[发明专利]一种地球反射光校正的卫星姿态估计方法

说明书

本发明提供了一种地球反射光校正的卫星姿态估计方法，包括：将地球表面按经纬度网格划分为多个面元，筛选出有效面元；根据辐射照度与距离的平方成反比定律，计算太阳光可见光波段在各有效面元处的辐射照度，并根据朗伯反射原理计算出有效面元在目标卫星处的辐射照度；根据有效面元在目标卫星处产生的辐射照度，通过朗伯反射原理计算出以各个有效面元为光源时，目标卫星对探测器的辐射照度；将目标卫星对探测器的辐射照度相加得到以地球为光源时，目标卫星对探测器的辐射照度；从目标卫星处获得实时的目标卫星对探测器的辐射照度减去以地球为光源时，目标卫星对探测器的辐射照度，得到了仅以太阳为光源时的卫星对探测器的辐射照度的校正观测数据；使用无味卡尔曼滤波的方法对卫星进行姿态估计，得到地球反射光校正数据。本发明精确计算了地球反射光对卫星的照度，以及该条件下卫星的照度，基于此进行的卫星姿态估计，可以大大提高估计精度。

技术领域

本发明属于光学特性识别技术领域，特别涉及地球反射光对中高轨卫星光学观测影响的计算。

背景技术

地基光学观测是获取卫星特征信息的一种重要手段。太阳作为一个恒定光源，发出的辐射光线经过卫星表面的反射后进入探测器入瞳。根据入射光强度不变，结合光线传递的原理，卫星形状、姿态和表面材质的不同均会造成探测器接收到的光学信息发生变化。因此，基于这一原理，通过获取的卫星光度信息可以识别出卫星的形状、大小、工作状态等信息。然而现实观测中存在太阳以外的其它杂散光源，导致探测器接收到的光信号是由卫星对多个角度的入射光反射得到的混合光。

目前已知的主要杂散光源为地球，地球是比较特殊的光源，地球不具备自身发光的能力，而是对太阳发出的光进行反射以此来照亮卫星。由于太阳在同一时刻内只能照亮地球的一半，因此，卫星接收到的间接太阳辐射光强度与太阳、地球、卫星的几何位置关系有着密不可分的关系。

研究初期，基于地球较低的反照率，研究者们普遍认为它们对卫星光学观测造成的影响可以忽略不计，因而只关注太阳的直接照射。但是随着观测技术的发展及研究的深入，一些不合理现象出现在了日常卫星观测中，在对不同的卫星进行多相位的光学观测后，发现它们的光度曲线在大相位角处的变化趋势均趋于平缓，这说明在大相位角处，地球反射光对卫星光度的贡献要大于太阳。另外，大多卫星形状、材料不规则，导致探测器接收到的光信号对观测几何位置关系(光源、目标卫星、探测器的相对位置关系)极为敏感，往往需要同时考虑太阳、地球、卫星、探测器四者的相对位置关系。

近年来，人们已经逐渐意识到间接太阳辐射给卫星光学观测带来的不可忽视的影响。基于现有的天体反射模型，分析了地球反射光对卫星观测的影响。但大多研究者们探究的目的在于验证白天利用地球反射光进行卫星观测的可行性。他们着重研究的是复合光线的谱形，仅对单一时刻或某几个时刻下的目标反射光信号进行了分析。并且没有详细比较在不同时刻下地球反射光相对于直接太阳辐射照度的影响程度，对于可否忽略间接辐射没有给出一个定量的标准。因此，在实际的应用中，未经校正的卫星观测数据将导致卫星状态估计精度降低。

发明内容

本发明提供了一种地球反射光校正的卫星姿态估计方法，解决了地球反射光的定量计算的技术问题以及对于传统的基于光度数据的卫星姿态估计准确率较低的技术问题，本发明的目的在于对获得的卫星观测数据进行校正，消除地球反射光对卫星观测数据的影响，从而提高卫星的姿态估计精度。在研究卫星的光学特性过程中，地球反射光的存在会改变探测器探测到的卫星的亮度，会对卫星特征分析过造成较大影响。本发明精确计算了地球反射光在不同时段影响的大小，基于计算结果对卫星观测数据进行校正，通过无味卡尔曼滤波的方法进行姿态估计后，提高了估计精度。

为达到上述目的，本发明提供的一种地球反射光校正的卫星姿态估计方法，包括以下步骤：

步骤一：将地球表面按照经纬网格划分为多个面元，计算面元面积；基于太阳、地球和目标卫星之间的遮挡关系筛选有效面元；

步骤二：根据辐射照度与距离的平方成反比定律，计算太阳可见光波段在各有效面元处的辐射照度，并根据朗伯反射原理计算有效面元在目标卫星处产生的辐射照度；