一種線陣紅外地球敏感器的三通道姿態解算方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種星載紅外地球敏感器的姿態解算方法,可用于空間低軌、變軌航 天器的在軌使用。
【背景技術】
[0002] 紅外地球敏感器,是基于地球紅外輻射敏感原理的衛星姿態光學敏感器,可用于 航天器相對于地球局地垂線的俯仰、滾動姿態角信號的測量、初始狀態時航天器對地球的 捕獲和穩態運行時航天器的姿態控制。
[0003] 根據紅外地球敏感器內部是否含機械掃描機構,可分為掃描式和靜態兩類:其中 掃描式又可分為圓錐掃描式(單圓錐、雙圓錐)和擺動掃描式兩種,而靜態則分為線陣和面 陣兩種。如今,國內外已研發出多種類型的掃描式紅外地平儀,并廣泛用于空間,其精度已 可達到 0.07。(3〇)。
[0004] 近年來,隨著探測器的發展,我國已利用線陣和面陣焦平面紅外探測器研制出兩 類靜態紅外地球敏感器,具有體積小、重量輕、無掃描機構等優點,并分別在小衛星、高軌衛 星上得到應用。其中,面陣紅外地球敏感器具有精度高的優勢,可達到0.06° (3〇),但相 對研發成本較高,且主要適用于高軌衛星的;而已在軌應用的線陣紅外地球敏感器雖然成 本較低,但其精度低,測量理論偏差最大將達到〇. 6° (3 〇 = 0. 5° )。
[0005] 線陣紅外地球敏感器中探測器位于光學系統的焦平面上,屬于凝視型結構。當航 天器運行于地球上空時,從太空航天器上觀察地球時,得到相當于在4K冷背景中的一個平 均亮溫約為220K~240K的圓盤,圓盤的邊緣稱為地平圓。航天器運行于地球上空時,紅外 地球敏感器通過線列紅外探測器檢測地平圓的4個方位上14ixm~16. 25ixm波段的地球 紅外輻射能量,確定線列陣紅外探測器對應地平圓4個點的方位角位置,根據之間的幾何 關系,實現對衛星姿態的測量,得到航天器相對于地球當地垂線的俯仰角和滾動角。一般采 用典型設計,按"X"結構對稱排列四個探頭(光學系統和探測器組成,探測器位于光學系統 焦平面上),滾動軸與星體飛行方向一致,而俯仰軸垂直與軌道面。A、B、C、D四個探頭與滾 動軸和俯仰軸成45°分布,相鄰兩個探頭光軸夾角為90°。
[0006] 目前,已有人提出提高其精度的方法,確實能夠在一定程度上提高精度(3 〇 ),但 未改變測量的絕對偏差。且因為航天型號產品需要高可靠性,產品內部一般采用反熔絲的 FPGA芯片進行處理,使得這種方法在應用上存在較大難度:FPGA難以進行如此復雜的乘除 運算,且將遠遠超出芯片使用容量。
[0007] 同時,隨著應用領域的進一步拓寬,航天器的飛行情況要求紅外地球敏感器在軌 能夠適應于不同軌道、甚至未知軌道下的姿態測量。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的在于在應用于不同軌道姿態測量背景下,基于提高線陣紅外地球敏 感器測量精度、降低測量偏差的算法上,損失部分精度的條件下,實現了硬件層面的冗余備 份,提高在軌使用的可靠性。該方法能夠提高線陣列紅外地球敏感器的在軌使用壽命,在精 度要求不高的使用環境下,可進一步指導硬件設計,減少鏡頭數量,減小設備體積,減輕設 備質量。
[0009] -種線陣紅外地球敏感器的三通道姿態解算方法的處理步驟為:
[0010] (1)、獲得為線陣列探測器A通道從當前第i元到第i-5元的輻射量數據灰度值, 依次記為D6、D5、D4、D3、D2、D1,其中i是O-N的整數,N為線陣紅外地球敏感器所用線陣列探 測器的元素,N為大于6的整數。當前5元不足(i< 5)時,由上一周期最末像元依次補齊。
[0011] (2)、根據步驟(1)獲得的當前位置i,按以下公式計算相鄰輻射量差值diff,除法 運算分子da和整數部分z。
[0012] 當i= 0 時,分別計算D4-D3、D5-DzpD6-D5:當D4-03最大時,diff=D4-D3,da= DfD6ID3,z=N-4 ;當 05-04最大時,diff=D5-D4,da=D2+D6-2D4,z=N-3 ;當 06-05最大 時,diff=D6_D5,da=D2+D6_2D4,z=N_2 ;
[0013]當 i = 1,2, 3 時,diff=0,da=0,z=0 ;
[0014] 當 i = 4 時,diff=D4_D3,da=D6_D3,z= 0 ;
[0015] 當 i = 5 時,diff=D4_D3,da=D2+D6_2D3,z= I ;
[0016] 當 4 <i <N時,diff=D4_D3,da=DjD6-SD3, z =i_4。
[0017] (3)、根據步驟(2)的計算結果,判斷相鄰輻射量差值diff首次出現最大值的情 況,使用該情況下的相鄰輻射量差值diff、除法運算分子da和整數部分z的數據。
[0018] (4)、根據步驟(3)的數據,按以下方法獲得A通道穿越位置的整數部分Za:
[0019]若步驟(2)計算所得的除法運算分子da大于2倍的相鄰輻射量差值diff,則穿越 位置的整數部分Za的值為z-1,同時修正除法運算分子da為除法運算分子da與相鄰輻射 量差值diff的差。否則,穿越位置的整數部分4的值即為z。
[0020] (5)、根據步驟⑶和⑷的計算結果,計算A通道穿越位置的小數部分Xa:小數計 算的分子為除法運算分子da,分母為2倍的相鄰輻射量差值diff,均采用M位有效數字,M 為不大于32的正整數,并將分子、分母等倍擴大,使得分母最高位為1。
[0021] 循環采用二分逼近的判斷:如果分子值大于分母值的二分之一,則結果左移一位, 舍最高位,并添最低位為1;否則,則結果左移一位,舍最高位,并添最低位為〇。如此循環Y 次進行二分逼近判斷的方法,計算可得具有Y位有效數字的小數部分Xa,其中Y為不大于16 的正整數。
[0022] (6)、針對四通道,進行單鏡頭線性掃描試驗,獲得各通道穿越位置的線性變化曲 線圖。
[0023](7)、將步驟(6)中的曲線進行線性擬合,A通道姿態線性校準參數Ka的值即為其 線性函數斜率均值的倒數;同時獲得擬合值與實際值的差指,再作差值與實際值的變化曲 線。
[0024] (8)、將步驟(7)中的曲線進行正弦函數擬合,擬合后再進行二次擬合修正。
[0025](9)、由步驟⑶得到擬合函數fA(x) =alax2+a2ax+a3a+bla*sin(2JT(x_b2a)),ala、 a2a、a3a分別為二次擬合的二次項系數、一次項系數和常數項系數,bla、b2a分別為正弦函數擬 合的幅度系數、相位系數,即為A通道輻射量校正公式。
[0026](10)、由步驟⑷獲得的整數部分滿足大于1且小于(N-2)時,代入由步驟(9)獲
[0027](11)、按步驟(I) -(10),依次獲得B通道穿越位置B'、C通道穿越位置C'、D通道 穿越位置D'。
[0028] (12)、將線陣紅外地球敏感器置于地球模擬系統中,設置地球模擬系統在線陣紅 外地球敏感器的工作軌道高度H下保持俯仰角和滾動角均為0,由步驟(I)-(Il)獲得的四 通道穿越位置,依次對應即為各通道在當前軌道高度H下的穿越位置零位,依次對應記作 A0、B0、C0、D0〇
[0029] (13)、按步驟(12),線陣紅外地球敏感器的工作軌道要求,設置不同軌道高度,形 成軌道零位標定表,該表包括不同軌道高度下,A、B、C、D通道穿越位置零位的值。
[0030] (14)、在任意軌道高度下,
式,計算零姿態穿越位置的理論值L,其值為1,其中h為線陣紅外地球敏感器工作的軌道高 度,單位為km,0為地球敏感器每個像元的視場角,H。為線陣紅外地球敏感器設計的標稱 軌道高度,單位為km。
[0031] (15)、根據步驟(13)獲得的軌道零位標定表按以下方法進行,獲得在理論值為1 時,A、B、C、D通道穿越位置標定零位的值a。、b。、c。、d。。線陣紅外地球敏感器的軌道零位標 定表的內容為不同理論值L對應的A通道穿越位置標定零位A。、B通道穿越位置標定零位 B。 、C通道穿越位置標定零位C。和D通道穿越位置標定零位D。:
[0032] 若由步驟(14)獲得的1在該表中可查,則直接從表中獲得;
[0033] 若由步驟(14)獲得的1在表中不可查,則選取不大于1的最小組數據,這組數據 的理論值L和A、B、C、D通道穿越位置標定零位A。、B。、C。、D。的值分別記為Ii、ai、bpCl、山, 和不小于I的最大組數據,這組數據的理論值L和A、B、C、D通道穿越位置標定零位A。、B。、 C。 、D。的值分別記為1 2、a2、b2、c2、d2。按以下公式,計算獲得:
[0036](16)、根據以下公式解算衛星姿態:
[0037] 當設計只使用A、B、C通道時,采用