CN113091732B

CN113091732B - 用于卫星性能指标在轨评估的恒星捕获方法及系统

Info

Publication number: CN113091732B
Application number: CN202110271622.8A
Authority: CN
Inventors: 周徐斌; 王田野; 吕旺; 林两魁; 张小柯; 陈晓; 沈斌
Original assignee: Shanghai Institute of Satellite Engineering
Current assignee: Shanghai Institute of Satellite Engineering
Priority date: 2021-03-12
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2022-11-11
Anticipated expiration: 2041-03-12
Also published as: CN113091732A

Abstract

本发明提供了一种用于卫星性能指标在轨评估的恒星捕获方法及系统，包括：S1、计算相机光轴矢量在惯性坐标系下的投影；S2、计算恒星捕获时卫星的机动轴和机动角度，获取理论卫星姿态；S3、设计相机视场拼接方法，拓宽相机的观测视场，确保恒星捕获成功；S4、通过卫星姿态控制系统进行连续机动，完成恒星捕获。本发明提出的恒星捕获方法，可确保卫星在轨期间成功观测到恒星，为高精度卫星稳定度和指向精度的评估提供支撑。

Description

用于卫星性能指标在轨评估的恒星捕获方法及系统

技术领域

本发明涉及空间飞行器领域，具体地，涉及一种用于卫星性能指标在轨评估的恒星捕获方法及系统。

背景技术

姿态稳定度和指向精度为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，卫星姿态稳定度和指向精度的要求也越来越高。

常规的卫星姿态稳定度和指向精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和指向精度的评估需求。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。

为此，提出了一种基于光学相机恒星观测的评估方法。为了解决恒星观测的问题，本专利涉及了一种恒星捕获的方法，可确保卫星在轨期间可顺利对目标恒星成像。

经文献检索，郭强、咸迪在公开发表的论文“基于恒星观测的静止轨道成像仪指向偏差在轨修正”(光学学报，第29卷2009年第9期)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，并未涉及到具体的恒星捕获方法。

许春在公开发表的论文“一种利用恒星进行遥感卫星辐射定标的方法”(红外与毫米波学报，第36卷2017年第5期)中，提出了一种恒星观测的方法，提高卫星的辐射定标精度。该文章重点介绍了恒星辐射定标数据的应用方法，并未涉及到具体的恒星捕获方法。

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用于卫星性能指标在轨评估的恒星捕获方法及系统。

根据本发明提供的一种用于卫星性能指标在轨评估的恒星捕获方法，包括如下步骤：

投影计算步骤：计算相机光轴矢量在惯性坐标系下的投影；

理论卫星姿态获取步骤：计算恒星捕获时卫星的机动轴和机动角度，获取理论卫星姿态；

相机现场拼接方法设计步骤：设计相机视场拼接方法，拓宽相机的观测视场；

捕获步骤：通过卫星姿态控制系统进行连续机动，完成恒星捕获。

优选地，所述相机光轴矢量包括初始时刻的相机光轴矢量和恒星捕获时的相机光轴矢量；

恒星捕获姿态下相机光轴矢量与恒星矢量平行，恒星捕获时的相机光轴矢量r_{c2_i}根据目标恒星的赤经、赤纬信息计算；

初始时刻相机光轴矢量在惯性坐标系下的投影r_{c1_i}的计算表达式为：

r_{c1_i}＝A_{1b_i}·r_{c_b}；

式中，r_{c_b}为相机光轴矢量在卫星本体坐标系下的分量；A_{1b_i}为初始时刻卫星本体坐标系相对惯性坐标系的转换矩阵。

优选地，卫星的机动轴分别与相机光轴矢量r_{c1_i}和r_{c2_i}垂直，卫星机动轴在惯性坐标系下的分量δ_i为：

卫星机动轴在初始时刻卫星本体坐标系下的分量δ_1b为：

δ_1b＝(A_{1b_i})^-1·δ_i

式中：δ_i为卫星机动轴在惯性坐标系下的分量；A_{1b_i}为初始时刻卫星本体坐标系相对惯性坐标系的转换矩阵；

此时，卫星的机动角度α为：

根据机动角度α和卫星机动轴δ_1b，计算恒星捕获的理论卫星姿态。

优选地，相机视场拼接方法，根据相机的视场大小设计拼接成像方法。

优选地，所述的相机视场拼接方法基于相机的实际视场角选择，相机视场拼接方法包括：单帧成像方式、四帧视场拼接成像方式或者九帧、十六帧视场拼接成像方式。

本发明提供了一种用于卫星性能指标在轨评估的恒星捕获系统，包括如下模块：

投影计算模块：计算相机光轴矢量在惯性坐标系下的投影；

理论卫星姿态获取模块：计算恒星捕获时卫星的机动轴和机动角度，获取理论卫星姿态；

相机现场拼接方法设计模块：设计相机视场拼接方法，拓宽相机的观测视场；

捕获模块：通过卫星姿态控制系统进行连续机动，完成恒星捕获。

r_{c1_i}＝A_{1b_i}·r_{c_b}；

卫星机动轴在初始时刻卫星本体坐标系下的分量δ_1b为：

δ_1b＝(A_{1b_i})^-1·δ_i

此时，卫星的机动角度α为：

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过用于卫星性能指标在轨评估的恒星捕获方法，可确保卫星在轨期间捕获到便于观测的目标恒星。

2、本发明通过用于卫星性能指标在轨评估的恒星捕获方法，实现对高精度卫星稳定度和指向精度的评估，为高精度卫星稳定度和指向精度的评估提供支撑。

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是恒星捕获方法示意图。

图2是相机拼接成像方案示意图。

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。

如图1和图2所示，根据本发明提供的一种用于卫星性能指标在轨评估的恒星捕获方法及系统，包括如下步骤：

步骤S1、计算相机光轴矢量在惯性坐标系下的投影；

步骤S2、计算恒星捕获时卫星的机动轴和机动角度，获取理论卫星姿态；

步骤S3、设计相机视场拼接方法，拓宽相机的观测视场，确保恒星捕获成功；

步骤S4、通过卫星姿态控制系统进行连续机动，完成恒星捕获。

具体的，步骤S1中，计算相机光轴矢量在惯性坐标系下的投影

恒星捕获的理论卫星姿态需满足两个条件：第一，保证相机的理论光轴指向目标恒星；第二，确保机动过程的转角最小。本发明采用的具体实施方法如下。

首先，为了满足第一个要求，恒星捕获姿态下相机光轴矢量与恒星矢量平行。相机光轴矢量在惯性坐标系的分量为r_{c2_i}，r_{c2_i}可根据目标恒星的赤经、赤纬信息计算。

接下来，计算初始时刻相机光轴矢量在惯性坐标系的分量r_{c1_i}，r_{c1_i}的计算表达式可写为：

r_{c1_i}＝A_{1b_i}·r_{c_b}

上式中，r_{c_b}为相机光轴矢量在卫星本体坐标系下的分量，可根据卫星的实际布局数据进行计算；A_{1b_i}为初始时刻卫星本体坐标系相对惯性坐标系的转换矩阵，可根据卫星的星敏感器获取。

步骤2：计算恒星捕获时卫星的机动轴和机动角度

为了满足机动角最小的要求，则要求卫星的机动轴本别与矢量r_{c1_i}和r_{c2_i}垂直，则卫星机动轴在惯性坐标系下的分量δ_i可写为：

同样的，卫星机动轴在初始时刻卫星本体坐标系下的分量δ_1b可写为：

δ_1b＝(A_{1b_i})^-1·δ_i

上式中，δ_i为卫星机动轴在惯性坐标系下的分量；A_{1b_i}为初始时刻卫星本体坐标系相对惯性坐标系的转换矩阵。

此时，卫星的机动角度α可写为：

根据机动角度α和卫星机动轴δ_1b，即可计算出恒星捕获的理论卫星姿态。

步骤3：设计相机视场拼接方法

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，如附图2所示。

实际上，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。

步骤4：恒星捕获

根据步骤1和步骤2获取了恒星捕获的目标姿态后，卫星通过姿态控制系统进行联系机动，卫星到达目标姿态后，相机进行成像，实现恒星捕获。

本发明还提供了一种用于卫星性能指标在轨评估的恒星捕获系统，包括如下模块：

投影计算模块：计算相机光轴矢量在惯性坐标系下的投影；

所述相机光轴矢量包括初始时刻的相机光轴矢量和恒星捕获时的相机光轴矢量；

r_{c1_i}＝A_{1b_i}·r_{c_b}；

卫星的机动轴分别与相机光轴矢量r_{c1_i}和r_{c2_i}垂直，卫星机动轴在惯性坐标系下的分量δ_i为：

卫星机动轴在初始时刻卫星本体坐标系下的分量δ_1b为：

δ_1b＝(A_{1b_i})^-1·δ_i

此时，卫星的机动角度α为：

相机视场拼接方法，根据相机的视场大小设计拼接成像方法。

所述的相机视场拼接方法基于相机的实际视场角选择，相机视场拼接方法包括：单帧成像方式、四帧视场拼接成像方式或者九帧、十六帧视场拼接成像方式。

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

1.一种用于卫星性能指标在轨评估的恒星捕获方法，其特征在于，包括如下步骤：

投影计算步骤：计算相机光轴矢量在惯性坐标系下的投影；

捕获步骤：通过卫星姿态控制系统进行连续机动，完成恒星捕获；

卫星机动轴在初始时刻卫星本体坐标系下的分量δ_1b为：

δ_1b＝(A_{1b_i})^-1·δ_i

此时，卫星的机动角度α为：

根据机动角度α和卫星机动轴δ_1b，计算恒星捕获的理论卫星姿态；所述相机光轴矢量包括初始时刻的相机光轴矢量和恒星捕获时的相机光轴矢量；

r_{c1_i}＝A_{1b_i}·r_{c_b}；

式中，r_{c_b}为相机光轴矢量在卫星本体坐标系下的分量。

2.根据权利要求1所述的用于卫星性能指标在轨评估的恒星捕获方法，其特征在于，相机视场拼接方法，根据相机的视场大小设计拼接成像方法。

3.根据权利要求1所述的用于卫星性能指标在轨评估的恒星捕获方法，其特征在于，所述的相机视场拼接方法基于相机的实际视场角选择，相机视场拼接方法包括：单帧成像方式、四帧视场拼接成像方式或者九帧、十六帧视场拼接成像方式。

4.一种用于卫星性能指标在轨评估的恒星捕获系统，其特征在于，包括如下模块：

投影计算模块：计算相机光轴矢量在惯性坐标系下的投影；

捕获模块：通过卫星姿态控制系统进行连续机动，完成恒星捕获；

卫星机动轴在初始时刻卫星本体坐标系下的分量δ_1b为：

δ_1b＝(A_{1b_i})^-1·δ_i

此时，卫星的机动角度α为：

根据机动角度α和卫星机动轴δ_1b，计算恒星捕获的理论卫星姿态；

r_{c1_i}＝A_{1b_i}·r_{c_b}；

式中，r_{c_b}为相机光轴矢量在卫星本体坐标系下的分量。

5.根据权利要求4所述的用于卫星性能指标在轨评估的恒星捕获系统，其特征在于，相机视场拼接方法，根据相机的视场大小设计拼接成像方法。

6.根据权利要求4所述的用于卫星性能指标在轨评估的恒星捕获系统，其特征在于，所述的相机视场拼接方法基于相机的实际视场角选择，相机视场拼接方法包括：单帧成像方式、四帧视场拼接成像方式或者九帧、十六帧视场拼接成像方式。