CN112393742B - 一种高频角位移传感器安装参数在轨标定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高频角位移传感器安装参数在轨标定方法及系统，包括采用FIR对于原始观测的高频角位移数据进行降噪处理；采用分段傅里叶变换算法实现噪声数据的抑制，并对数据幅值信息进行阈值处理，实现高频角位移数据的恢复与质量提升；解算卫星本体姿态四元数时间序列，获得卫星本体角增量参考值时间序列；根将所得质量提升后的本体角增量观测值进行时间累加处理，得到与卫星本体角增量参考值时间序列时间基准统一的本体角增量量测值时间序列；建立高频角位移在轨安装参数标定模型，利用最小二乘最优估计方法，求解安装参数误差值；迭代计算，直到高频角位移安装误差校正值小于设定阈值，得到高频角位移安装参数在轨标定结果。
Description
技术领域
本发明属于遥感卫星地面数据处理领域，涉及一种高频角位移传感器安装参数在轨标定方法及系统。
背景技术
高频角位移传感器可以输出上万赫兹的角增量数据，能够感应的平台姿态频率范围可达0.2～1000Hz，并且在卫星高速运动时能保持较高的量测精度，为高分辨率光学遥感卫星高频高精度姿态数据处理提供一个新的思路和方法。然而，由于角位移数据的采样频率较高，观测数据中量化噪声显著，卫星平台真实角增量信息被掩盖；并且，高频角位移的原始观测数据中存在各类系统和偶然误差，如角位移设备安装误差、标度因素误差、漂移误差以及测量噪声等，导致原始观测数据中存在明显偏离的角增量粗差数据，影响高分辨率光学卫星姿态解算精度，造成遥感影像几何定位精度的显著下降。此外，由于受到发射振动、结构在轨应力释放和空间环境影响等，高频角位移与星敏感器间的相对安装参数相较于地面量测值存在一定的误差，造成星敏角位移组合滤波不收敛问题，导致光学遥感卫星影像内部几何精度产生不一致性。因此，需要对高频角位移原始观测数据进行数据质量提升处理，提高观测数据的连续性，并进行角位移组件测量坐标系与星敏基准坐标系进行相对安装标定。目前，现有的高频角位移安装参数在轨标校方法的标定精度受限于角位移随机量测噪声及安装参数初始值设定的影响，并且不适用于安装角误差较大的标定情况。本发明针对该问题，提出一种高频角位移传感器安装参数在轨标定方法，建立统一的姿态测量基准，为后续姿态信息融合提供基础。
发明内容
本发明针对高频角位移原始观测数据存在粗差、量测噪声以及安装参数标定的问题，提供了一种高频角位移传感器安装参数在轨标定方法。
本发明技术方案提供一种高频角位移传感器安装参数在轨标定方法，数据预处理及安装参数在轨标定过程包括以下步骤，
步骤1，采用有限长单位冲激响应滤波器FIR对于原始观测的高频角位移数据进行降噪处理，提高观测数据的连续性；
步骤2，采用分段傅里叶变换算法，得到多个数据段信号的各自的频率、相位和幅值信息，利用信号与噪声的特性，求取多个数据段的相位、幅值信息的平均值，实现噪声数据的抑制，并对数据幅值信息进行阈值处理，基于频率、求均值后的相位以及阈值处理后的振幅信息，进行傅里叶逆变换，实现高频角位移数据的恢复与质量提升；
步骤3，基于星敏感器原始观测数据及在轨安装参数，解算卫星本体姿态四元数时间序列，然后计算对应的卫星本体角增量参考值，获得卫星本体角增量参考值时间序列；
步骤4，根据步骤3所得卫星本体角增量参考值时间序列，将步骤2所得质量提升后的本体角增量观测值进行时间累加处理，得到与卫星本体角增量参考值时间序列时间基准统一的本体角增量量测值时间序列；
步骤5，基于步骤3所得卫星本体角增量参考值时间序列与步骤4所得本体角增量量测值时间序列，建立高频角位移在轨安装参数标定模型，利用最小二乘最优估计方法，求解安装参数误差值；
步骤6，迭代计算，执行步骤5，直到高频角位移安装误差校正值小于设定阈值，得到高频角位移安装参数在轨标定结果。
而且，步骤1实现方式为，根据高频角位移传感器特性，所述有限长单位冲激响应滤波器FIR采用Hamming窗得到低通滤波器，对原始高频角位移数据x0进行滤波处理，得到处理后的角增量数据x1。
而且，步骤2中，根据设定的数据段长度p，将去噪后的数据进行分段处理，得到np个数据段
对每个数据段进行傅里叶变换，得到对应的频率、振幅、相位信息，对多个数据段的信息求解平均值，实现噪声数据的抑制；然后，根据设定振幅阈值对求取均值后的振幅数据进行处理，基于频率、求均值后的相位以及阈值处理后的振幅信息，采用傅里叶逆变换，得到质量提升后的高频角位移数据x2。
而且，步骤3计算卫星本体角增量参考值实现方式为，基于星敏感器解算的卫星本体四元数姿态信息，利用矩阵运算，得到整个星敏感器观测数据段内的卫星本体角增量参考值时间序列。
而且，步骤4实现方式如下，
在t1,t2之间，卫星本体角增量观测值
表达为：
其中，t为高频角位移数据的量测时刻，x2(t)表示经质量提升后的高频角位移数据在t时刻的量测值，sum()表示求和函数。
而且，步骤5实现方式为，建立高频角位移在轨安装参数标定模型如下，:
其中，[wx wy wz]T是卫星本体三轴角增量量测值，
是卫星本体三轴角增量参考值，
θ,ψ分别表示高频角位移在地面标定的安装参数绕本体X、Y、Z轴的旋转角度，
Δθ,Δψ表示高频角位移安装误差。
线性化上述模型，建立误差方程，利用最小二乘最优估计方法，实现安装误差参数的最优求解。
而且，步骤6中，设定阈值优选取值为1e-12。
本发明还提供一种高频角位移传感器安装参数在轨标定系统，用于上述高频角位移传感器安装参数在轨标定方法。
本发明针对高频角位移原始观测数据存在粗差、量测噪声影响大问题，开展高频角位移原始观测数据进行数据质量提升处理方法研究，针对高频角位移与星敏感器间的相对安装参数误差导致光学影像内部几何精度产生不一致性问题，开展角位移组件测量坐标系与星敏基准坐标系进行相对安装标定方法研究，旨在建立统一的姿态测量基准，保证后续多源姿态信息融合精度。本发明为高频角位移传感器安装参数在轨标定提供了一种新的实用定标方法，保证了高频角位移数据质量与可靠性，为光学遥感影像几何定位奠定了基础。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。
本发明利用FIR滤波与分段FFT变换，实现高频角位移数据预处理，提升原始观测值的质量与连续性，基于角位移安装参数在轨标定模型，标定角位移组件测量坐标系与星敏基准坐标系间的相对安装参数，统一光学遥感卫星姿态量测系统基准。
参见图1，本发明实施例提供的一种高频角位移传感器安装参数在轨标定流程包括以下步骤，
步骤1，采用有限长单位冲激响应滤波器(Finite Impulse Response，FIR)，进行加窗低通滤波对于原始观测的高频角位移数据进行降噪处理，提高观测数据的连续性。
具体实施时，优选根据高频角位移传感器的采样频率、噪声特性等参数，设置有限长单位冲激响应滤波器h，如下式所示
h＝FIR(Nfilter,ffilter,'low','Hamming') (1)
其中，Nfilter表示滤波器阶数，ffilter表示归一化截止频率，'low'表示低通滤波器，'Hamming'表示采用Hamming窗得到低通滤波器，FIR表示有限长单位冲激响应滤波器计算函数。
利用FIR滤波器对原始高频角位移数据x0进行滤波处理，得到处理后的角增量数据x1，如下式所示：
其中，高频角位移数据共M个，i表示角位移数据标号，0≤i≤M-1，FIR滤波器长度为N，k表示FIR滤波器的标号，0≤k≤N-1，即x0(i-k)表示第i-k个原始高频角位移数据，x1(i)表示第i个处理后的角增量数据，h(k)表示滤波器的第k个元素值。
步骤2，采用分段傅里叶变换算法，得到多个数据段信号的各自的频率、相位、幅值等信息，根据信号与噪声的特性，求取多个数据段的相位、幅值信息的平均值，实现噪声数据的抑制，并对数据幅值信息进行阈值处理，基于频率、求均值后的相位以及阈值处理后的振幅信息，进行傅里叶逆变换，实现高频角位移数据的恢复与质量提升。
实施例中，步骤2实现如下：
根据设定的数据段长度p，将去噪后的数据进行分段处理，得到np个数据段
对每个数据段进行傅里叶变换，得到对应的频率、振幅、相位信息，对多个数据段的信息求解平均值，实现噪声数据的抑制，如下式所示：
其中，
分别表示数据段
的振幅、相位信息，m＝1,2,…,np，amp,pha分别表示多个数据段求均值后的振幅、相位信息，mean表示求均值函数。
然后，根据设定振幅阈值对求取均值后的振幅数据amp进行处理，保留大于设定阈值的数据，小于设定阈值的数据设置为0，具体实施时振幅阈值可优选根据高分辨率光学卫星0.1个像元对应的角分辨率值预先设置阈值取值。基于频率、求均值后的相位以及阈值处理后的振幅信息，采用傅里叶逆变换，得到质量提升后的高频角位移数据x2。
步骤3，基于星敏感器原始观测数据及在轨安装参数，解算卫星本体姿态四元数时间序列，然后计算对应的卫星本体角增量参考值。
设在t1,t2时刻，卫星本体姿态四元数分别表示为
对应的姿态旋转矩阵表示为
如下式所示：
其中，
表示姿态四元数值。
则在t1,t2之间，卫星本体角增量值为：
其中，
为本体在t1,t2时间间隔内的旋转矩阵，
为本体在t1,t2时间间隔内的角增量，
分别表示卫星平台在本体系X、Y、Z三个方向的角增量值，inv()表示矩阵求逆函数，materix2euler()表示旋转矩阵转欧拉角函数。
类似的，根据星敏感器在t1,t2,...,ts-1,ts时刻的姿态四元数值，获得卫星本体角增量参考值时间序列
步骤4，根据步骤3所得卫星本体角增量参考值时间序列，将步骤2所得质量提升后的本体角增量观测值进行时间累加处理，得到与其时间基准统一的本体角增量量测值时间序列。
在t1,t2之间，卫星本体角增量观测值
可表达为：
其中，t为高频角位移数据的量测时刻，x2(t)表示经质量提升后的高频角位移数据在t时刻的量测值，sum()表示求和函数。
以本体角增量参考值时间为基准得到本体角增量量测值序列
步骤5，基于步骤3所得卫星本体角增量参考值时间序列与步骤4所得本体角增量量测值时间序列，建立高频角位移在轨安装参数标定模型，利用最小二乘最优估计方法，求解安装参数误差值。
考虑角位移在轨安装误差，卫星本体角增量参考值与本体角增量量测值的关系可表达为下式，即高频角位移在轨安装参数标定模型：
其中，[wx wy wz]T是卫星本体三轴角增量量测值，
是卫星本体三轴角增量参考值。高频角位移传感器的安装基准为卫星本体坐标系，其原点位于星箭分离面理论圆心，X轴指向卫星飞行方向，Z轴沿相机光轴方向指向地心，Y轴与X轴、Z轴构成右手系。
θ,ψ分别表示高频角位移在地面标定的安装参数绕本体X、Y、Z轴的旋转角度，
Δθ,Δψ表示高频角位移安装误差，
θ+Δθ,ψ+Δψ分别表示高频角位移在轨真实安装参数，
RY(θ+Δθ),RZ(ψ+Δψ)分别表示绕本体X、Y、Z轴的旋转矩阵，本发明采用Z-X-Y轴的旋转顺序。
高频角位移在轨安装参数标定模型是非线性定标模型，令：
其中，a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3表示旋转矩阵中各个元素。
建立函数F,H,G，各个函数如下式所示：
对上式进行线性化处理，建立误差方程式：
Vo＝AoX-Lo Po (16)
其中，Lo是利用高频角位移初始安装参数
代入公式(19)计算得到的常数向量；Ao是误差方程式的系数矩阵；X代表安装参数的改正数ΔXads；Po是观测值的权，单位阵，o表示本体角增量观测数据的标号；Vo是残差矩阵；
分别表示函数F,H,G对安装参数的偏导数，
分别表示函数F对
θ,ψ安装参数的偏导数，
分别表示函数H对
θ,ψ安装参数的偏导数,
分别表示函数G对
θ,ψ安装参数的偏导数。
安装参数改正数的最小二乘估计ΔXo为：
ΔXo＝inv(Ao TPAo)AoPLo (20)
角位移安装参数更新：
其中，j表示迭代次数，
表示第j次迭代所得角位移安装参数，
表示第j+1次迭代所得角位移安装参数。
步骤6，迭代执行步骤5，直到高频角位移安装误差校正值小于设定阈值，得到高频角位移安装参数在轨标定结果。具体实施时，可根据精度要求预先设置阈值取值，本发明实施例中优选设置阈值为1e-12。
具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (8)
1.一种高频角位移原始观测数据预处理及安装参数在轨标定方法，其特征在于：数据预处理及安装参数在轨标定过程包括以下步骤，
步骤1，采用有限长单位冲激响应滤波器FIR对于原始观测的高频角位移数据进行降噪处理，提高观测数据的连续性；
步骤2，采用分段傅里叶变换算法，得到多个数据段信号的各自的频率、相位和幅值信息，利用信号与噪声的特性，求取多个数据段的相位、幅值信息的平均值，实现噪声数据的抑制，并对数据幅值信息进行阈值处理，基于频率、求均值后的相位以及阈值处理后的振幅信息，进行傅里叶逆变换，实现高频角位移数据的恢复与质量提升；
步骤3，基于星敏感器原始观测数据及在轨安装参数，解算卫星本体姿态四元数时间序列，然后计算对应的卫星本体角增量参考值，获得卫星本体角增量参考值时间序列；
步骤4，根据步骤3所得卫星本体角增量参考值时间序列，将步骤2所得质量提升后的本体角增量观测值进行时间累加处理，得到与卫星本体角增量参考值时间序列时间基准统一的本体角增量量测值时间序列；
步骤5，基于步骤3所得卫星本体角增量参考值时间序列与步骤4所得本体角增量量测值时间序列，建立高频角位移在轨安装参数标定模型，利用最小二乘最优估计方法，求解安装参数误差值；
步骤6，迭代计算，执行步骤5，直到高频角位移安装误差校正值小于设定阈值，得到高频角位移安装参数在轨标定结果。
2.如权利要求1所述一种高频角位移原始观测数据预处理及安装参数在轨标定方法，其特征在于：步骤1实现方式为，根据高频角位移传感器特性，所述有限长单位冲激响应滤波器FIR采用Hamming窗得到低通滤波器，对原始高频角位移数据x0进行滤波处理，得到处理后的角增量数据x1。
3.如权利要求1所述一种高频角位移原始观测数据预处理及安装参数在轨标定方法，其特征在于：步骤2中，根据设定的数据段长度p，将去噪后的数据进行分段处理，得到np个数据段
对每个数据段进行傅里叶变换，得到对应的频率、振幅、相位信息，对多个数据段的信息求解平均值，实现噪声数据的抑制；然后，根据设定振幅阈值对求取均值后的振幅数据进行处理，基于频率、求均值后的相位以及阈值处理后的振幅信息，采用傅里叶逆变换，得到质量提升后的高频角位移数据x2。
4.如权利要求1所述一种高频角位移原始观测数据预处理及安装参数在轨标定方法，其特征在于：步骤3计算卫星本体角增量参考值实现方式为，基于星敏感器解算的卫星本体四元数姿态信息，利用矩阵运算，得到整个星敏感器观测数据段内的卫星本体角增量参考值时间序列。
5.如权利要求1所述一种高频角位移原始观测数据预处理及安装参数在轨标定方法，其特征在于：步骤4实现方式如下，
在t1,t2之间，卫星本体角增量观测值
表达为：
其中，t为高频角位移数据的量测时刻，x2(t)表示经质量提升后的高频角位移数据在t时刻的量测值，sum()表示求和函数。
6.如权利要求1或2或3或4或5所述一种高频角位移原始观测数据预处理及安装参数在轨标定方法，其特征在于：步骤5实现方式为，建立高频角位移在轨安装参数标定模型如下，
其中，[wx wy wz]T是卫星本体三轴角增量量测值，
是卫星本体三轴角增量参考值，
θ,ψ分别表示高频角位移在地面标定的安装参数绕本体X、Y、Z轴的旋转角度，
Δθ,Δψ表示高频角位移安装误差；
RY(θ+Δθ),RZ(ψ+Δψ)分别表示绕本体X、Y、Z轴的旋转矩阵，采用Z-X-Y轴的旋转顺序；
线性化上述模型，建立误差方程，利用最小二乘最优估计方法，实现安装误差参数的最优求解。
7.如权利要求1或2或3或4或5所述一种高频角位移原始观测数据预处理及安装参数在轨标定方法，其特征在于：步骤6中，设定阈值优选取值为1e-12。
8.一种高频角位移原始观测数据预处理及安装参数在轨标定系统，其特征在于：用于权利要求1至7任一项所述的一种高频角位移原始观测数据预处理及安装参数在轨标定方法。
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