对地面动态目标进行跟踪成像卫星的偏流角实时补偿方法与流程

1.本发明涉及卫星偏流角补偿技术领域，特别涉及一种对地面动态目标进行跟踪成像卫星的偏流角实时补偿方法。


背景技术：

2.卫星相机对地面目标进行跟踪成像时，由地球自转引起的相机推扫方向与目标移动方向不一致会导致图像模糊，需要对两个方向之间的夹角即为偏流角进行补偿。现有方法给出了卫星对星下点成像且为对地三轴零姿态时的偏流角计算模型，但该计算方法对卫星跟踪动态目标时不再适用，主要原因如下：
3.1)卫星在跟踪地面动态目标时，卫星在对地坐标系下的三轴姿态不为零，现有的偏流角计算模型只适用于卫星相对于对地系零姿态(跟踪星下点)的情况；
4.2)卫星在跟踪地面动态目标时，卫星相对于对地系的三轴姿态是时变的，因此需要利用卫星当前的三轴姿态信息对偏流角进行在轨实时计算与补偿；
5.3)地面目标运动特性的多样性与不可知性，使得卫星跟踪时的三轴姿态可能出现剧烈变化，导致卫星需要进行补偿的偏流角也剧烈变化，导致对卫星姿态控制系统造成影响。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种对地面动态目标进行跟踪成像卫星的偏流角实时补偿方法，在卫星对地面动态目标进行跟踪成像时，能够提高卫星相机对地观测与目标跟踪成像的清晰度，对卫星的地面动态目标跟踪成像任务具有现实意义。
7.为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
8.一种对地面动态目标进行跟踪成像卫星的偏流角实时补偿方法，包括如下步骤：
9.s1、根据地面动态目标的经度纬度和高度信息，计算地心指向目标的矢量在j2000惯性坐标系和wgs84地固系中的投影和以及目标在wgs84地固系和j2000惯性坐标系中的速度矢量和
10.s2、计算卫星跟踪动态目标时，卫星指向目标的单位矢量在j2000惯性坐标系中的投影ρm←s和卫星指向目标的矢量在j2000惯性坐标系中的投影的速度矢量表示为
11.s3、计算卫星跟踪动态目标时，卫星本体坐标系坐标轴的三轴在j2000惯性坐标系下的指向单位矢量i
x
、iy、iz；
12.s4、计算j2000惯性坐标系到卫星跟踪目标时卫星本体坐标系的姿态余弦阵am←i；
13.s5、计算对地坐标系到卫星跟踪目标时卫星本体坐标系的姿态余弦阵am←o，从而得到偏流角大小。
14.可选的，所述s1进一步包括：
15.地心指向目标的矢量在wgs84地固系中的投影按照以下方式计算：
[0016][0017]
式中，rm为目标点局部半径，计算如下：
[0018][0019]
地心指向目标的矢量在j2000惯性坐标系中的投影按照以下方式计算：
[0020][0021]
式中，λm、γm、hm分别为目标的地理经度、地理纬度和地理高程；re、fe分别为地球赤道半径和地球扁率；ai←g为wgs84地固系到j2000惯性系的姿态转换矩阵；
[0022]
目标在wgs84地固系和j2000惯性坐标系中的速度矢量和按照以下公式计算：
[0023][0024][0025]
式中，分别为目标的地理经度、地理纬度和地理高程的导数；为wgs84地固系到j2000惯性坐标系的姿态转换矩阵的导数。
[0026]
可选的，所述s2进一步包括：
[0027]
将卫星指向目标的矢量在j2000惯性坐标系中的投影表示为lm←s，则
[0028][0029]
则卫星指向目标的单位矢量在j2000惯性坐标系中的投影ρm←s按照以下公式计算：
[0030][0031]
将卫星指向目标的矢量在j2000惯性坐标系中的投影lm←s的速度矢量表示为lm←s，则
[0032][0033]
式中，和分别为地心指向卫星的矢量及其导数在j2000惯性坐标系下的投影。
[0034]
可选的，所述s3，进一步包括：
[0035]
卫星跟踪动态目标时卫星本体坐标系坐标轴的三轴在j2000惯性坐标系下的指向单位矢量i
x
、iy、iz按照以下公式计算：
[0036]iz
＝ρm←s[0037][0038]ix
＝iy×iz
。
[0039]
可选的，所述s4，进一步包括：
[0040]
j2000惯性坐标系到卫星跟踪目标时卫星本体坐标系的姿态余弦阵am←i按照以下公式计算：
[0041][0042]
式中，e
x
＝[1；0；0]，ey＝[0；1；0]，ez＝[0；0；1]。
[0043]
可选的，所述s5，进一步包括：
[0044]
对地坐标系到卫星跟踪目标时卫星本体坐标系的姿态余弦阵am←o按照以下公式计算：
[0045]am
←o＝am←
iai
←o[0046]
式中，ai←o为卫星对地坐标系到j2000惯性坐标系的坐标转换矩阵。
[0047]
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0048]
本发明提出了一种对地面动态目标进行跟踪成像卫星的偏流角实时补偿方法，通过地面目标的地理位置信息以及惯性系、地固系和卫星对地坐标系之间的转换关系，求解出卫星在对地面动目标进行跟踪成像时实时补偿偏流角的三轴姿态计算方法。本方法能够提高卫星相机对地观测与目标跟踪成像的清晰度，对卫星的地面动态目标跟踪成像任务具有现实意义。
附图说明
[0049]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
[0050]
图1为本发明提供的一种对地面动态目标进行跟踪成像卫星的偏流角实时补偿方法的流程图。
具体实施方式
[0051]
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0052]
如背景技术所述，由地球自转引起的相机推扫方向与目标移动方向不一致的偏流角会导致卫星成像模糊，因此需要对偏流角进行补偿。现有方法给出了卫星对星下点成像且为对地三轴零姿态时的偏流角计算模型，但该计算方法对卫星跟踪动态目标时不再适用。本发明提出了一种对地面动态目标进行跟踪成像卫星的偏流角实时补偿方法。通过地面目标的地理位置信息以及惯性系、地固系和卫星对地坐标系之间的转换关系，求解出卫星在对地面动目标进行跟踪成像时实时补偿偏流角的三轴姿态计算方法。本方法能够提高卫星相机对地观测与目标跟踪成像的清晰度，对卫星的地面动态目标跟踪成像任务具有现实意义。
[0053]
如图1所示，本发明提供的一种对地面动态目标进行跟踪成像卫星的偏流角实时补偿方法，包括如下步骤：
[0054]
s1、根据地面动态目标的经度纬度和高度信息，计算地心指向目标的矢量在j2000惯性坐标系和wgs84地固系中的投影和以及目标在wgs84地固系和j2000惯性坐标系中的速度矢量和
[0055]
s2、计算卫星跟踪动态目标时，卫星指向目标的单位矢量在j2000惯性坐标系中的投影ρm←s和卫星指向目标的矢量在j2000惯性坐标系中的投影的速度矢量表示为
[0056]
s3、计算卫星跟踪动态目标时，卫星本体坐标系坐标轴的三轴在j2000惯性坐标系下的指向单位矢量i
x
、iy、iz；
[0057]
s4、计算j2000惯性坐标系到卫星跟踪目标时卫星本体坐标系的姿态余弦阵am←i；
[0058]
s5、计算对地坐标系到卫星跟踪目标时卫星本体坐标系的姿态余弦阵am←o，从而得到偏流角大小。
[0059]
本发明根据wgs84地固系到j2000惯性系的坐标转换矩阵、卫星对地坐标系到惯性系的坐标转换矩阵、地心指向卫星的矢量及其导数在惯性坐标系下的投影(和)和地面目标的位置参数，计算得到卫星视轴跟踪目标时的惯性系下三轴姿态，此时卫星在对地坐标系下的偏航角度就是实时偏流角。首先需要求得以下空间矢量信息。
[0060]
(1)计算地心指向目标的矢量在j2000惯性坐标系中的投影
[0061]
地心指向目标的矢量在wgs84地固坐标系中的投影按照以下方式计算：
[0062][0063]
式中，rm为目标点局部半径(不考虑地理高程时的地心距)，计算如下：
[0064][0065]
得到，
[0066][0067]
式中，λm，γm，hm分别为目标地理经度、地理纬度和地理高程；re，fe分别为地球赤道半径和地球扁率；ai←g为wgs84地固系到j2000惯性系的姿态转换矩阵；
[0068]
(2)计算目标在wgs84地固系和j2000惯性坐标系中的速度矢量和
[0069][0070][0071]
式中，分别为目标地理经度、地理纬度和地理高程的导数；为wgs84地固系到j2000惯性系的姿态转换矩阵的导数；
[0072]
(3)wgs84地固系到j2000惯性系的坐标转换矩阵ai←g及其导数和卫星对地坐标系到惯性系的坐标转换矩阵ai←o可由卫星的轨道参数得到。
[0073]
本发明通过以下的步骤实现卫星视轴跟踪目标时的三轴对姿态以及偏流角的计算：
[0074]
(1)将卫星指向目标的矢量在j2000惯性坐标系中的投影表示为lm←s，
[0075][0076]
则卫星指向目标的单位矢量在j2000惯性坐标系中的投影ρm←s[0077][0078]
(2)将卫星指向目标的矢量在j2000惯性坐标系中的投影lm←s的速度矢量表示为lm←s，则
[0079][0080]
(3)卫星对动态目标进行跟踪时，卫星的相机视轴即zb轴指向目标，此时指向矢量为ρm←s。为了使卫星相机视轴的推扫方向与目标移动方向一致，则卫星本体系的yb轴与ρm←s和-lm←s构成的平面垂直。卫星的xb轴则通过右手定则确定。
[0081]iz
＝ρm←s[0082][0083]ix
＝iy×iz
[0084]
式中，i
x
、iy、iz分别卫星跟踪目标时本体系在惯性系中的指向单位矢量。
[0085]
(4)惯性系到卫星目标跟踪时的本体系的姿态余弦阵为
[0086][0087]
式中，e
x
＝[1；0；0]，ey＝[0；1；0]，ez＝[0；0；1]。
[0088]
(5)由姿态余弦阵和姿态四元数相互转换的计算方法得到卫星此时在惯性系下的对地姿态四元数qi→o。
[0089]am
←o＝am←
iai
←o[0090]ai
←o为卫星对地坐标系到惯性系的坐标转换矩阵；
[0091]
由卫星对地坐标系到惯性系的坐标转换矩阵ai←o可以得到卫星在对地坐标系下的三轴姿态角，该转换属于基本的数学变换。卫星在对地坐标系下的z轴方向角度即偏航角度就是实时偏流角。
[0092]
至此，卫星相机视轴的推扫方向与目标移动方向一致，卫星对地面动态目标进行跟踪成像时的偏流角得到了实时补偿。
[0093]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

技术特征：
1.一种对地面动态目标进行跟踪成像卫星的偏流角实时补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、根据地面动态目标的经度纬度和高度信息，计算地心指向目标的矢量在j2000惯性坐标系和wgs84地固系中的投影和以及目标在wgs84地固系和j2000惯性坐标系中的速度矢量和s2、计算卫星跟踪动态目标时，卫星指向目标的单位矢量在j2000惯性坐标系中的投影ρ
m
←
s
和卫星指向目标的矢量在j2000惯性坐标系中的投影的速度矢量表示为s3、计算卫星跟踪动态目标时，卫星本体坐标系坐标轴的三轴在j2000惯性坐标系下的指向单位矢量i
x
、i
y
、i
z
；s4、计算j2000惯性坐标系到卫星跟踪目标时卫星本体坐标系的姿态余弦阵a
m
←
i
；s5、计算对地坐标系到卫星跟踪目标时卫星本体坐标系的姿态余弦阵a
m
←
o
和卫星此时在j2000惯性系下的对地姿态四元数q
o
→
m
，从而得到偏流角大小。2.如权利要求1所述的对地面动态目标进行跟踪成像卫星的偏流角实时补偿方法，其特征在于，所述s1进一步包括：地心指向目标的矢量在wgs84地固系中的投影按照以下方式计算：式中，r
m
为目标点局部半径，计算如下：地心指向目标的矢量在j2000惯性坐标系中的投影按照以下方式计算：式中，λ
m
、γ
m
、h
m
分别为目标的地理经度、地理纬度和地理高程；r
e
、f
e
分别为地球赤道半径和地球扁率；a
i
←
g
为wgs84地固系到j2000惯性系的姿态转换矩阵；目标在wgs84地固系和j2000惯性坐标系中的速度矢量和按照以下公式计算：按照以下公式计算：式中，分别为目标的地理经度、地理纬度和地理高程的导数；为wgs84地固系到j2000惯性坐标系的姿态转换矩阵的导数。3.如权利要求1所述的对地面动态目标进行跟踪成像卫星的偏流角实时补偿方法，其特征在于，所述s2进一步包括：将卫星指向目标的矢量在j2000惯性坐标系中的投影表示为l
m
←
s
，则
则卫星指向目标的单位矢量在j2000惯性坐标系中的投影ρ
m
←
s
按照以下公式计算：将卫星指向目标的矢量在j2000惯性坐标系中的投影l
m
←
s
的速度矢量表示为则式中，和分别为地心指向卫星的矢量及其导数在j2000惯性坐标系下的投影。4.如权利要求3所述的对地面动态目标进行跟踪成像卫星的偏流角实时补偿方法，其特征在于，所述s3，进一步包括：卫星跟踪动态目标时卫星本体坐标系坐标轴的三轴在j2000惯性坐标系下的指向单位矢量i
x
、i
y
、i
z
按照以下公式计算：i
z
＝ρ
m
←
s
i
x
＝i
y
×
i
z
。5.如权利要求1所述的对地面动态目标进行跟踪成像卫星的偏流角实时补偿方法，其特征在于，所述s4，进一步包括：j2000惯性坐标系到卫星跟踪目标时卫星本体坐标系的姿态余弦阵a
m
←
i
按照以下公式计算：式中，e
x
＝[1；0；0]，e
y
＝[0；1；0]，e
z
＝[0；0；1]。6.如权利要求1所述的对地面动态目标进行跟踪成像卫星的偏流角实时补偿方法，其特征在于，所述s5，进一步包括：对地坐标系到卫星跟踪目标时卫星本体坐标系的姿态余弦阵a
m
←
o
按照以下公式计算：a
m
←
o
＝a
m
←
i
a
i
←
o
式中，a
i
←
o
为卫星对地坐标系到j2000惯性坐标系的坐标转换矩阵。

技术总结
本发明提供一种对地面动态目标进行跟踪成像卫星的偏流角实时补偿方法，通过地面目标的地理位置信息以及惯性系、地固系和卫星对地坐标系之间的转换关系，求解出卫星在对地面动目标进行跟踪成像时实时补偿偏流角的三轴姿态计算方法。本发明能够提高卫星相机对地观测与目标跟踪成像的清晰度，对卫星的地面动态目标跟踪成像任务具有现实意义。标跟踪成像任务具有现实意义。标跟踪成像任务具有现实意义。


技术研发人员：徐梓尧 马瑞 许贤峰 鲁启东 李利亮 彭瑞 张子龙 陆丹萍
受保护的技术使用者：上海航天控制技术研究所
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/5/23