中心点处地球反照和红外辐射对卫星的压力方向；α表示
与面元中心点处法线间的夹角；ds表示在卫星上可见到地球上的面元；
利用式(4)求取非保守力物理模型值
其中，
表示大气阻力，
表示太阳光压摄动加速度，
表示地球辐射压摄动加速度，
表示非保守力物理模型值；
利用式(5)构建校准模型：
其中，
表示非保守力物理模型值；
表示星载加速度计非保守力观测值；
表示尺度因子满阵解；(sx，sy，sz)表示尺度因子三个方向主参数；(α，β，γ)表示加速度计非垂直轴角；(ζ，ε，δ)表示加速度计坐标系与科学坐标系未重合角；
表示偏差参数；(bx，by，bz)表示偏差参数三个方向参数。
2.如权利要求1所述的一种基于大气物理机制的星载加速度计校准方法，其特征在于，获得非保守力观测值的步骤包括：
对星载加速度计观测值进行温度改正和喷气调姿处理，获得星载加速度计改正观测值；
对卫星姿态观测值进行线性内插和时间同步处理，获得卫星姿态连续观测值；
对星载加速度计改正观测值和卫星姿态连续观测值进行降采样和坐标变换处理，获得非保守力观测值。
3.如权利要求1所述的一种基于大气物理机制的星载加速度计校准方法，其特征在于，求解校准模型利用最小二乘原理，逐日步长全面估计尺度因子和偏差参数，获得尺度因子满阵解和偏差参数。
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