CN115861414A - 遥感卫星观测恒星的姿态计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种遥感卫星观测恒星的姿态计算方法及系统，包括以下步骤：步骤S1：建立卫星观测恒星的姿态基准，约束恒星太阳阵朝向太阳，保证卫星平台能源安全；步骤S2：在所述卫星观测恒星的姿态基准上进行恒星搜索，获取目标恒星；步骤S3：计算卫星载荷观测到所述目标恒星的观测平台姿态；步骤S4：星敏感器对地球遮挡分析：确保星敏感器对所述目标恒星的定标，避免地球遮挡星敏感器，获取规避角度；步骤S5：根据所述规避角度对所述观测平台姿态进行优化，输出最优平台姿态。本发明充分考虑了安全性和工程可实现性，要求卫星平台的机动角度小，适用于各类高精度遥感卫星。

Description

遥感卫星观测恒星的姿态计算方法及系统

技术领域

本发明涉及遥感卫星定标与定位技术，具体地，涉及一种遥感卫星观测恒星的姿态计算方法及系统。

背景技术

近年来，随着卫星遥感技术的不断发展，对遥感图像的定标和定位精度需求越来越高。尤其在红外辐射定标领域，传统的红外遥感探测系统主要通过星上物方、像方黑体来实现在轨辐射定标。但随着红外光学遥感探测仪器口径的增加，在光路前放置大口径黑体已很难工程实现。恒星具有空间位置稳定、光谱特性相对稳定的特点，是定量化遥感卫星重要定标源。随着仪器灵敏度的提高，基于恒星的定标方案成为近年来大型光学相机主要辐射定标方案之一。

经文献调研，在论文“星上定标的观测恒星确定方法研究”(中国空间科学技术2017年37卷第3期)中公开了一种基于恒星观测的定标方法，将恒星视为点源目标对其辐照度进行建模，在此基础上提出了泰勒级数展开和改进的遗传算法对恒星的温度进行求解；然后对WISE星表的恒星进行辐照度外推，对不同精度下恒星的光谱分布特征进行了分析总结，确定观测恒星在相机探测波段的辐照度。该文章重点介绍了基于恒星的辐射定标算法，未涉及卫星入轨后如何机动观测恒星。

在论文“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2009年29卷第9期)中公开了一种基于恒星观测的几何定位方法，建立了包含恒星信息的载荷指向偏差在轨修正模型，提出了模型中若干关键参数的选取方法，同时开展数字延迟积分技术、系统点源扩展函数等对指向偏差精度的影响分析。该文章重点介绍了基于恒星的几何定位方法，未涉及卫星入轨后如何机动观测恒星。

专利文献CN105387996A公开了一种多光轴地面恒星观测系统光轴一致性检校方法，提出了一种利用恒星跟踪系统对多光轴系统进行快速高精度的平行性检校方法，利用成像光谱仪狭缝视场，对恒星进行扫描，将接收到能量拟合求中心，以解决光谱维不易确定视场位置的缺点。该专利重点介绍了基于恒星的几何标校方法，未涉及卫星入轨后如何机动观测恒星。

专利文献CN107945229A公开了一种用于静止轨道对地观测卫星面阵仪器的恒星质心提取方法，利用图像序列融合的方法将去除固定模式噪声后的图像序列融合为恒星轨迹图像,并确定出该恒星轨迹图像的恒星轨迹区域。该专利重点介绍观测到恒星后的处理方法，也未涉及卫星入轨后如何机动观测恒星。

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遥感卫星观测恒星的姿态计算方法及系统。本发明提出的遥感卫星观测恒星的姿态计算方法充分考虑了安全性和工程可实现性，要求卫星平台的机动角度小，适用于各类高精度遥感卫星。

根据本发明提供的一种遥感卫星观测恒星的姿态计算方法，包括以下步骤：

步骤S1：建立卫星观测恒星的姿态基准，约束恒星太阳阵朝向太阳，保证卫星平台能源安全；

步骤S2：在所述卫星观测恒星的姿态基准上进行恒星搜索，获取目标恒星；

步骤S3：计算卫星载荷观测到所述目标恒星的观测平台姿态；

步骤S4：星敏感器对地球的遮挡分析：确保星敏感器对所述目标恒星的定标，避免地球遮挡星敏感器，获取规避角度；

步骤S5：根据所述规避角度对所述观测平台姿态进行优化，输出最优平台姿态。

优选地，所述恒星搜索，需约束恒星太阳阵朝向与太阳矢量的夹角小于安全阈值，确保太阳阵在定标过程中始终受照。

优选地，所述恒星搜索的步骤如下：

a)计算卫星指向地心的矢量；

b)搜索满足能源安全的有效恒星：导入恒星数据库，根据满足能源安全的有效恒星判定依据，获取有效恒星；

所述满足能源安全的有效恒星判定依据为：

其中

为能源安全保护角，表征太阳阵帆板朝向与太阳矢量的夹角阈值；θ_{star_cam}为卫星载荷光轴与恒星矢量的夹角。

c)根据卫星指向地心的矢量，剔除被地球遮挡的恒星：对有效恒星进行地球遮挡判定，剔除被地球遮挡的恒星，获取筛选恒星；

所述地球遮挡判定依据为：

上式中，

为地球遮挡角，θ_{earth_cam}为卫星载荷光轴与恒星矢量的夹角；

d)确定目标恒星：对筛选恒星选择与卫星载荷矢量夹角最小的恒星作为观测的目标恒星。

优选地，所述观测平台姿态的计算方法：以目标恒星矢量与卫星载荷初始矢量构成的平面法线为旋转轴，通过双矢量定姿方法确定卫星载荷观测目标恒星的姿态。

优选地，所述双矢量定姿方法的计算步骤如下：

a)确定矢量一为观测目标恒星矢量；

b)确定矢量二为目标恒星与卫星载荷初始光轴构成的平面的法线矢量；

c)双矢量定姿计算：对矢量一和矢量二进行差乘运算，并根据坐标转换原理，得到卫星载荷观测目标恒星的姿态矩阵。

优选地，所述规避角度通过躲避地球遮挡设计方法，判断卫星的星敏感器是否在恒星观测时受到地球遮挡，若被遮挡，则进行规避角度计算，确保卫星在恒星观测时星敏感器能够使用，保证卫星平台安全。

优选地，所述躲避地球遮挡设计方法包括：

a)判断星敏感器是否被地球遮挡：星敏感器被地球遮挡的判据为星敏感器光轴矢量与卫星指向地球的矢量夹角小于地球保护角，表达式为：

上式中，

为星敏感器的地球遮挡保护角；θ_{earth_st}为星敏感器光轴矢量与卫星指向地球的矢量夹角；

b)星敏感器躲避地球遮挡的规避角度计算：若检测到星敏感器被地球遮挡，则进行规避角度计算，使星敏感器的光轴远离地球。

本发明还提供了一种遥感卫星观测恒星的姿态计算系统，包括：

模块M1：建立卫星观测恒星的姿态基准，约束恒星太阳阵朝向太阳，保证卫星平台能源安全；

模块M2：在所述卫星观测恒星的姿态基准上进行恒星搜索，获取目标恒星；

模块M3：计算卫星载荷观测到所述目标恒星的观测平台姿态；

模块M4：星敏感器对地球遮挡分析：确保星敏感器对所述目标恒星的定标，避免地球遮挡星敏感器，获取规避角度；

模块M5：根据所述规避角度对所述观测平台姿态进行优化，输出最优平台姿态。

优选地，所述模块M2的恒星搜索，需约束恒星太阳阵朝向与太阳矢量的夹角小于安全阈值，确保太阳阵在定标过程中始终受照。

优选地，所述模块M3的观测平台姿态的计算方法：以目标恒星矢量与卫星载荷初始矢量构成的平面法线为旋转轴，通过双矢量定姿方法确定卫星载荷观测目标恒星的姿态。所述双矢量定姿方法的计算步骤如下：

a)确定矢量一为观测目标恒星矢量；

b)确定矢量二为目标恒星与卫星载荷初始光轴构成的平面的法线矢量；

c)双矢量定姿计算：对矢量一和矢量二进行差乘运算，并根据坐标转换原理，得到卫星载荷观测目标恒星的姿态矩阵。

优选地，所述模块M4通过躲避地球遮挡设计方法，判断卫星的星敏感器是否在恒星观测时受到地球遮挡，若被遮挡，则进行规避角度计算，确保卫星在恒星观测时星敏感器能够使用，保证卫星平台安全。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明重点阐述了卫星入轨后如何获取目标恒星，并输入卫星观测恒星的姿态。

2、本发明充分考虑了安全性和工程可实现性，要求卫星平台的机动角度小，适用于各类高精度遥感卫星。

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为本发明遥感卫星观测恒星的姿态计算方法流程图；

图2为卫星观测恒星的空间几何关系图

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。

恒星具有空间位置稳定、光谱特性相对稳定的特点，是定量化遥感卫星重要定标源，广泛用于遥感仪器的几何定标和辐射定标。本发明提出一种遥感卫星观测恒星的姿态计算方法，可在确保卫星能源安全的前提下，搜索最佳恒星观测目标，并输出卫星平台的观测姿态。

本发明提供了一种遥感卫星观测恒星的姿态计算方法，包括以下步骤：

步骤S1：建立卫星观测恒星的姿态基准，约束恒星太阳阵朝向太阳，保证卫星平台能源安全；

步骤S2：在所述卫星观测恒星的姿态基准上进行恒星搜索，获取目标恒星；

恒星搜索需约束恒星太阳阵朝向与太阳矢量的夹角小于安全阈值，确保太阳阵在定标过程中始终受照，具体实现步骤如下：

a)计算卫星指向地心的矢量；

卫星指向地心的矢量根据卫星的轨道位置计算；设在惯性参考系下，卫星的实时轨道位置的三维投影为[s_x s_y s_z]，则卫星指向地心的矢量在惯性参考系下的投影表达式可写为：

其中S_x表示卫星位置矢量在惯性参考系x轴坐标系的投影；S_y表示卫星位置矢量在惯性参考系y轴坐标系的投影；S_z表示卫星位置矢量在惯性参考系z轴坐标系的投影；Rⁱ _{s_e}为卫星指向地心的矢量在惯性参考系下的投影；

b)搜索满足能源安全的有效恒星：导入恒星数据库，根据满足能源安全的有效恒星判定依据，获取有效恒星；

所述满足能源安全的有效恒星判定依据为：

其中/>

为能源安全保护角，表征太阳阵帆板朝向与太阳矢量的夹角阈值；θ_{star_cam}为卫星载荷光轴与恒星矢量的夹角。

具体地，本实施例中，卫星载荷可具体为卫星相机；包含每个恒星矢量在惯性参考系下的三维投影Rⁱ _star。根据恒星观测的姿态基准定义，可得到卫星相机光轴在惯性坐标系下投影Rⁱ _cam。满足能源安全的有效恒星判定依据：

上式中，

为能源安全保护角，表征太阳阵帆板朝向与太阳矢量的夹角阈值。θ_{star_cam}为卫星相机光轴与恒星矢量的夹角，计算式如下：/>

其中Rⁱ _{s_e}为卫星指向地心的矢量在惯性参考系下的投影；每个恒星矢量在惯性参考系下的三维投影Rⁱ _star，卫星载荷相机光轴在惯性坐标系下投影Rⁱ _cam。

c)根据卫星指向地心的矢量，剔除被地球遮挡的恒星：对有效恒星进行地球遮挡判定，剔除被地球遮挡的恒星，获取筛选恒星；

所述地球遮挡判定依据为：

上式中，

为地球遮挡角，θ_{earth_cam}为卫星载荷光轴与恒星矢量的夹角；

θ_{earth_cam}的计算式如下：

d)确定目标恒星：对筛选恒星选择与卫星载荷矢量夹角最小的恒星作为观测的目标恒星。

步骤S3：计算卫星载荷观测到所述目标恒星的观测平台姿态；所述观测平台姿态的计算方法：以目标恒星矢量与卫星载荷初始矢量构成的平面法线为旋转轴，通过双矢量定姿方法确定卫星载荷观测目标恒星的姿态，可保证卫星机动角度最小。

具体地，双矢量定姿方法的计算步骤如下：

a)确定矢量一为观测目标恒星矢量；

矢量一的计算步骤：为了确保卫星载荷能够观测到恒星，要求新的姿态下相机的光轴与恒星矢量平行。为了方便描述坐标转换关系，定义相机光轴与卫星本体坐标系的+Z轴平行，则相机光轴在惯性坐标系下的投影表达式：

R_{z_i}＝Rⁱ _star

上式中，Rⁱ _star为目标恒星在惯性坐标系下的投影。

相机光轴在本体坐标系下的投影表达式：

b)确定矢量二为目标恒星与卫星载荷初始光轴构成的平面的法线矢量；

矢量二的计算步骤：选择目标恒星与相机初始光轴构成的平面的法线矢量在惯性坐标系下的投影表达式：

R_{y_i}＝Rⁱ _star×Rⁱ _cam

上式中，Rⁱ _star为目标恒星在惯性坐标系下的投影；Rⁱ _cam为初始时刻卫星相机光轴指向在惯性坐标系下投影。

该法线矢量在本体坐标系下的投影表达式：

R_{y_b}＝C_{i_b0}·R_{y_i}

上式中，C_{i_b0}为惯性参考系相对恒星观测姿态基准坐标系的旋转矩阵，可根据恒星观测姿态基准的定义计算。

c)双矢量定姿计算：对矢量一和矢量二进行差乘运算，并根据坐标转换原理，

得到卫星载荷观测目标恒星的姿态矩阵；

具体计算步骤：对矢量一和矢量二进行差乘运算，得到第三个矢量表达式：

上式中，R_{x_i}为差乘矢量在惯性坐标系下的投影，R_{x_b}为差乘矢量在本体坐标系下的投影。

根据坐标转换原理，可得到载荷观测恒星时卫星本体坐标系相对关系坐标系的姿态矩阵C_{i_b1}表达式为：

C_{i_b1}＝[R_{x_b} R_{y_b} R_{z_b}]·[R_{x_i} R_{y_i} R_{z_i}]^T

上式中，[·]^T表示矩阵的转置运算。

步骤S4：星敏感器对地球遮挡分析：确保星敏感器对所述目标恒星的定标，避免地球遮挡星敏感器，获取规避角度；卫星载荷相机在进行恒星观测时，为了避免星敏感器被地球遮挡，需要对目标恒星的观测姿态进行优化，确保星敏感器为可用状态。

所述规避角度通过躲避地球遮挡设计方法，判断卫星的星敏感器是否在恒星观测时受到地球遮挡，若被遮挡，则进行规避角度计算，确保卫星在恒星观测时星敏感器能够使用，保证卫星平台安全。

具体地，躲避地球遮挡设计方法包括：

a)判断星敏感器是否被地球遮挡：星敏感器被地球遮挡的判据为星敏感器光轴矢量与卫星指向地球的矢量夹角小于地球保护角，表达式为：

上式中，

为星敏感器的地球遮挡保护角；θ_{earth_st}为星敏感器光轴矢量与卫星指向地球的矢量夹角；

具体地，首先计算相机观测恒星时，星敏感器光轴矢量在惯性参考系下的投影R_{st_i}，计算表达式如下：

R_{st_i}＝[C_{i_b1}]T·R_{st_b}

上式中，C_{i_b1}为载荷观测恒星时卫星本体系相对关系坐标系的姿态矩阵，R_{st_b}为星敏感器光轴矢量在本体坐标系下的投影，可根据星敏感器在卫星的布局确定。

星敏感器被地球遮挡的判据为星敏感器光轴指向矢量与卫星指向地球的矢量夹角是否小于地球保护角，如果小于，则判定为遮挡；表达式为：

上式中，

为星敏感器的地球遮挡保护角，可根据卫星的轨道高度和星敏感器的性能综合确定。θ_{earth_st}为星敏感器光轴矢量与卫星指向地球的矢量夹角，计算式如下：/>

上式中，Rⁱ _{s_e}为卫星指向地心的矢量在惯性参考系下的投影，R_{st_i}为星敏感器光轴指向矢量在惯性参考系下的投影。

b)星敏感器躲避地球遮挡的规避角度计算：若检测到星敏感器被地球遮挡，则进行规避角度计算，使星敏感器的光轴远离地球。

具体地，若检测到星敏感器被地球遮挡，即星敏感器光轴矢量与卫星指向地球的矢量夹角小于地球保护角，需要进行躲避遮挡设计。

步骤S5：根据所述规避角度对所述观测平台姿态进行优化，输出最优平台姿态。

具体地，为了确保相机能观测到恒星，可让卫星绕本体坐标系的Z旋转(定义相机光轴指向为本体系+Z轴)，在确保相机光轴指向恒星的同时，使星敏感器的光轴远离地球。因此，最终的最优平台姿态表达式为：

其中C_{i_b1}为卫星载荷观测恒星时卫星本体系相对关系坐标系的姿态矩阵；rollz为星敏感器躲避地球的转动角度，可根据星敏感器的光轴指向矢量以及星敏感器的地球遮挡保护角计算。

基于上文所述的遥感卫星观测恒星的姿态计算方法，本发明还提供了一种遥感卫星观测恒星的姿态计算系统，包括：

模块M1：建立卫星观测恒星的姿态基准，约束恒星太阳阵朝向太阳，保证卫星平台能源安全；

模块M2：在所述卫星观测恒星的姿态基准上进行恒星搜索，获取目标恒星；所述模块M2的恒星搜索，需约束恒星太阳阵朝向与太阳矢量的夹角小于安全阈值，确保太阳阵在定标过程中始终受照。

模块M3：计算卫星载荷观测到所述目标恒星的观测平台姿态；所述模块M3的观测平台姿态的计算方法：以目标恒星矢量与卫星载荷初始矢量构成的平面法线为旋转轴，通过双矢量定姿方法确定卫星载荷观测目标恒星的姿态。

模块M4：星敏感器对地球遮挡分析：确保星敏感器对所述目标恒星的定标，避免地球遮挡星敏感器，获取规避角度；所述模块M4通过躲避地球遮挡设计方法，判断卫星的星敏感器是否在恒星观测时受到地球遮挡，若被遮挡，则进行规避角度计算，确保卫星在恒星观测时星敏感器能够使用，保证卫星平台安全。

模块M5：根据所述规避角度对所述观测平台姿态进行优化，输出最优平台姿态。

本发明的工作原理如下：

1.建立卫星观测恒星的姿态基准

在定义观测恒星的初值姿态基准时，需约束卫星的太阳阵帆板法线对准太阳，确保能源安全，参见附图2。卫星绕帆板法线旋转的约束条件可根据卫星自身的特点进行约束。比如传统对地遥感卫星，可约束相机光轴与星地矢量的夹角最小，确定卫星的初始恒星观测姿态。同时，在恒星观测时机选择上，需避开恒星遮挡。

2.在卫星观测恒星的姿态基准上进行恒星搜索

恒星搜索需要满足两个条件：第一，要求卫星在机动观测恒星的姿态下，太阳阵帆板朝向与太阳矢量的夹角小于安全阈值，确保太阳阵在定标过程中始终受照；第二，卫星观测的恒星不会被地球遮挡。根据上述两个约束条件，制定恒星搜索的步骤如下：

a)计算卫星指向地心的矢量

卫星指向地心的矢量可根据卫星的轨道位置计算。设在惯性参考系下，卫星的实时轨道位置的三维投影为[s_x s_y s_z]，则卫星指向地心的矢量在惯性参考系下的投影表达式可写为：

其中Rⁱ _{s_e}为卫星指向地心的矢量在惯性参考系下的投影；

b)搜索满足能源安全的有效恒星

导入恒星数据库，包含每个恒星矢量在惯性参考系下的三维投影Rⁱ _star。根据恒星观测的姿态基准定义，可得到卫星相机光轴在惯性坐标系下投影Rⁱ _cam。满足能源安全的有效恒星判定依据为：

上式中，

为能源安全保护角，表征太阳阵帆板朝向与太阳矢量的夹角阈值。θ_{star_cam}为卫星相机光轴与恒星矢量的夹角，计算式如下：

c)剔除被地球遮挡的恒星

经过能源安全约束条件筛选后，在剔除剩余被地球遮挡的恒星，被剔除的恒星判定依据为：

上式中，

为地球遮挡角，一般根据卫星的轨道高度确定。θ_{earth_cam}为卫星相机光轴与恒星矢量的夹角，计算式如下：

d)确定目标恒星

筛选出的恒星中，选择与相机矢量夹角最小的恒星作为观测恒星。

3.计算载荷观测恒星的姿态

采用双矢量定姿的方法计算载荷观测恒星的姿态。

a)矢量一计算步骤

第一个矢量为观测恒星矢量，为了确保相机可观测到恒星，要求新的姿态下相机的光轴与恒星矢量平行。为了方便描述坐标转换关系，定义相机光轴与卫星本体坐标系的+Z轴平行，则相机光轴在惯性坐标系下的投影表达式：

R_{z_i}＝Rⁱ _star

上式中，Rⁱ _star为目标恒星在惯性坐标系下的投影。

相机光轴在本体坐标系下的投影表达式：

b)矢量二计算步骤

第二个矢量可选择目标恒星与相机初始光轴构成的平面的法线。选择目标恒星与相机初始光轴构成的平面的法线矢量在惯性坐标系下的投影表达式：

R_{y_i}＝Rⁱ _star×Rⁱ _cam

上式中，Rⁱ _star为目标恒星在惯性坐标系下的投影；Rⁱ _cam为初始时刻卫星相机光轴指向在惯性坐标系下投影。

该法线矢量在本体坐标系下的投影表达式：

R_{y_b}＝C_{i_b0}·R_{y_i}

上式中，C_{i_b0}为惯性参考系相对恒星观测姿态基准坐标系的旋转矩阵，可根据恒星观测姿态基准的定义计算。

c)双矢量定姿

对上述两个矢量进行差乘运算，得到第三个矢量表达式：

上式中，R_{x_i}为差乘矢量在惯性坐标系下的投影，R_{x_b}为差乘矢量在本体坐标系下的投影。

根据坐标转换原理，可得到载荷观测恒星时卫星本体系相对关系坐标系的姿态矩阵C_{i_b1}表达式为：

C_{i_b1}＝[R_{x_b} R_{y_b} R_{z_b}]·[R_{x_i} R_{y_i} R_{z_i}]^T

上式中，[·]^T表示矩阵的转置运算。

4.星敏感器躲避地球遮挡设计

相机在进行恒星观测时，为了避免星敏感器被地球遮挡，需要对恒星观测姿态进行优化，确保星敏感器为可用状态。主要处理步骤如下：

a)判断星敏感器是否被地球遮挡

首先计算相机观测恒星时，星敏感器光轴矢量在惯性参考系下的投影R_{st_i}，计算表达式如下：

R_{st_i}＝[C_{i_b1}]^T·R_{st_b}

上式中，C_{i_b1}为载荷观测恒星时卫星本体系相对关系坐标系的姿态矩阵，R_{st_b}为星敏感器光轴指向在本体坐标系下的投影，可根据星敏感器在卫星的布局确定。

星敏感器被地球遮挡的判据为星敏感器光轴矢量与卫星指向地球的矢量夹角是否小于地球保护角，表达式为：

上式中，

为星敏感器的地球遮挡保护角，可根据卫星的轨道高度和星敏感器的性能综合确定。θ_{earth_st}为星敏感器光轴矢量与卫星指向地球的矢量夹角，计算式如下：

上式中，Rⁱ _{s_e}为卫星指向地心的矢量在惯性参考系下的投影，R_{st_i}为星敏感器光轴矢量在惯性参考系下的投影。

b)星敏感器躲避地球遮挡设计

若检测到星敏感器被地球遮挡，需要进行躲避遮挡设计。为了确保相机能观测到恒星，可让卫星绕本体坐标系的Z旋转(定义相机光轴指向为本体系+Z轴)，使星敏感器的光轴远离地球。因此，最终的观测恒星姿态表达式为：

其中C_{i_b1}为载荷观测恒星时卫星本体系相对关系坐标系的姿态矩阵；rollz为星敏感器躲避地球的转动角度。

5.输出最终的观测恒星姿态

根据上述分析，在经过躲避地球遮挡设计后，得到最终的观测恒星姿态矩阵C_{i_b2}。卫星机动至此姿态下，可在保证卫星能源安全的同时，实现利用恒星对相机进行定标。

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)

1.一种遥感卫星观测恒星的姿态计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：建立卫星观测恒星的姿态基准，约束恒星太阳阵朝向太阳，保证卫星平台能源安全；

步骤S2：在所述卫星观测恒星的姿态基准上进行恒星搜索，获取目标恒星；

步骤S3：计算卫星载荷观测到所述目标恒星的观测平台姿态；

步骤S4：星敏感器对地球的遮挡分析：确保星敏感器对所述目标恒星的定标，避免地球遮挡星敏感器，获取规避角度；

步骤S5：根据所述规避角度对所述观测平台姿态进行优化，输出最优平台姿态。

2.根据权利要求1所述的遥感卫星观测恒星的姿态计算方法，其特征在于，所述恒星搜索，需约束恒星太阳阵朝向与太阳矢量的夹角小于安全阈值，确保太阳阵在定标过程中始终受照。

3.根据权利要求1所述的遥感卫星观测恒星的姿态计算方法，其特征在于，所述恒星搜索的步骤如下：

a)计算卫星指向地心的矢量；

b)搜索满足能源安全的有效恒星：导入恒星数据库，根据满足能源安全的有效恒星判定依据，获取有效恒星；

所述满足能源安全的有效恒星判定依据为：

其中

为能源安全保护角，表征太阳阵帆板朝向与太阳矢量的夹角阈值；θ_{star_cam}为卫星载荷光轴与恒星矢量的夹角。

c)根据卫星指向地心的矢量，剔除被地球遮挡的恒星：对有效恒星进行地球遮挡判定，剔除被地球遮挡的恒星，获取筛选恒星；

所述地球遮挡判定依据为：

上式中，

为地球遮挡角，θ_{earth_cam}为卫星载荷光轴与恒星矢量的夹角；

d)确定目标恒星：对筛选恒星选择与卫星载荷矢量夹角最小的恒星作为观测的目标恒星。

4.根据权利要求1所述的遥感卫星观测恒星的姿态计算方法，其特征在于，所述观测平台姿态的计算方法：以目标恒星矢量与卫星载荷初始矢量构成的平面法线为旋转轴，通过双矢量定姿方法确定卫星载荷观测目标恒星的姿态。

5.根据权利要求4所述的遥感卫星观测恒星的姿态计算方法，其特征在于，所述双矢量定姿方法的计算步骤如下：

a)确定矢量一为观测目标恒星矢量；

b)确定矢量二为目标恒星与卫星载荷初始光轴构成的平面的法线矢量；

c)双矢量定姿计算：对矢量一和矢量二进行差乘运算，并根据坐标转换原理，得到卫星载荷观测目标恒星的姿态矩阵。

6.根据权利要求1所述的遥感卫星观测恒星的姿态计算方法，其特征在于，所述规避角度通过躲避地球遮挡设计方法，判断卫星的星敏感器是否在恒星观测时受到地球遮挡；若被遮挡，则进行规避角度计算，确保卫星在恒星观测时星敏感器能够使用，保证卫星平台安全。

7.根据权利要求6所述的遥感卫星观测恒星的姿态计算方法，其特征在于，所述躲避地球遮挡设计方法包括：

a)判断星敏感器是否被地球遮挡：星敏感器被地球遮挡的判据为星敏感器光轴矢量与卫星指向地球的矢量夹角小于地球保护角，表达式为：

上式中，

为星敏感器的地球遮挡保护角；θ_{earth_st}为星敏感器光轴矢量与卫星指向地球的矢量夹角；

b)星敏感器躲避地球遮挡的规避角度计算：若检测到星敏感器被地球遮挡，则进行规避角度计算，使星敏感器的光轴远离地球。

8.一种遥感卫星观测恒星的姿态计算系统，其特征在于，包括：

模块M1：建立卫星观测恒星的姿态基准，约束恒星太阳阵朝向太阳，保证卫星平台能源安全；

模块M2：在所述卫星观测恒星的姿态基准上进行恒星搜索，获取目标恒星；

模块M3：计算卫星载荷观测到所述目标恒星的观测平台姿态；

模块M4：星敏感器对地球遮挡分析：确保星敏感器对所述目标恒星的定标，避免地球遮挡星敏感器，获取规避角度；

模块M5：根据所述规避角度对所述观测平台姿态进行优化，输出最优平台姿态。

9.根据权利要求7所述的遥感卫星观测恒星的姿态计算系统，其特征在于，所述模块M2的恒星搜索，需约束恒星太阳阵朝向与太阳矢量的夹角小于安全阈值，确保太阳阵在定标过程中始终受照。

10.根据权利要求7所述的遥感卫星观测恒星的姿态计算系统，其特征在于，所述模块M3的观测平台姿态的计算方法：以目标恒星矢量与卫星载荷初始矢量构成的平面法线为旋转轴，通过双矢量定姿方法确定卫星载荷观测目标恒星的姿态；

所述双矢量定姿方法的计算步骤如下：

a)确定矢量一为观测目标恒星矢量；

b)确定矢量二为目标恒星与卫星载荷初始光轴构成的平面的法线矢量；

c)双矢量定姿计算：对矢量一和矢量二进行差乘运算，并根据坐标转换原理，得到卫星载荷观测目标恒星的姿态矩阵。

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