CN112304306B - 一种提高线阵红外地球敏感器工作帧频的方法 - Google Patents

一种提高线阵红外地球敏感器工作帧频的方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一个实施例公开了一种提高线阵红外地球敏感器工作帧频的方法，一般情况下无预知姿态信息时，线阵红外地球敏感器采用顺序扫描所有线阵列方向探测器像元的方式确定地平位置从而解算获得地心矢量；当解算获得地心矢量成功后即预知姿态信息时，可预先选择潜在的部分探测器像元进行扫描读取，从而完成地平位置的确认，进而实现地心矢量的解算。本发明在满足线阵红外地球敏感器的姿态测量情况下，保证了原有测量精度，同时有效的提高了线阵红外地球敏感器的工作帧频，实现在轨地心矢量较高帧频的输出，有效的帮助了飞行器进行自主导航测量。

Description

一种提高线阵红外地球敏感器工作帧频的方法
技术领域
本发明涉及航天技术领域，具体涉及一种提高线阵红外地球敏感器工作帧频的方法。
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，其工作帧频与电机扫描转速有关。
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需要完成对包括地球在内的整个视场图像进行读取，数据量较大，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只需要对四个象限的线列阵像元进行读取，数据量小，但为提高单像元精度而增加像元的使用势必会导致像元读取时间的成倍增加，而导致工作帧频降低，目前一般为2Hz。
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快速响应，较高帧频对外输出地心矢量信息，以提供飞行器控制系统使用。
发明内容
本发明目的在于设计一种提高线阵红外地球敏感器工作帧频的方法，提高线阵红外地球敏感器姿态解算能力，有效降低数据采集时间，提高工作帧频。该方法能够保证线阵列红外地球敏感器的精度性能的情况下，降低工作周期，使其应用领域进一步拓宽。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供一种提高线阵红外地球敏感器工作帧频的方法，该方法包括以下步骤：
S101:判断是否预知卫星姿态信息，在无任何姿态信息的情况下执行步骤S102；若在预知姿态信息的情况下，执行步骤S108；
S102:同步依次读取线阵红外地球敏感器四个镜头A、B、C和D内探测器的像元灰度值，分别记为DA1～DAN、DB1～DBN、DC1～DCN和DD1～DDN，
其中，
N为探测器像元个数，N为不小于8的整数；
S103:对第K个镜头探测器连续取2个像元灰度值DKi-1和DKi，
其中，
i是3～(N-1)的整数，K依次取A、B、C和D；
S104:当计算获得的DKi-DKi-1为最大时，记录当前的数值i为地平位置跳变像元位置kz，k与K相对应，当K取A时k取a，当K取B时k取b，当K取C时k取c，当K取D时k取d；
S105:计算第K个镜头对应的地平位置FK，K依次取A、B、C和D；
S106:根据所述地平位置计算卫星俯仰角P、滚动角R以及轨道高度H；
S107:根据卫星俯仰角P、滚动角R以及轨道高度H，预判四个镜头对应地平位置，并记作YA、YB、YC和YD；
S108:对第K个镜头对应的预判地平位置YK的数值取整，整数值记为nk，若数值小于3时记为3，若数值大于N-2时数值记为N-2；
S109:同步依次读取线阵红外地球敏感器第K个镜头内探测器nk-2、nk、nk+1和nk+3的像元灰度值，并分别记为DKnk-2、DKnk、DKnk+1和DKnk+3；
S110:计算第K个镜头对应的地平位置WK，K依次取A、B、C和D；
S111:判断解算是否有效，若有效则执行步骤S106计算卫星俯仰角P、滚动角R以及轨道高度H，并结束解算，否则返回步骤S102。
在一个具体实施例中，所述步骤S105的计算公式为：
FK＝kz+{DKkz–[DKkz-2+(DKkz-DKkz-1)/2]}/(DKkz-DKkz-1)。
在一个具体实施例中，所述步骤S106的计算公式为：
P＝cos45°*(FA-FB-FC+FD)*θ/2；
R＝cos45°*(-FA-FB+FC+FD)*θ/2；
H＝G/sin[N*θ/2-(FA+FB+FC+FD)*θ/4+arcsin(G/H0)]；
其中，θ为探测器每个像元的视场角,G为地球表面二氧化碳过渡段平均高度距离地心距离,H0为线阵红外地球敏感器设计的标称轨道对应的地心距。
在一个具体实施例中，所述步骤S107的计算公式为：
YA＝N/2+[arcsin(R/H0)-arcsin(R/H)]/θ+cos45°*(P-R)/θ；
YB＝N/2+[arcsin(R/H0)-arcsin(R/H)]/θ+cos45°*(-P-R)/θ；
YC＝N/2+[arcsin(R/H0)-arcsin(R/H)]/θ+cos45°*(-P+R)/θ；
YD＝N/2+[arcsin(R/H0)-arcsin(R/H)]/θ+cos45°*(P+R)/θ。
在一个具体实施例中，所述步骤S110的计算公式为：
WK＝nk+(DKnk+3+DKnk-2-2*DKnk)/(DKnk+1-DKnk)/2。
在一个具体实施例中，所述步骤S111的判断条件为：
YA-1≤WA≤YA+1；
YB-1≤WB≤YB+1；
YC-1≤WC≤YC+1；
YD-1≤WD≤YD+1。
本发明的有益效果如下：
本发明能够提高线阵红外地球敏感器姿态解算能力，有效降低数据采集时间，提高工作帧频。该方法能够保证线阵列红外地球敏感器的精度性能的情况下，降低工作周期，使其应用领域进一步拓宽。同时本发明还可以满足线阵红外地球敏感器的姿态测量，有效提高了地球敏感器数据输出刷新频率，实用性高，可有效帮助飞行器进行自主导航。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有的技术方案，下面将对具体实施方式或现有的技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本申请的一种实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明一个实施例的整体处理方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。以下通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员可以做出变形与改进，也应视为本发明的保护范围。
图1示出本发明一个实施例的整体处理方法流程图；
本实施例提供一种提高线阵红外地球敏感器工作帧频的方法，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，该方法包括以下步骤：
S101:判断是否预知卫星姿态信息，在无任何姿态信息的情况下执行步骤S102；若在预知姿态信息的情况下，执行步骤S108；
S102:同步依次读取线阵红外地球敏感器四个镜头A、B、C和D内探测器的像元灰度值，分别记为DA1～DAN、DB1～DBN、DC1～DCN和DD1～DDN，
其中，
N为探测器像元个数，N为不小于8的整数；
S103:对第K个镜头探测器连续取2个像元灰度值DKi-1和DKi，
其中，
i是3～(N-1)的整数，K依次取A、B、C和D；
S104:当计算获得的DKi-DKi-1为最大时，记录当前的数值i为地平位置跳变像元位置kz，k与K相对应，当K取A时k取a，当K取B时k取b，当K取C时k取c，当K取D时k取d；
S105:计算第K个镜头对应的地平位置FK，K依次取A、B、C和D；
S106:根据所述地平位置计算卫星俯仰角P、滚动角R以及轨道高度H；
S107:根据卫星俯仰角P、滚动角R以及轨道高度H，预判四个镜头对应地平位置，并记作YA、YB、YC和YD；
S108:对第K个镜头对应的预判地平位置YK的数值取整，整数值记为nk，若数值小于3时记为3，若数值大于N-2时数值记为N-2；
S109:同步依次读取线阵红外地球敏感器第K个镜头内探测器nk-2、nk、nk+1和nk+3的像元灰度值，并分别记为DKnk-2、DKnk、DKnk+1和DKnk+3；
S110:计算第K个镜头对应的地平位置WK，K依次取A、B、C和D；
S111:判断解算是否有效，若有效则执行步骤S106计算卫星俯仰角P、滚动角R以及轨道高度H，并结束解算，否则返回步骤S102。
在一个具体实施例中，所述步骤S105的计算公式为：
FK＝kz+{DKkz–[DKkz-2+(DKkz-DKkz-1)/2]}/(DKkz-DKkz-1)。
在一个具体实施例中，所述步骤S106的计算公式为：
P＝cos45°*(FA-FB-FC+FD)*θ/2；
R＝cos45°*(-FA-FB+FC+FD)*θ/2；
H＝G/sin[N*θ/2-(FA+FB+FC+FD)*θ/4+arcsin(G/H0)]；
其中，θ为探测器每个像元的视场角,G为地球表面二氧化碳过渡段平均高度距离地心距离,H0为线阵红外地球敏感器设计的标称轨道对应的地心距。
在一个具体实施例中，所述步骤S107的计算公式为：
YA＝N/2+[arcsin(R/H0)-arcsin(R/H)]/θ+cos45°*(P-R)/θ；
YB＝N/2+[arcsin(R/H0)-arcsin(R/H)]/θ+cos45°*(-P-R)/θ；
YC＝N/2+[arcsin(R/H0)-arcsin(R/H)]/θ+cos45°*(-P+R)/θ；
YD＝N/2+[arcsin(R/H0)-arcsin(R/H)]/θ+cos45°*(P+R)/θ。
在一个具体实施例中，所述步骤S110的计算公式为：
WK＝nk+(DKnk+3+DKnk-2-2*DKnk)/(DKnk+1-DKnk)/2。
在一个具体实施例中，所述步骤S111的判断条件为：
YA-1≤WA≤YA+1；
YB-1≤WB≤YB+1；
YC-1≤WC≤YC+1；
YD-1≤WD≤YD+1。
按照上述方法，进行模拟仿真验证性实验尝试。
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°
G 6711km
H<sub>0</sub> 6871km
本实施例提供一次解算过程如下：
提供的一组四个镜头探测器像元灰度值表如下：
像元数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
镜头1 30 30 30 30 30 30 30 119 210 210 210 210 210 210 210 210
镜头2 30 30 30 30 30 30 30 119 210 210 210 210 210 210 210 210
镜头3 30 30 30 30 30 30 30 119 210 210 210 210 210 210 210 210
镜头4 30 30 30 30 30 30 30 119 210 210 210 210 210 210 210 210
按照步骤S102顺次读取所有探测器像元，并按照步骤S103～S105计算可得镜头1～4(对应方法步骤中的镜头A～D)对应的地平位置：
FA＝8.010989、FB＝8.010989、FC＝8.010989、FD＝8.010989。
按照步骤S106计算可得P＝0.00°，R＝0.00°，H＝6872.017km。
按照步骤S107计算预判四个镜头对应地平位置：
YA＝8.010991、YB＝8.010991、YC＝8.010991、YD＝8.010991。
按照步骤S108、S109顺次读取所有探测器像元。
像元数 6 8 9 11
镜头1 30 119 210 210
镜头2 30 119 210 210
镜头3 30 119 210 210
镜头4 30 119 210 210
按照步骤S110计算可得到地平位置：
WA＝8.010989、WB＝8.010989、WC＝8.010989、WD＝8.010989。
代入到上述方法的判断条件中，得知判断解算有效，代入步骤S106中即可得到卫星俯仰角P、滚动角R以及轨道高度H。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (2)

1.一种提高线阵红外地球敏感器工作帧频的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S101:判断是否预知卫星姿态信息，在无任何姿态信息的情况下执行步骤S102；若在预知姿态信息的情况下，执行步骤S108；
S102:同步依次读取线阵红外地球敏感器四个镜头A、B、C和D内探测器的像元灰度值，分别记为DA1～DAN、DB1～DBN、DC1～DCN和DD1～DDN，其中，
N为探测器像元个数，N为不小于8的整数；
S103:对第K个镜头探测器连续取2个像元灰度值DKi-1和DKi，
其中，
i是3～(N-1)的整数，K依次取A、B、C和D；
S104:当计算获得的DKi-DKi-1为最大时，记录当前的数值i为地平位置跳变像元位置kz，k与K相对应，当K取A时k取a，当K取B时k取b，当K取C时k取c，当K取D时k取d；
S105:计算第K个镜头对应的地平位置FK，K依次取A、B、C和D；
计算公式为：
FK＝kz+{DKkz–[DKkz-2+(DKkz-DKkz-1)/2]}/(DKkz-DKkz-1)；
S106:根据所述地平位置计算卫星俯仰角P、滚动角R以及轨道高度H；
计算公式为：
P＝cos45°*(FA-FB-FC+FD)*θ/2；
R＝cos45°*(-FA-FB+FC+FD)*θ/2；
H＝G/sin[N*θ/2-(FA+FB+FC+FD)*θ/4+arcsin(G/H0)]；
其中，θ为探测器每个像元的视场角,G为地球表面二氧化碳过渡段平均高度距离地心距离,H0为线阵红外地球敏感器设计的标称轨道对应的地心距；
S107:根据卫星俯仰角P、滚动角R以及轨道高度H，预判四个镜头对应地平位置，并记作YA、YB、YC和YD；
计算公式为：
YA＝N/2+[arcsin(R/H0)-arcsin(R/H)]/θ+cos45°*(P-R)/θ；
YB＝N/2+[arcsin(R/H0)-arcsin(R/H)]/θ+cos45°*(-P-R)/θ；
YC＝N/2+[arcsin(R/H0)-arcsin(R/H)]/θ+cos45°*(-P+R)/θ；
YD＝N/2+[arcsin(R/H0)-arcsin(R/H)]/θ+cos45°*(P+R)/θ；
S108:对第K个镜头对应的预判地平位置YK的数值取整，整数值记为nk，若数值小于3时记为3，若数值大于N-2时数值记为N-2；
S109:同步依次读取线阵红外地球敏感器第K个镜头内探测器nk-2、nk、nk+1和nk+3的像元灰度值，并分别记为DKnk-2、DKnk、DKnk+1和DK nk+3；
S110:计算第K个镜头对应的地平位置WK，K依次取A、B、C和D；
计算公式为：
WK＝nk+(DKnk+3+DKnk-2-2*DKnk)/(DKnk+1-DKnk)/2；
S111:判断解算是否有效，若有效则执行步骤S106计算卫星俯仰角P、滚动角R以及轨道高度H，并结束解算，否则返回步骤S102。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S111的判断条件为：
YA-1≤WA≤YA+1；
YB-1≤WB≤YB+1；
YC-1≤WC≤YC+1；
YD-1≤WD≤YD+1。
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