CN113063435A - 卫星姿态稳定度和指向精度评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卫星姿态稳定度和指向精度评估方法及系统，包括：步骤S1：根据在轨观测的恒星预报参数提出控制信息，获取在轨观测的恒星预报参数提出结果信息；步骤S2：获取机动角最优恒星捕获信息；步骤S3：设置卫星在轨的工作模式，采用惯性定向的姿态控制方式进行恒星观测，获取恒星观测信息；步骤S4：获取在探测器上轨迹评估卫星平台指向精度信息；步骤S5：根据恒星观测信息，获取在探测器上轨迹评估卫星平台姿态稳定度信息。本发明提出的卫星姿态稳定度和指向精度评估方法，在轨操作流程简单，精度高，适用于卫星姿态稳定度和指向精度指标的在轨评估。

Description

卫星姿态稳定度和指向精度评估方法及系统

技术领域

本发明涉及空间飞行器总体技术领域，具体地，涉及一种卫星姿态稳定度和指向精度评估方法及系统，尤其涉及一种基于恒星感光的卫星姿态稳定度和指向精度评估方法。

背景技术

姿态稳定度和指向精度是卫星平台的重要指标，直接关系到卫星在轨任务的成败。近年来，随着我国遥感卫星的不断发展，用户对卫星的定量化应用要求也越来越高。作为卫星平台的核心指标，卫星姿态稳定度的要求也越来越高。

常规的卫星姿态稳定度评估方法是采用星敏感器和陀螺。但随着卫星姿态稳定度和指向精度的要求不断提高，传统的陀螺和星敏感器渐渐不能满足甚高精度姿态稳定度的评估需求。因此，有必要研究新的评估方法，以第三方视角对姿态稳定度和指向精度指标进行精确评估。

专利文献《基于四频差动激光陀螺/星敏感器的卫星定姿算法》，提出了四频差动激光陀螺与星敏感器的联合定姿方案，以须解决卫星高频抖动的测量与处理问题。但该方法对星敏感器和陀螺的性能要求较高，与本专利涉及的基于恒星观测的评估方法不一致。

专利文献《TDI CCD相机的卫星姿态稳定度确定》中，讨论了卫星平台振动与TDICCD成像质量的相关性，推导了卫星平台姿态稳定度和像移的关系公式。但文章并未涉及到具体的评估方法。

专利文献《基于恒星观测的静止轨道成像仪指向偏差在轨修正》中，提出了基于恒星观测的方法准确获取遥感仪器与观测目标间的相对位置和指向信息。该文章重点介绍了恒星数据的应用方法，并未涉及到指向精度的评估方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种卫星姿态稳定度和指向精度评估方法及系统。

根据本发明提供的一种卫星姿态稳定度和指向精度评估方法，包括：

步骤S1：根据在轨观测的恒星预报参数提出控制信息，获取在轨观测的恒星预报参数提出结果信息；

步骤S2：根据在轨观测的恒星预报参数提出结果信息，获取机动角最优恒星捕获信息；

步骤S3：根据机动角最优恒星捕获信息，设置卫星在轨的工作模式，采用惯性定向的姿态控制方式进行恒星观测，获取恒星观测信息；

步骤S4：根据恒星观测信息，获取在探测器上轨迹评估卫星平台指向精度信息；

步骤S5：根据恒星观测信息，获取在探测器上轨迹评估卫星平台姿态稳定度信息。

优选地，所述步骤S1包括：

步骤S1.1：根据卫星的轨道信息以及星敏感器、相机的工作特性信息，搜索适用于卫星观测的恒星，预测恒星观测的时机，获取恒星位置信息，为高精度卫星稳定度和指向精度的评估提供支撑。

优选地，所述步骤S2包括：

步骤S2.1：采用相机视场拼接方法，拓宽相机的成像视场。

优选地，所述步骤S4包括：

步骤S4.1：采用以下计算表达式评估卫星平台的指向精度：

β＝τ(α-α₀)

上式中，τ为星载相机的像元角分辨率；α为恒星的实际像元坐标值；α₀为恒星的理论像元坐标值；β为评估的指向精度。

优选地，所述步骤S5包括：

步骤S5.1：采用如下计算表达式评估卫星平台的姿态稳定度：

上式中，τ为星载相机的像元角分辨率；t为统计时间；α为统计时间内恒星影像像元坐标变化值；ω为评估的卫星平台稳定度。

根据本发明提供的一种卫星姿态稳定度和指向精度评估方法，包括：

模块M1：根据在轨观测的恒星预报参数提出控制信息，获取在轨观测的恒星预报参数提出结果信息；

模块M2：根据在轨观测的恒星预报参数提出结果信息，获取机动角最优恒星捕获信息；

模块M3：根据机动角最优恒星捕获信息，设置卫星在轨的工作模式，采用惯性定向的姿态控制方式进行恒星观测，获取恒星观测信息；

模块M4：根据恒星观测信息，获取在探测器上轨迹评估卫星平台指向精度信息；

模块M5：根据恒星观测信息，获取在探测器上轨迹评估卫星平台姿态稳定度信息。

优选地，所述模块M1包括：

模块M1.1：根据卫星的轨道信息以及星敏感器、相机的工作特性信息，搜索适用于卫星观测的恒星，预测恒星观测的时机，获取恒星位置信息，为高精度卫星稳定度和指向精度的评估提供支撑。

优选地，所述模块M2包括：

模块M2.1：采用相机视场拼接方法，拓宽相机的成像视场。

优选地，所述模块M4包括：

模块M4.1：采用以下计算表达式评估卫星平台的指向精度：

β＝τ(α-α₀)

上式中，τ为星载相机的像元角分辨率；α为恒星的实际像元坐标值；α₀为恒星的理论像元坐标值；β为评估的指向精度。

优选地，所述模块M5包括：

模块M5.1：采用如下计算表达式评估卫星平台的姿态稳定度：

上式中，τ为星载相机的像元角分辨率；t为统计时间；α为统计时间内恒星影像像元坐标变化值；ω为评估的卫星平台稳定度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明以惯性空间中的恒星为基准，通过光学相机对恒星连续成像，监测相机光轴在惯性空间的变化情况，实现高精度的姿态稳定度和指向精度评估；

2、本发明流程构造合理，使用方便，能够克服现有技术的缺陷；

3、本发明提出的卫星姿态稳定度和指向精度评估方法，在轨操作流程简单，精度高，适用于卫星姿态稳定度和指向精度指标的在轨评估。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例中恒星感光示意图。

图2是本发明实施例中卫星姿态稳定度评估示意图。

图3是本发明实施例中卫星指向精度评估示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种基于恒星感光的卫星姿态稳定度和指向精度评估方法，具体的步骤如下所示：

步骤S1：提出便于在轨观测的恒星预报方法；

步骤S2：提出机动角最优的恒星捕获方法；

步骤S3：设置卫星在轨的工作模式，采用惯性定向的姿态控制方式进行恒星观测；

步骤S4：通过分析恒星影像在探测器上的轨迹评估卫星平台的指向精度；

步骤S5：通过分析恒星影像在探测器上的轨迹评估卫星平台的姿态稳定度。

具体地，在一个实施例中，一种卫星姿态稳定度和指向精度评估方法及系统，包括：

步骤S1：便于在轨观测的恒星预报方法；

根据卫星的轨道信息以及星敏感器、相机的工作特性，搜索适用于卫星观测的恒星，预测恒星观测的时机，提供准确的恒星位置和星等信息，为高精度卫星稳定度和指向精度的评估提供支撑。

计算恒星观测的有效弧段，需保证星敏感器和光学相机可以同时工作，视场指向星空，不受地气光、月亮和太阳的影响。具体要求如下：

1.在轨运行期间，要求星敏感器的中心视线与星-地连线矢量夹角大于星敏感器的地球保护角；光学相机的中心视线与星-地连线矢量夹角大于光学相机的地球保护角。

2.在轨运行期间，要求星敏感器的中心视线与星-日连线矢量夹角大于星敏感器的太阳保护角；光学相机的中心视线与星-日连线矢量夹角大于光学相机的太阳保护角。

3.在轨运行期间，要求星敏感器的中心视线与星-月连线矢量夹角大于星敏感器的月球保护角；光学相机的中心视线与星-月连线矢量夹角大于光学相机的月球保护角。

计算光学相机光轴矢量在惯性空间中的投影计算公式如下：

R_i＝A_{i_o}·A_{o_b}·A_{b_c}·r；

上式中，r为相机光轴矢量在相机坐标系下的投影；A_{b_c}相机坐标系相对卫星本体坐标系的转换矩阵；A_{o_b}为卫星本体相对轨道性坐标系的转换矩阵，由卫星的姿态信息计算得出；A_{i_o}为卫星轨道坐标系相对惯性坐标系的转换矩阵，由卫星轨道信息计算得出，展开表达式为：

上式中，a为轨道半长轴；i为轨道倾角；Ω为升交点赤经；u为升交点幅角。

三恒星预报信息获取如下：

根据恒星矢量与相机光轴矢量的夹角关系筛除机动角度大的恒星；再根据恒星的星等信息选择亮度大的恒星作为目标恒星，记录恒星的赤经、赤纬和星等信息。

S2、恒星捕获方法

在轨时，星载相机受到发射力学振动等因素的影响，实际安装矩阵存在一定的误差。因此，按照理论计算结果，相机光轴矢量与目标恒星矢量存在一定的夹角，相机的实际视场较小，很容易造成恒星捕获失败。因此，提出了相机拼接成像的方式，通过对空间中的多个区域进行拼接成像，组合成一幅大图。

相机拼接成像的帧数与相机的视场相关。对于大视场面阵相机，如视场角超过2°的，可选择单帧成像方式；对于中等视场面阵相机，如视场角超过1°的，可选择四帧视场拼接成像方式；对于小视场相机，如视场角小于1°的，可选择九帧、十六帧或更多帧的视场拼接成像方式。

S3、采用惯性定向的姿态控制方式进行恒星观测

在试验前，卫星通过姿态机动，使星载相机的光轴指向目标恒星。考虑到卫星在轨期间存在轨道角速度运动，为了确保星载相机可连续对目标恒星进行成像，需消除轨道角速度的影响。因此，卫星应选择惯性定向的模式，将惯性坐标系作为姿态控制系统的参考基准。当星载相机的光轴指向目标恒星时，确保卫星的姿态基准在惯性空间内保持不变。

S4、评估卫星平台的指向精度

进行图像处理，获取所有图像中的恒星影像像元坐标，统计恒星影像实际像元坐标与理论像元坐标。最后，结合星载相机的像元角分辨率，计算统计时间内卫星平台的指向精度指标。具体表达式如下：

β＝τ(α-α₀)

上式中，τ为星载相机的像元角分辨率；α为恒星的实际像元坐标值；α₀为恒星的理论像元坐标值；β为评估的指向精度。

S5、评估卫星平台的姿态稳定度

进行图像处理，获取所有图像中的恒星影像像元坐标，得到恒星影像像元坐标随时间变化的曲线。然后，统计时间t内(例如1秒内)恒星影像像元坐标变化值α。最后，结合星载相机的像元角分辨率，计算统计时间内卫星平台的稳定度指标。具体表达式如下：

上式中，τ为星载相机的像元角分辨率；t为统计时间；α为统计时间内恒星影像像元坐标变化值；ω为评估的卫星平台稳定度。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种卫星姿态稳定度和指向精度评估方法，其特征在于，包括：

步骤S1：根据在轨观测的恒星预报参数提出控制信息，获取在轨观测的恒星预报参数提出结果信息；

步骤S2：根据在轨观测的恒星预报参数提出结果信息，获取机动角最优恒星捕获信息；

步骤S3：根据机动角最优恒星捕获信息，设置卫星在轨的工作模式，采用惯性定向的姿态控制方式进行恒星观测，获取恒星观测信息；

步骤S4：根据恒星观测信息，获取在探测器上轨迹评估卫星平台指向精度信息；

步骤S5：根据恒星观测信息，获取在探测器上轨迹评估卫星平台姿态稳定度信息。

2.根据权利要求1所述的卫星姿态稳定度和指向精度评估方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

步骤S1.1：根据卫星的轨道信息以及星敏感器、相机的工作特性信息，搜索适用于卫星观测的恒星，预测恒星观测的时机，获取恒星位置信息。

3.根据权利要求1所述的卫星姿态稳定度和指向精度评估方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

步骤S2.1：采用相机视场拼接方法，拓宽相机的成像视场。

4.根据权利要求1所述的卫星姿态稳定度和指向精度评估方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

步骤S4.1：采用以下计算表达式评估卫星平台的指向精度：

β＝τ(α-α₀)

上式中，τ为星载相机的像元角分辨率；α为恒星的实际像元坐标值；α₀为恒星的理论像元坐标值；β为评估的指向精度。

5.根据权利要求1所述的卫星姿态稳定度和指向精度评估方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

步骤S5.1：采用如下计算表达式评估卫星平台的姿态稳定度：

上式中，τ为星载相机的像元角分辨率；t为统计时间；α为统计时间内恒星影像像元坐标变化值；ω为评估的卫星平台稳定度。

6.一种卫星姿态稳定度和指向精度评估方法，其特征在于，包括：

模块M1：根据在轨观测的恒星预报参数提出控制信息，获取在轨观测的恒星预报参数提出结果信息；

模块M2：根据在轨观测的恒星预报参数提出结果信息，获取机动角最优恒星捕获信息；

模块M3：根据机动角最优恒星捕获信息，设置卫星在轨的工作模式，采用惯性定向的姿态控制方式进行恒星观测，获取恒星观测信息；

模块M4：根据恒星观测信息，获取在探测器上轨迹评估卫星平台指向精度信息；

模块M5：根据恒星观测信息，获取在探测器上轨迹评估卫星平台姿态稳定度信息。

7.根据权利要求6所述的卫星姿态稳定度和指向精度评估方法，其特征在于，所述模块M1包括：

模块M1.1：根据卫星的轨道信息以及星敏感器、相机的工作特性信息，搜索适用于卫星观测的恒星，预测恒星观测的时机，获取恒星位置信息。

8.根据权利要求6所述的卫星姿态稳定度和指向精度评估方法，其特征在于，所述模块M2包括：

模块M2.1：采用相机视场拼接方法，拓宽相机的成像视场。

9.根据权利要求6所述的卫星姿态稳定度和指向精度评估方法，其特征在于，所述模块M4包括：

模块M4.1：采用以下计算表达式评估卫星平台的指向精度：

β＝τ(α-α₀)

上式中，τ为星载相机的像元角分辨率；α为恒星的实际像元坐标值；α₀为恒星的理论像元坐标值；β为评估的指向精度。

10.根据权利要求6所述的卫星姿态稳定度和指向精度评估方法，其特征在于，所述模块M5包括：

模块M5.1：采用如下计算表达式评估卫星平台的姿态稳定度：

上式中，τ为星载相机的像元角分辨率；t为统计时间；α为统计时间内恒星影像像元坐标变化值；ω为评估的卫星平台稳定度。

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