CN112097794B - 遥感卫星载荷平台标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种遥感卫星载荷平台标定方法及系统，包括：自标定模块，通过基于恒星探测的在轨相机模型、多参数解算模块、以及自定标时刻的姿轨控参数，结合实验室标定初始模型，进行高精度卫星自标定；互标定模块，通过载荷与姿态模块采样时刻的时统一致参数、以及安装基准的结构稳定参数，根据基于统一星表的星点/地标点提取模块，建立基于时间同步和统一星表的星点解算模型，获取载荷与姿态模块在轨高精度互标定模型，进行天基高精度互标定。

Description

遥感卫星载荷平台标定方法及系统

技术领域

本发明涉及遥感卫星技术领域，特别涉及一种遥感卫星载荷平台标定方法及系统。

背景技术

微纳卫星遥感系统近年来发展迅速，然而传统遥感卫星平台载荷分立式设计中卫星姿态测量数据与成像载荷实际姿态存在较大误差，需要对遥感卫星姿态与成像载荷姿态进行在轨校准和标定。

遥感微纳卫星体积、质量、惯量较小，因此具有较好的在轨姿态机动性，可利用在轨姿态调整实现成像载荷对恒星观测的方式，实现在轨对成像载荷光轴的标定和修正，可提高遥感微纳卫星在轨成像质量和精度。

遥感微纳卫星对成像载荷进行地面实验室姿态标定，主要通过对光学成像载荷光轴对卫星的标准安装面进行静态标定。由于地面实验处于重力环境，而遥感卫星在轨成像时为失重微重力环境，因此会存在由于地面重力环境引起对光学成像载荷光轴指向的误差，从而影响遥感微纳卫星在轨的成像精度；

遥感微纳卫星对成像载荷进行地面实验室姿态标定，主要通过对光学成像载荷光轴在静态条件下(稳定的温湿度)对卫星的标准安装面进行静态标定。而遥感微纳卫星在轨成像环境为真空环境，且温度随时间交替变化，因此遥感微纳卫星平台和载荷结构会产生相应的应力和畸变，引起成像载荷光轴在轨成像时发生变化，从而产生在轨的成像误差，对成像载荷成像质量产生精度；

遥感微纳卫星星敏感器作为卫星在轨姿态测量的基准，卫星在地面总装、测试时需要对星敏感器光轴指向进行测量标定，但是卫星在轨工作环境为微重力失重、高真空、高低温交变等，会对星敏感器的安装面和其本身产生应力和畸变，相应星敏感器光轴指向产生误差，从而影响卫星姿态的确定，导致对成像载荷成像精度产生影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种遥感卫星载荷平台标定方法及系统，以解决现有的卫星姿态测量数据与成像载荷实际姿态存在较大误差的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种遥感卫星载荷平台标定方法，包括：

自标定模块，通过基于恒星探测的在轨相机模型、多参数解算模块、以及自定标时刻的姿轨控参数，结合实验室标定初始模型，进行高精度卫星自标定；

互标定模块，通过载荷与姿态模块采样时刻的时统一致参数、以及安装基准的结构稳定参数，根据基于统一星表的星点/地标点提取模块，建立基于时间同步和统一星表的星点解算模型，获取载荷与姿态模块在轨高精度互标定模型，进行天基高精度互标定。

可选的，在所述的遥感卫星载荷平台标定方法中，所述进行高精度卫星自标定包括：

获取自标定时刻的姿轨控参数，初步确认载荷的指向信息；

保证载荷的视场中有3颗以上恒星，载荷观星获取所述恒星的数据；

基于恒星探测的在轨相机模型提取视场中的恒星像面位置信息，形成星表，结合星表进行恒星的识别确认；

多参数解算模块根据恒星的坐标计算载荷内方位元素，根据所述内方位元素计算视场内各星点的坐标值；

多参数解算模块根据视场内各星点的坐标值、以及结合实验室标定初始模型，计算位置标定误差，获取自标定精度。

可选的，在所述的遥感卫星载荷平台标定方法中，载荷通过经典的小孔成像模型进行观星，获取所述恒星的数据：

其中f为载荷光学系统的焦距，π为载荷像平面，主点位于载荷像平面的Os处，

为i星在星表中的唯一的方向矢量，i星经过相机成像后在恒星相机焦平面上的坐标为(x_iy_i)，其所对应的成像的测量方向向量为

则自标定精度采用下式进行解算：

式中

为i星和j星间的标定角度，

为i星和j星间在星表中的矢量角度，N为用于标定解算的恒星数量。

可选的，在所述的遥感卫星载荷平台标定方法中，获取自标定时刻的轨姿控参数，初步确定载荷的指向信息包括：

结合星表和载荷的指向信息减小载荷在轨观星的恒星匹配搜索区域，对搜索区域内的恒星，根据星间形状的相似性进行恒星的精确匹配，获取精确的恒星位置信息。

可选的，在所述的遥感卫星载荷平台标定方法中，载荷观星获取所述恒星的数据包括：

载荷具有恒星成像光斑弥散功能，以使恒星的质心坐标提取精度达到0.02像元，以使自标定模块的标定精度达到0.2″。

可选的，在所述的遥感卫星载荷平台标定方法中，根据恒星成像位置信息结合恒星在星表中的方位信息建立多参数模型对载荷的内方位元素解算。

可选的，在所述的遥感卫星载荷平台标定方法中，影响自标定精度的误差项包括：质心提取算法、星点像差、探测器非均匀性噪声，电路系统噪声、星表误差、星点位置误差及光学畸变校正误差；

保证系统温度场稳定在±1K范围内以使光学畸变校正误差在0.1像元(0.15″)以内；

在恒星的质心提取过程中，进行非均匀校正。

可选的，在所述的遥感卫星载荷平台标定方法中，互标定模块，通过载荷与姿态模块采样时刻的时统一致参数、以及安装基准的结构稳定参数，根据基于统一星表的星点/地标点提取模块，建立基于时间同步和统一星表的星点解算模型，获取载荷与姿态模块在轨高精度互标定模型，进行天基高精度互标定包括：

获取标定时刻姿态模块的星图成像数据，解算姿态模块内方位元素及光轴指向；

获取同时刻的载荷星图成像数据，解算载荷的内方位元素及光轴指向；

联合星表，计算两个光轴间角距测量值，获取互标定精度。

可选的，在所述的遥感卫星载荷平台标定方法中，减小影响互标定精度的参数包括：

星图成像数据包括至少4颗以上的可视恒星，以减小载荷和姿态模块本身的自标定精度；

补偿载荷和姿态模块之间由于曝光不同时产生的角度误差，以消除由于载荷在绕地球运动，不同时刻指向星区不同，载荷和姿态模块进行恒星成像的时刻的同步精度的影响；

减小载荷和姿态模块的安装距离，以补偿姿态模块和载荷模块的安装基准面温度对两个光轴偏差的影响

定标所用星表精度在0.01″以内，以达到载荷和姿态模块建立角度关联的基准精度。

本发明还提供一种遥感卫星载荷平台标定系统，包括：

自标定模块，被配置为通过基于恒星探测的在轨相机模型、多参数解算模块、以及自定标时刻的姿轨控参数，结合实验室标定初始模型，进行高精度卫星自标定；

互标定模块，被配置为通过载荷与姿态模块采样时刻的时统一致参数、以及安装基准的结构稳定参数，根据基于统一星表的星点/地标点提取模块，建立基于时间同步和统一星表的星点解算模型，获取载荷与姿态模块在轨高精度互标定模型，进行天基高精度互标定。

在本发明提供的遥感卫星载荷平台标定方法及系统中，通过自标定模块通过基于恒星探测的在轨相机模型、多参数解算模块、以及自定标时刻的姿轨控参数，结合实验室标定初始模型，进行高精度卫星自标定，互标定模块通过载荷与姿态模块采样时刻的时统一致参数、以及安装基准的结构稳定参数，根据基于统一星表的星点/地标点提取模块，建立基于时间同步和统一星表的星点解算模型，获取载荷与姿态模块在轨高精度互标定模型，进行天基高精度互标定，实现了提供标准化、流程化的基于遥感微纳卫星在轨平台和载荷的高精度标定，以降低遥感微纳卫星在轨成像载荷光轴指向的标定误差，提高成像载荷在轨成像质量；通过对遥感微纳卫星成像载荷自标定，利用成像载荷在轨对恒星观测成像，可对成像载荷光轴相对于恒星指向进行标定，并利用自标定结果对成像载荷光轴指向进行在轨修正，以提高遥感微纳卫星在轨成像质量；通过对星敏感器和成像载荷光轴在轨分别对恒星观测，利用观测结果可对星敏感器和成像载荷光轴指向进行在轨修正，以提高遥感微纳卫星在轨成像质量。

附图说明

图1是本发明一实施例遥感卫星载荷平台标定观星的小孔成像模型示意图；

图2是本发明一实施例遥感卫星载荷平台标定载荷自标定流程示意图；

图3是本发明一实施例遥感卫星载荷平台标定载荷自标定误差源示意图；

图4是本发明一实施例遥感卫星载荷平台标定载荷和姿态模块互标定模型示意图；

图5是本发明一实施例遥感卫星载荷平台标定载荷和姿态模块互标定流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的遥感卫星载荷平台标定方法及系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

本发明的核心思想在于提供一种遥感卫星载荷平台标定方法及系统，以解决现有的卫星姿态测量数据与成像载荷实际姿态存在较大误差的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种遥感卫星载荷平台标定方法及系统，包括：自标定模块，被配置为通过基于恒星探测的在轨相机模型、多参数解算模块、以及自定标时刻的姿轨控参数，结合实验室标定初始模型，进行高精度卫星自标定；互标定模块，被配置为通过载荷与姿态模块采样时刻的时统一致参数、以及安装基准的结构稳定参数，根据基于统一星表的星点/地标点提取模块，建立基于时间同步和统一星表的星点解算模型，获取载荷与姿态模块在轨高精度互标定模型，进行天基高精度互标定。

在本发明的一个实施例中，系统采用在轨观星的方式进行载荷的自标定，观星过程等效为经典的小孔成像模型，如图1所示：其中f为载荷光学系统的焦距，π为载荷像平面，主点位于像平面的Os处，

为i星在星表中的唯一的方向矢量，i星经过相机成像后在恒星相机焦平面上的坐标为(x_iy_i)，其所对应的成像的测量方向向量为

则自标定精度采用下式进行解算：

式中

为i星和j星间的标定角度，

为i星和j星间在星表中的矢量角度，N为用于标定解算的恒星数量。

在本发明的一个实施例中，为满足星上自标定精度达到0.2″的要求，载荷自标定流程如图2所示：获取自标定时刻的姿轨控参数，初步确认载荷的指向信息；保证载荷的视场中有3颗以上恒星，载荷观星获取所述恒星的数据；基于恒星探测的在轨相机模型提取视场中的恒星像面位置信息，形成星表，结合星表进行恒星的识别确认；多参数解算模块根据恒星的坐标计算载荷内方位元素，根据所述内方位元素计算视场内各星点的坐标值；多参数解算模块根据视场内各星点的坐标值、以及结合实验室标定初始模型，计算位置标定误差，获取自标定精度。

一、首先通过获取自标定时刻的轨道姿态信息初步确定载荷的指向信息，结合星表和载荷指向有效地减小载荷在轨观星的恒星匹配搜索区域，对搜索区域内的恒星，根据星间形状的相似性进行恒星的精确匹配，获取精确的恒星位置信息。

二、由于恒星的星等与可视的恒星数量成正相关，实验证明当相机视场内有3颗以上恒星时则可以完成恒星的坐标匹配，同时完成相机基本内方位参数的解算，当参与计算的恒星数达到7颗以上时则具有较优的解算精度，因而对恒星的观测过程中，为保证一个视场内有足够的恒星来完成载荷内方位参数的解析，需要进行快速高灵敏度的信息获取技术的研究。

三、恒星的高精度定位是保证自标定精度的基础，根据载荷的设计参数，为保证0.2″的标定精度需要恒星的质心坐标提取精度达到0.02像元，因而载荷设计需要具有恒星成像光斑弥散的功能，可用于提高恒星质心的提取精度。

四、根据恒星成像位置信息结合恒星在星表中的方位信息建立多参数模型对载荷的内方位元素解算。

在本发明的一个实施例中，载荷自标定过程采用的是多参数的解算模型，则根据解算的流程，得到影响自标定的误差项如图3所示，包括：质心提取算法、星点像差、探测器非均匀性噪声，电路系统噪声、星表误差、星点位置误差及光学畸变校正误差；针对各个误差值进行解析：自标定精度的误差总体上可以总结为星表误差、星点质心算法误差以及光学畸变校正误差。

一、星表误差：星表作为自标定的输入基准，其角度的精度在10mas量级，远小于0.2″的标定精度。

二、载荷光学系统矫正后的光学畸变受温度场的影响会出现偏差，影响标定精度，为保证较小的校正后残留需要保证系统温度场稳定在±1K范围内。保证矫正后的光学畸变在0.1像元(0.15″)以内。

三、星点质心计算精度的影响因素包括：质心提取算法、星点像差、探测器非均匀性噪声，电路系统噪声等，因而在质心提取过程中，为提高算法精度需要进行非均匀校正，同时为抑制噪声需要展开高精度质心提取算法的研究，保证质心提取精度在1/50像元(0.075″)以内。

最后的自标定精度在

能满足自标定精度小于0.2″的要求。

在本发明的一个实施例中，姿态模块和载荷模块的互标定指二者在轨光轴指向角度的标定，如图4中的θ为两者光轴的焦距，其中星图A和星图B分别为姿态模块和载荷模块所观测的星区。

在本发明的一个实施例中，为得到互标定角度θ，需要分别得到载荷和姿态模块的光轴指向信息，之后再解算两光轴的焦距以及对应的标定精度。根据互标定的定义，设计如图5所示的标定流程：获取标定时刻姿态模块的星图成像数据，解算姿态模块内方位元素及光轴指向；获取同时刻的载荷星图成像数据，解算载荷的内方位元素及光轴指向；联合星表，计算两个光轴间角距测量值，获取互标定精度。

根据互标定的定义和流程，得到影响互标定精度的因素主要有：

一、载荷和姿态模块本身的自标定精度直接影响二者的互标定结果，则影响自标定精度的各因素同样会对互标定精度产生影响。假定姿态模块的单星标定误差为δ_s(普通的星敏误差在3″左右)，需要进一步提高其自标定精度才能满足互标定精度小于2″的要求，则可以采用多星观测进行精度拟合的方式来提高星敏的自标定精度，通常有：

为保证精度需要至少4颗以上的可视恒星来保证标定精度。

二、由于载荷本身在绕地球运动，不同时刻指向星区不同，载荷和姿态模块进行恒星成像的时刻的同步精度直接影响二者的互标定精度。假定卫星整体的旋转角速度为ω，载荷和姿态模块的曝光时间误差为△t，则两个模块间的由于曝光不同时产生的角度误差为：

δ_t＝w·△t

当卫星的转动角速度为0.05度/秒时，则6ms的曝光误差引起的角度偏差为1.08″。

三、姿态模块和载荷模块的安装基准面受温度影响会导致二者的光轴出现偏移影响互标定精度，温度导致的二者光轴偏差采用δ_op表示。

载荷和姿态模块间有一个良好的安装基准，尽量缩短两者的安装距离；同时保证安装面有一个稳定的温度场；确保温度引起的二者光轴焦距偏差小于0.5″。

四、定标所用星表为载荷和姿态模块建立角度关联的基准，其精度直接影响互标定的结果，通常星表精度在0.01″以内，可用δ_m表示。

载荷的自标定误差δ_tar取0.2″，则最后的互标定精度可以表示为：

满足互标定指标的要求。本发明可以广泛应用于遥感微纳卫星，同时也可推广至其它遥感卫星。

综上，上述实施例对遥感卫星载荷平台标定方法及系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种遥感卫星载荷平台标定方法，其特征在于，包括：

自标定模块通过基于恒星探测的在轨相机模型、多参数解算模块、以及自定标时刻的姿轨控参数，结合实验室标定初始模型，进行高精度卫星自标定；

互标定模块通过载荷与姿态模块采样时刻的时统一致参数、以及安装基准的结构稳定参数，根据基于统一星表的星点/地标点提取模块，建立基于时间同步和统一星表的星点解算模型，获取载荷与姿态模块在轨高精度互标定模型，进行天基高精度互标定，包括：

获取标定时刻姿态模块的星图成像数据，解算姿态模块内方位元素及光轴指向；

获取同时刻的载荷星图成像数据，解算载荷的内方位元素及光轴指向；

联合星表，计算两个光轴间角距测量值，获取互标定精度。

2.如权利要求1所述的遥感卫星载荷平台标定方法，其特征在于，所述进行高精度卫星自标定包括：

获取自标定时刻的姿轨控参数，初步确认载荷的指向信息；

保证载荷的视场中有3颗以上恒星，载荷观星获取所述恒星的数据；

基于恒星探测的在轨相机模型提取视场中的恒星像面位置信息，形成星表，结合星表进行恒星的识别确认；

多参数解算模块根据恒星的坐标计算载荷内方位元素，根据所述内方位元素计算视场内各星点的坐标值；

多参数解算模块根据视场内各星点的坐标值、以及结合实验室标定初始模型，计算位置标定误差，获取自标定精度。

3.如权利要求2所述的遥感卫星载荷平台标定方法，其特征在于，载荷通过经典的小孔成像模型进行观星，获取所述恒星的数据：

其中

为i星在星表中的唯一的方向矢量，i星经过相机成像后在恒星相机焦平面上的坐标为(x_iy_i)，其所对应的成像的测量方向向量为

则自标定精度采用下式进行解算：

式中

为i星和j星间的标定角度，

为i星和j星间在星表中的矢量角度，N为用于标定解算的恒星数量。

4.如权利要求2所述的遥感卫星载荷平台标定方法，其特征在于，获取自标定时刻的轨姿控参数，初步确定载荷的指向信息包括：

结合星表和载荷的指向信息减小载荷在轨观星的恒星匹配搜索区域，对搜索区域内的恒星，根据星间形状的相似性进行恒星的精确匹配，获取精确的恒星位置信息。

5.如权利要求2所述的遥感卫星载荷平台标定方法，其特征在于，载荷观星获取所述恒星的数据包括：

载荷具有恒星成像光斑弥散功能，以使恒星的质心坐标提取精度达到0.02像元，以使自标定模块的标定精度达到0.2″。

6.如权利要求2所述的遥感卫星载荷平台标定方法，其特征在于，根据恒星成像位置信息结合恒星在星表中的方位信息建立多参数模型对载荷的内方位元素解算。

7.如权利要求2所述的遥感卫星载荷平台标定方法，其特征在于，影响自标定精度的误差项包括：质心提取算法、星点像差、探测器非均匀性噪声，电路系统噪声、星表误差、星点位置误差及光学畸变校正误差；

保证系统温度场稳定在±1K范围内以使光学畸变校正误差在0.1像元(0.15″)以内；

在恒星的质心提取过程中，进行非均匀校正。

8.如权利要求1所述的遥感卫星载荷平台标定方法，其特征在于，减小影响互标定精度的参数包括：

星图成像数据包括至少4颗以上的可视恒星，以减小载荷和姿态模块本身的自标定精度；

补偿载荷和姿态模块之间由于曝光不同时产生的角度误差，以消除由于载荷在绕地球运动，不同时刻指向星区不同，载荷和姿态模块进行恒星成像的时刻的同步精度的影响；

减小载荷和姿态模块的安装距离，以补偿姿态模块和载荷模块的安装基准面温度对两个光轴偏差的影响

定标所用星表精度在0.01″以内，以达到载荷和姿态模块建立角度关联的基准精度。

9.一种遥感卫星载荷平台标定系统，其特征在于，包括：

自标定模块，被配置为通过基于恒星探测的在轨相机模型、多参数解算模块、以及自定标时刻的姿轨控参数，结合实验室标定初始模型，进行高精度卫星自标定；

互标定模块，被配置为通过载荷与姿态模块采样时刻的时统一致参数、以及安装基准的结构稳定参数，根据基于统一星表的星点/地标点提取模块，建立基于时间同步和统一星表的星点解算模型，获取载荷与姿态模块在轨高精度互标定模型，进行天基高精度互标定，包括：

获取标定时刻姿态模块的星图成像数据，解算姿态模块内方位元素及光轴指向；

获取同时刻的载荷星图成像数据，解算载荷的内方位元素及光轴指向；

联合星表，计算两个光轴间角距测量值，获取互标定精度。

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