[发明专利]静止卫星成像导航与配准的姿态运动补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种姿态运动补偿方法，具体地，涉及一种静止卫星成像导航与配准的姿态运动补偿方法。

背景技术

在数值天气预报中，需要定位区域性复杂天气，跟踪恶劣天气发展趋势并生成云图动画。这需要图像对应的绝对地理位置定位准确，相邻图像的相对位置关系配准精确。成像导航配准精度关系到天气诊断、云图分析、灾害监测应用的目标识别，以及风矢量等定量遥感产品的处理精度。但卫星平台和遥感仪器受到空间力学环境、热环境变化等因素的影响，卫星会存在轨道漂移和姿态指向偏差，仪器会产生几何变形，影响遥感图像的定位与配准精度。“卫星成像导航与配准”技术可解决此类问题：卫星对遥感仪器的二维扫描机构进行实时角度增量补偿，将仪器观测点在地表的移动轨迹引导至预设路径，从而实现成像导航，使遥感图像配准到地球标称网格(附图1)。

当前各国采用三轴稳定姿控方式的静止气象卫星主要包括：已经发射入轨的有美国的静止业务环境卫星(Geostationary Operational Environmental Satellite，缩写为GOES)的GOES-I～M系列、GOES-NOP系列卫星、俄罗斯的Electro-L、日本的Himawari-8。待发射的有美国的GOES-R卫星、欧洲的第三代气象卫星(Meteosat Third Generation，缩写为MTG)、中国的风云四号(FY-4)卫星。以上卫星均对仪器指向精度提出了较高要求，主要体现在图像导航与配准指标。美国GOSE-I～M卫星的仪器视线指向误差源，包括轨道和姿态漂移、卫星热变形、仪器伺服误差、姿态控制系统噪声、动力学内部作用等。Ahmed Kamel等人介绍了GOES-I～M系列卫星的INR系统采用的图像运动补偿系统(IMCS)方案：地面应用系统每天上注未来1天内卫星轨道、姿态和热变形漂移参数，星上计算机根据上注参数和扫描反射机构二维转角实时计算图像配准补偿信号并发送给扫描镜的控制环路。图像运动补偿(IMC)算法根据卫星长周期轨道递推参数和仪器内部变形预报模型，带入当前扫描镜的扫描角AZ和步进角EL位置，计算补偿量ΔAZ和ΔEL。GOES-NOP系列卫星图像导航与配准方面有较大改进，基于Imager和星敏感器开发了“参数化系统误差校正方法”(Parametric Systematic Error Correction，缩写为ParSEC)，用于消除卫星图像的畸变和系统偏差。该方法将卫星遥感仪器观测恒星的数据、观测地标的数据、地面测距信息引入轨道姿态确定系统(Orbit and Attitude determination System，缩写为OADS)，用迭代的方式获取确定系数，而后带入星上的补偿系统进行计算。

美国在图像导航与配准方面的研究资料表明，在静止气象卫星的工程应用中，分析了仪器视线指向的主要影响因素但未根据误差的不同类型进行分类；采用了综合的补偿模型，将所有测量信息引入算法，输出综合补偿量。

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静止卫星成像导航与配准的姿态运动补偿方法，其解决卫星在轨运行中受到空间环境的干扰而影响成像期间的视线指向误差问题，本发明可使遥感卫星在空间环境的干扰和影响下，通过补偿可将仪器视线在地球表面的扫描路径导航到预期位置，所成图像与卫星在标称理想情况生成的地球标称网格图像一致，误差控制在指标范围内。

根据本发明的一个方面，提供一种静止卫星成像导航与配准的姿态运动补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：分析遥感仪器的扫描反射机构光路，写出从仪器成像系统视线到仪器出射视线的表达式；

步骤二：在遥感仪器扫描反射机构转角上增加补偿量，建立补偿后的仪器出射实现表达式；

步骤三：卫星零姿态仪器不补偿时的遥感仪器出射视线应与存在姿态运动并对扫描反射机构增加补偿量时的遥感仪器出射视线相等，据此建立等式，从而求解补偿量的表达式；

步骤四：对补偿量表达式进行仿真校验，确保推导正确性。

优选地，所述步骤二的补偿量通过建立姿态运动补偿计算模块计算，以卫星姿态确定信息和扫描镜转角位置为输入，以能够抵消姿态干扰的扫描镜补偿量为输出。

优选地，所述步骤三的等式在忽略姿态角二阶小量的条件下求解，将补偿量描述为卫星姿态欧拉角和扫描镜转角为变量的函数表达式。