CN113358024A - 一种卫星仪器相对精测数据处理方法及系统 - Google Patents
一种卫星仪器相对精测数据处理方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种卫星仪器相对精测数据处理方法及系统，得到仪器A的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量A1、A2；得到仪器B的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量B1、B2；根据法线矢量A1、A2得到仪器A棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵；根据法线矢量B1、B2得到仪器B棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵；根据仪器A棱镜坐标系和仪器B棱镜坐标系分别到整星基准坐标系中的转换矩阵得到仪器A棱镜坐标系到仪器B棱镜坐标系的转换矩阵。本发明简化了后续数据处理的计算，有利于提高卫星仪器相对精测精度，提高了满足星上仪器相对安装精度的较高要求的可能性。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星仪器测试技术的技术领域，具体地，涉及一种卫星仪器相对精测数据处理方法及系统。
背景技术
随着航天器遥感技术的发展，高精度遥感卫星的观测性能逐步提高，搭载的载荷也呈现多样化，航天光学有效载荷、星敏感器、高精度天线等仪器在航天器上往往有较高的空间相对指向精度要求，相对指向数据的精度是载荷应用处理的重要基础，直接影响航天器任务的执行效果。
航天器总装的精度测量一般通过被测设备上安装的立方镜来实现，立方镜为标准的立方体结构，通过对立方镜相邻平面的测量可以得到两个相互垂直平面的矢量，再利用矢量叉乘计算获得与这两个平面都垂直的另一平面的矢量。
测量过程中，受测量系统测量误差、精度测量棱镜制造误差、计算过程截断误差等因素影响，精测数据矩阵中普遍存在测量向量不正交、模不为一等问题。以上误差在后续处理与转换中不断传递放大，严重影响精测精度，甚至出现精测角度余弦值大于1的情况，导致结果失效。
尤其是当转换关系复杂，星上仪器相对安装精度要求高的情况下，误差对精测结果影响的问题尤其凸显。
针对以上问题，目前已有一些针对卫星仪器相对精测数据处理方法的研究。高洪涛等在《一种航天器安装精测数据修正与处理方法研究》(《宇航技测技术》2016年10月第36卷第5期)中指出，针对精测矩阵列向量模不唯一的问题，常规解决方法是对原向量直接进行单位化处理，该方法本质上是对角度的余弦值进行等比缩放，由于余弦函数为非线性函数，缩放处理后对向量三个方向角产生的角度修正量是不均匀的，初始角度越小产生的修正量越大，某些情况下由此产生的角度修正量可超过一个角分，足以将原始数据的精度湮灭，从而引入很大的处理误差。因此，高洪涛等提出一种对各方向角进行均匀修正的新处理算法，考虑到误差可能源于向量三个坐标分量中的任一个分量，通过任两个向量计算第三个分量，构建得到三个新矢量，形成新的测量矩阵，实现正交矩阵的单位化处理。
公开号为CN105890517A的中国发明专利公开了一种基于复杂异形精测镜的精度测量方法，该方法通过设置复杂的精测镜面将密闭舱内部设备的精测光路引出，从而实现密闭舱体内高精度设备在整器合舱状态下的精度测量。该方法可以使高精度设备的精测状态与飞行状态趋于一致，消除了传统密闭航天器在开舱门或分舱段拉高状态下测量舱内设备带来的精度误差，保证了精测数据的有效性。该方法通过计算将测量坐标系转化为一种正交坐标系，实现转换矩阵的正交化。
然而，测量精测棱镜通常只有2个测量面可测，在实际精测过程中，一般通过测量精测棱镜的2个测量面获取测量面法向，通过计算得到第3个方向向量，形成测量矩阵。
针对上述中的现有技术，发明人认为通过转换后，转换矩阵的三个方向相对测量均发生了变化，或者经计算处理后，获取的转换矩阵不是正交规范阵，导致在后续矩阵计算处理过程中，需要进行复杂的矩阵计算，存在矩阵求逆等引入计算截断误差的问题，这种问题在遇到转换关系复杂的情况时显得尤为突出，卫星仪器相对精测精度较低，满足星上仪器相对安装精度的较高要求的可能性较低。
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仪器相对精测数据处理方法及系统。
根据本发明提供的一种卫星仪器相对精测数据处理方法，包括以下步骤：
步骤1：建立整星基准坐标系，包括处于装星状态的仪器A和处于装星状态的仪器B，仪器A和仪器B上均设置有棱镜；
得到仪器A的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量A1、A2；
得到仪器B的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量B1、B2；
步骤2：建立仪器A棱镜坐标系和仪器B棱镜坐标系；
根据法线矢量A1、A2得到仪器A棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵；
根据法线矢量B1、B2得到仪器B棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵；
步骤3：根据仪器A棱镜坐标系和仪器B棱镜坐标系分别到整星基准坐标系中的转换矩阵得到仪器A棱镜坐标系到仪器B棱镜坐标系的转换矩阵。
优选的，通过测量仪器A的棱镜上的两个反射面的外法线方向相对整星基准坐标系的夹角直接计算得到仪器A的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量A1、A2，通过测量仪器B的棱镜上的两个反射面的外法线方向相对整星基准坐标系的夹角直接计算得到仪器B的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量B1、B2。
优选的，根据法线矢量A1、A2进行正交规范化计算得到仪器A棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵，根据法线矢量B1、B2进行正交规范化计算得到仪器B棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵。
优选的，所述仪器A比如是高精度仪器A，仪器B比如是高精度仪器B。
优选的，所述棱镜比如是正六面体精测棱镜。
根据本发明提供的一种卫星仪器相对精测数据处理系统，包括以下模块：
模块M1：建立整星基准坐标系，包括处于装星状态的仪器A和处于装星状态的仪器B，仪器A和仪器B上均设置有棱镜；
得到仪器A的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量A1、A2；
得到仪器B的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量B1、B2；
模块M2：建立仪器A棱镜坐标系和仪器B棱镜坐标系；
根据法线矢量A1、A2得到仪器A棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵；
根据法线矢量B1、B2得到仪器B棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵；
模块M3：根据仪器A棱镜坐标系和仪器B棱镜坐标系分别到整星基准坐标系中的转换矩阵得到仪器A棱镜坐标系到仪器B棱镜坐标系的转换矩阵。
优选的，通过测量仪器A的棱镜上的两个反射面的外法线方向相对整星基准坐标系的夹角直接计算得到仪器A的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量A1、A2，通过测量仪器B的棱镜上的两个反射面的外法线方向相对整星基准坐标系的夹角直接计算得到仪器B的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量B1、B2。
优选的，根据法线矢量A1、A2进行正交规范化计算得到仪器A棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵，根据法线矢量B1、B2进行正交规范化计算得到仪器B棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵。
优选的，所述仪器A比如是高精度仪器A，仪器B比如是高精度仪器B。
优选的，所述棱镜比如是正六面体精测棱镜。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明首先对原始精度测量数据进行后续处理，消除通过精度测量获得的原始精度数据矩阵不正交的缺陷，简化后续计算，降低因后续数据处理导致的计算误差在后续数据复合过程中的不断传递，确保处理后数据的精度，达到提高测量精度的目的，有利于提高卫星仪器相对精测精度，且有利于提高满足星上仪器相对安装精度的较高要求的可能性；
2、本发明采用了对原始精测向量数据进行规范化修正，直接构建转换矩阵，避免了对原始精测数据进行规范正交化后相对原始精测数据的偏离，从而避免在后续数据处理与分析过程中产生算法系统误差；
3、本发明将精测数据矩阵进行正交矩阵规范化，能够简化数据后续处理，减少矩阵求逆等复杂运算引入的计算截断误差，提高仪器相对精度计算结果的精度。
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为本发明所提供的卫星仪器相对测量数据方法示意图；
图2是星敏相对相机精度测量状态示意图。
附图说明：1、相机；2、星敏；3、相机棱镜；4、星敏棱镜。
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。
本发明实施例公开了一种卫星仪器相对精测数据处理方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：建立整星基准坐标系，包括处于装星状态的仪器A(比如是高精度仪器A)和处于装星状态的仪器B(比如是高精度仪器B)，仪器A和仪器B上均设置有棱镜(比如是正六面体精测棱镜)。通过测量仪器A的棱镜上的两个反射面的外法线方向相对整星基准坐标系的夹角直接计算得到仪器A的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量A1、A2，通过测量仪器B的棱镜上的两个反射面的外法线方向相对整星基准坐标系的夹角直接计算得到仪器B的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量B1、B2。仪器A和仪器B比如是航天光学有效载荷、星敏感器和高精度天线。
法线矢量A1与整星基准坐标系的夹角为<cos(A1x)，cos(A1y)，cos(A1z)>，其中A1x、A1y、A1z分别为法线矢量A1与整星基准坐标系x、y、z轴的夹角。
法线矢量A2与整星基准坐标系的夹角为<cos(A2x)，cos(A2y)，cos(A2z)>，其中A2x、A2y、A2z分别为法线矢量A2与整星基准坐标系x、y、z轴的夹角。
法线矢量A1、A2在整星基准坐标系中的向量表示如下：
A1＝<cos(A1x)，cos(A1y)，cos(A1z)>；
A2＝<cos(A2x)，cos(A2y)，cos(A2z)>。
对A1、A2进行归一化处理，得到
其中a1、a2为法线矢量A1、A2的单位方向向量。
法线矢量B1与整星基准坐标系的夹角为<cos(B1x)，cos(B1y)，cos(B1z)>，其中B1x、B1y、B1z分别为法线矢量B1与整星基准坐标系x、y、z轴的夹角。
法线矢量B2与整星基准坐标系的夹角为<cos(B2x)，cos(B2y)，cos(B2z)>，其中B2x、B2y、B2z分别为法线矢量B2与整星基准坐标系x、y、z轴的夹角。
法线矢量B1、B2在整星基准坐标系中的向量表示如下：
B1＝<cos(B1x)，cos(B1y)，cos(B1z)>；
B2＝<cos(B2x)，cos(B2y)，cos(B2z)>。
对B1、B2进行归一化处理，得到
其中b1、b2为法线矢量B1、B2的单位方向向量。
步骤2：建立仪器A棱镜坐标系和仪器B棱镜坐标系；根据法线矢量A1、A2进行正交规范化计算得到仪器A棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵，根据法线矢量B1、B2进行正交规范化计算得到仪器B棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵。
仪器A棱镜坐标系到整星基准坐标系的转换矩阵为：
Ta是仪器A棱镜坐标系到整星基准坐标系的转换矩阵且为规范正交矩阵。
仪器B棱镜坐标系到整星基准坐标系的转换矩阵为：
Tb是仪器B棱镜坐标系到整星基准坐标系的转换矩阵且为规范正交矩阵。
步骤3：根据仪器A棱镜坐标系和仪器B棱镜坐标系分别到整星基准坐标系中的转换矩阵计算得到仪器A棱镜坐标系到仪器B棱镜坐标系的转换矩阵。
仪器A棱镜坐标系到仪器B棱镜坐标系的转换矩阵为：
Tab＝Tb·Ta-1＝Tb·TaT；
Tab是仪器A棱镜坐标系到仪器B棱镜坐标系的转换矩阵。
因Ta、Tb为规范正交矩阵，所以Tab＝Ta·TbT。
卫星上有相机1和星敏2，具体以卫星(卫星比如是高精度光学遥感卫星)上的相机1(相机1比如是光学相机)及星敏2的相对精度测量为例，如图2所示。
卫星的相机1有较高指向精度要求，在相机1外侧安装有星敏2，在卫星地面装配与测试阶段需要测量星敏2相对于相机1的精度，因此在相机1、星敏2上各安装有一个精测棱镜，相,1上的精测棱镜为相机棱镜3，星敏2上的精测棱镜为星敏棱镜4，每个精测棱镜均有两个精度测量面，如图2所示。经测量，经测量，星敏棱镜4的两个精度测量面的外法线方向向量A1、A2在整星基准坐标系的向量为
A1＝<cos(115°1′35″)，cos(25°1′35″)，cos(90°0′41″)>；
A2＝<cos(89°59′17″)，cos(89°58′55″)，cos(0°1′18″)>。
法线矢量A1、A2在整星基准坐标系中的向量表示如下：
A1＝<-0.423035638 0.906113044 -0.000198774>；
A2＝<0.00020847 0.000315129 0.999999929>。
对A1、A2进行归一化处理，得到
星敏棱镜坐标系到整星基准坐标系的转换矩阵为：
相机棱镜3的两个精度测量面的外法线方向向量B1、B2在整星基准坐标系的向量为B1＝<cos(0°4′40″)，cos(89°55′21″)，cos(89°59′47″)>；
B2＝<cos(90°4′39″)，cos(0°4′41″)，cos(90°0′33″)>。
法线矢量B1、B2在整星基准坐标系中的向量表示如下：
B1＝<0.9999990832 0.0013526298 0.0000630258>；
B2＝<-0.00135263 0.999999072-0.000159989>。
对B1、B2进行归一化处理，得到
相机棱镜坐标系到整星基准坐标系的转换矩阵为：
相机棱镜坐标系到星敏棱镜坐标系的转换矩阵为：
根据本发明提供的一种卫星仪器相对精测数据处理系统，如图1所示，包括以下模块：
模块M1：包括处于装星状态的仪器A(比如是高精度仪器A)和处于装星状态的仪器B(比如是高精度仪器B)，仪器A和仪器B上均设置有棱镜(比如是正六面体精测棱镜)，建立整星基准坐标系。通过测量仪器A的棱镜上的两个反射面的外法线方向相对整星基准坐标系的夹角直接计算得到仪器A的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量A1、A2，通过测量仪器B的棱镜上的两个反射面的外法线方向相对整星基准坐标系的夹角直接计算得到仪器B的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量B1、B2。
模块M2：建立仪器A棱镜坐标系和仪器B棱镜坐标系；根据法线矢量A1、A2进行正交规范化计算得到仪器A棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵，根据法线矢量B1、B2进行正交规范化计算得到仪器B棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵。
模块M3：根据仪器A棱镜坐标系和仪器B棱镜坐标系分别到整星基准坐标系中的转换矩阵计算得到仪器A棱镜坐标系到仪器B棱镜坐标系的转换矩阵。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
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)
1.一种卫星仪器相对精测数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立整星基准坐标系，包括处于装星状态的仪器A和处于装星状态的仪器B，仪器A和仪器B上均设置有棱镜；
得到仪器A的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量A1、A2；
得到仪器B的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量B1、B2；
步骤2：建立仪器A棱镜坐标系和仪器B棱镜坐标系；
根据法线矢量A1、A2得到仪器A棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵；
根据法线矢量B1、B2得到仪器B棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵；
步骤3：根据仪器A棱镜坐标系和仪器B棱镜坐标系分别到整星基准坐标系中的转换矩阵得到仪器A棱镜坐标系到仪器B棱镜坐标系的转换矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种卫星仪器相对精测数据处理方法，其特征在于：通过测量仪器A的棱镜上的两个反射面的外法线方向相对整星基准坐标系的夹角直接计算得到仪器A的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量A1、A2，通过测量仪器B的棱镜上的两个反射面的外法线方向相对整星基准坐标系的夹角直接计算得到仪器B的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量B1、B2。
3.根据权利要求1或2所述的一种卫星仪器相对精测数据处理方法，其特征在于：根据法线矢量A1、A2进行正交规范化计算得到仪器A棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵，根据法线矢量B1、B2进行正交规范化计算得到仪器B棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种卫星仪器相对精测数据处理方法，其特征在于：所述仪器A比如是高精度仪器A，仪器B比如是高精度仪器B。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种卫星仪器相对精测数据处理方法，其特征在于：所述棱镜比如是正六面体精测棱镜。
6.一种卫星仪器相对精测数据处理系统，其特征在于，应用于权利要求1-5所述的一种卫星仪器相对精测数据处理方法，包括以下模块：
模块M1：建立整星基准坐标系，包括处于装星状态的仪器A和处于装星状态的仪器B，仪器A和仪器B上均设置有棱镜；
得到仪器A的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量A1、A2；
得到仪器B的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量B1、B2；
模块M2：建立仪器A棱镜坐标系和仪器B棱镜坐标系；
根据法线矢量A1、A2得到仪器A棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵；
根据法线矢量B1、B2得到仪器B棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵；
模块M3：根据仪器A棱镜坐标系和仪器B棱镜坐标系分别到整星基准坐标系中的转换矩阵得到仪器A棱镜坐标系到仪器B棱镜坐标系的转换矩阵。
7.根据权利要求1所述的一种卫星仪器相对精测数据处理系统，其特征在于：通过测量仪器A的棱镜上的两个反射面的外法线方向相对整星基准坐标系的夹角直接计算得到仪器A的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量A1、A2，通过测量仪器B的棱镜上的两个反射面的外法线方向相对整星基准坐标系的夹角直接计算得到仪器B的棱镜反射面在整星基准坐标系中的法线矢量B1、B2。
8.根据权利要求6或7所述的一种卫星仪器相对精测数据处理系统，其特征在于：根据法线矢量A1、A2进行正交规范化计算得到仪器A棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵，根据法线矢量B1、B2进行正交规范化计算得到仪器B棱镜坐标系到整星基准坐标系中的转换矩阵。
9.根据权利要求6-8任一所述的一种卫星仪器相对精测数据处理系统，其特征在于：所述仪器A比如是高精度仪器A，仪器B比如是高精度仪器B。
10.根据权利要求6-9任一所述的一种卫星仪器相对精测数据处理系统，其特征在于：所述棱镜比如是正六面体精测棱镜。
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113358024B (zh) | 2022-08-12 |
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