基于可見光地球敏感器和太陽敏感器的衛(wèi)星姿態(tài)確定方法
【專利摘要】基于可見光地球敏感器和太陽敏感器的衛(wèi)星姿態(tài)確定方法，利用可見光地球敏感器和太陽敏感器聯(lián)合確定衛(wèi)星對地的三軸姿態(tài)。首先通過對CMOS成像器件所成的地球圖像處理，提取到地球圖像的有效邊緣，然后應(yīng)用最小二乘法擬合提取到的有效邊緣的中心。其次在衛(wèi)星對地姿態(tài)角為小角度的假設(shè)下，近似計(jì)算衛(wèi)星的對地滾動角和俯仰角。最后應(yīng)用太陽敏感器和近似計(jì)算得到的滾動角和俯仰角姿態(tài)信息計(jì)算得到衛(wèi)星對地的偏航角。相對于傳統(tǒng)的利用地球紅外敏感器和太陽敏感器組合確定衛(wèi)星對地的三軸姿態(tài)角，本發(fā)明方法提高了衛(wèi)星姿態(tài)角測量精度，并且該方法適用于小型化的小衛(wèi)星姿態(tài)測量，順應(yīng)當(dāng)前小衛(wèi)星的發(fā)展潮流。
【專利說明】
基于可見光地球敏感器和太陽敏感器的衛(wèi)星姿態(tài)確定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于衛(wèi)星控制領(lǐng)域，涉及一種確定衛(wèi)星姿態(tài)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，在以地球作為參考矢量確定衛(wèi)星姿態(tài)角的敏感器中，紅外地球敏感器得到 了廣泛的應(yīng)用，并且日趨成熟，因此利用紅外地球敏感器和太陽敏感器聯(lián)合確定衛(wèi)星對地 的三軸姿態(tài)成為了常見方法。
[0003] 現(xiàn)有的利用紅外地球敏感器和太陽敏感器聯(lián)合確定衛(wèi)星對地三軸姿態(tài)的方法是： 一方面，利用紅外地球敏感器掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)出地球二氧化碳紅外輻射帶以及紅外掃描機(jī)構(gòu)到 達(dá)基準(zhǔn)點(diǎn)的時間，計(jì)算出紅外地球敏感器掃描地球的弦寬和地心矢量E在紅外地球敏感器 的測量坐標(biāo)系 XSE〇ySE平面中的投影與XSE軸的夾角，由上述計(jì)算所得的夾角以及球面三角的 知識可以計(jì)算出地心矢量E在紅外地球敏感器測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)表示，又由紅外地球敏 感器的安裝矩陣可得地心矢量E在星體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)表示；另一方面，地心矢量E在衛(wèi)星 軌道坐標(biāo)系的坐標(biāo)已知，由未知衛(wèi)星姿態(tài)角計(jì)算的旋轉(zhuǎn)矩陣可計(jì)算得地心矢量E在星體坐 標(biāo)系的坐標(biāo)表示，由上述兩種途徑轉(zhuǎn)換成的地心矢量在星體坐標(biāo)系下的不同表達(dá)式，即可 求出衛(wèi)星的滾動角和俯仰角，然后，太陽敏感器利用已計(jì)算得到的衛(wèi)星滾動角和俯仰角求 得衛(wèi)星的偏航角。
[0004] 由上述紅外地球敏感器和太陽敏感器聯(lián)合確定衛(wèi)星對地三軸姿態(tài)的原理可知，衛(wèi) 星姿態(tài)角的測量精度受限于時間測量精度和掃描機(jī)構(gòu)掃描角速度的測量精度，以及衛(wèi)星軌 道參數(shù)測量精度(視不同的安裝矩陣）。由于上述測量物理量均具有不確定性，因此造成衛(wèi) 星姿態(tài)的測量精度波動較大。
[0005] 另外，當(dāng)前衛(wèi)星正朝著小型化、智能化、高精度、高穩(wěn)定性、低功耗和長壽命方向發(fā) 展，而主要的紅外地球敏感器有圓錐掃描和擺動掃描等，這類紅外地球敏感器由于存在掃 描機(jī)構(gòu)，其質(zhì)量大、功耗多，也不適合當(dāng)前衛(wèi)星的發(fā)展潮流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于可見光地球敏 感器和太陽敏感器的衛(wèi)星姿態(tài)確定方法，解決了現(xiàn)有紅外地球敏感器和太陽敏感器聯(lián)合確 定衛(wèi)星姿態(tài)中時間測量精度、掃描機(jī)構(gòu)角速度測量精度、衛(wèi)星軌道參數(shù)測量精度導(dǎo)致衛(wèi)星 姿態(tài)角測量精度下降的問題，并且該方法適用小型化的小衛(wèi)星姿態(tài)測量，順應(yīng)當(dāng)前小衛(wèi)星 的發(fā)展潮流。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:基于可見光地球敏感器和太陽敏感器的衛(wèi)星姿態(tài)確定 方法，包括如下步驟：
[0008] (1)利用可見光地球敏感器中的CMOS成像器件對地球進(jìn)行成像，獲取輸入圖像；
[0009] (2)對所述的輸入圖像進(jìn)行預(yù)處理，去除噪聲，平滑圖像；
[0010] (3)對步驟(2)獲取的圖像進(jìn)行邊緣檢測，獲取有效邊緣；
[0011] (4)對所述有效邊緣進(jìn)行擬合，獲取有效邊緣中心和半徑；
[0012] (5)計(jì)算獲得衛(wèi)星對地的滾動角(i)和俯仰角0，其中
[0014] (Cx，Cy)為有效邊緣中心坐標(biāo)，
，R為有效邊緣的半徑，f為CMOS成像器 件的焦距；
[0015] (6)計(jì)算獲得衛(wèi)星對地的偏航角1
其中 "4l r^A- s〇Y () '「COS0 0 -sinf「1 0 0 A2 - So￥. -St>x Q x 0 1 0 Q cos夕 sin:#. A 0 0 Sn7 sin $ 0 eos6* 0 - sin 彡 cos# r_. n ，DssB為太陽敏感器相對衛(wèi) S肚 Srs < SSY -tma SCY > _ ^BZ _ _&.CZ ^AY ^AZ 星本體坐標(biāo)系的安裝矩陣，= ，式中SAX、SAY、SAZ分別表示太陽敏感器測 _ ^cx ^c r ^cz _ 量坐標(biāo)系xss軸與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系xb、yb、zb三軸的夾角余弦值，Sbx、Sby、Sbz分別表不太陽敏感 器測量坐標(biāo)系yss軸與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系xb、yb、zb三軸的夾角余弦值，S〇(、Sct、S(；z分別表不太陽 敏感器測量坐標(biāo)系z ss軸與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系Xb、yb、zb三軸的夾角余弦值;S〇= [S0x S0Y S0z]T 為太陽矢量在軌道坐標(biāo)系下的三軸分量形式，a是太陽方向矢量在太陽敏感器測量坐標(biāo)系 yssozss平面投影與oz ss軸的夾角。
[0016] 所述步驟（1)中的輸入圖像應(yīng)滿足:CM0S成像器件所成地球圖像地平輪廓有效弧 長占到總弧長的50%。所述步驟(2)中平滑圖像的方法為3X3卷積模板的中值濾波。所述步 驟(3)中邊緣檢測的方法為:首先采用Sobel算子檢測所有的邊緣，然后采用Hough變換檢測 出有效邊緣。所述步驟(4)中對有效邊緣進(jìn)行擬合的方法為最小二乘法。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0018] (1)本發(fā)明方法通過可見光地球敏感器和太陽敏感器聯(lián)合確定衛(wèi)星對地的三軸姿 態(tài)角，相比于傳統(tǒng)的紅外地球敏感器和太陽敏感器確定衛(wèi)星的對地姿態(tài)角，該方法消除了 時間測量精度、掃描機(jī)構(gòu)角速度測量精度、軌道參數(shù)測量精度對紅外地球敏感器測量衛(wèi)星 姿態(tài)角的影響，從而提高衛(wèi)星姿態(tài)測量的精度，而且該方法實(shí)現(xiàn)容易，算法簡單，對衛(wèi)星平 臺的控制要求不高，是一套完整的確定衛(wèi)星對地三軸姿態(tài)方法；
[0019] (2)本發(fā)明方法的重點(diǎn)在于有效邊緣的提取，邊緣提取的好壞直接決定方法的精 度。本發(fā)明采取的提取邊緣方法不僅能精確提取有效邊緣，滿足計(jì)算量的要求，而且算法的 魯棒性很好；
[0020] (3)本發(fā)明方法可集成到控制器中，與其他部組件共同形成輕質(zhì)量、精度滿足要求 的可見光敏感器，為確定衛(wèi)星姿態(tài)提供另外一種解決方案。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明方法的流程框圖；
[0022]圖2為本發(fā)明CMOS相機(jī)成像示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明衛(wèi)星姿態(tài)坐標(biāo)系示意圖；
[0024] 圖4為本發(fā)明太陽敏感器坐標(biāo)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 隨著微小型化CMOS成像器件的快速發(fā)展，不僅為地球可見光敏感器的真正使用提 供了極大可能，而且順應(yīng)了衛(wèi)星的發(fā)展趨勢。本發(fā)明就基于可見光地球敏感器和太陽敏感 器如何聯(lián)合確定衛(wèi)星對地三軸姿態(tài)，提出一套完整的方法。
[0026] 如圖1流程所示，本發(fā)明方法主要包括以下幾個步驟:第一，CMOS成像器件對地球 成像后輸入圖像;第二，圖像預(yù)處理;第三，提取圖像有效邊緣;第四，應(yīng)用最小二乘擬合圖 像有效邊緣中心;第五，在衛(wèi)星對地姿態(tài)角為小角度假設(shè)前提下，根據(jù)有效邊緣中心近似計(jì) 算衛(wèi)星滾動和俯仰姿態(tài)角；第六，應(yīng)用太陽敏感器和近似計(jì)算得到的滾動角和俯仰角姿態(tài) 信息，計(jì)算衛(wèi)星對地的偏航角。以下分別詳細(xì)介紹上述六個步驟。
[0027] 第一，可見光地球敏感器中的CMOS成像器件對地球成像后輸入圖像。
[0028]為了保證最終確定的衛(wèi)星俯仰角和滾動角精度，要求CMOS成像器件所成地球圖像 地平輪廓有足夠長的弧度。一般要求成像平面有效弧長占到總弧長的50%。
[0029] CMOS成像器件所拍攝的圖像滿足弧長要求后輸入圖像，進(jìn)行下一步的處理。
[0030] 第二，圖像預(yù)處理。
[0031]對圖像進(jìn)行預(yù)處理的目的在于去除噪聲，平滑圖像。圖像預(yù)處理的方法有很多，如 中值濾波，均值濾波等，本發(fā)明中采用中值濾波。
[0032]中值濾波采用3X3卷積模板，具體做法如下:將中心像素及其3X3鄰域內(nèi)8個像素 的灰度值按從小到大排序，取第5個元素灰度值為中心像素的灰度值。中值濾波不僅能去除 噪聲點(diǎn)，為以后邊緣提取減少計(jì)算量，還能保護(hù)圖像的邊緣，獲得較滿意的圖像預(yù)處理效 果。
[0033]第三，檢測有效邊緣。
[0034] 這一步是本發(fā)明方法為解決上述所提出問題的關(guān)鍵步驟，也是核心部分。檢測有 效邊緣方法的好壞直接決定了本發(fā)明方法所需計(jì)算量的大小和所確定姿態(tài)角的精度。
[0035] 目前檢測邊緣的算法有很多種，常見的有:微分算子、拉普拉斯高斯算子、Canny算 子、擬合法等。本發(fā)明采用Sobel微分算子和Hough變換檢測有效邊緣，Sobel算子是檢測所 有的邊緣，包括有效邊緣和無效邊緣，而Hough變換則是剔除Sobel算子所檢測到的無效邊 緣，保留其有效邊緣。下面分別介紹這兩種方法。
[0036] Sobel算子首先計(jì)算某一像素點(diǎn)處的灰度梯度幅值，然后將此值與所設(shè)的閥值進(jìn) 行比較，如果該點(diǎn)處灰度梯度幅值大于閥值，則保留該點(diǎn)，否則剔除該點(diǎn)。該方法的中心思 想是圖像邊緣像素點(diǎn)鄰域內(nèi)灰度值變化比較劇烈，應(yīng)用此方法確定出鄰域內(nèi)灰度值變化比 較大的像素點(diǎn)，從而檢測出圖像邊緣。Sobel算子中所設(shè)閥值的大小不變，閥值大小需要根 據(jù)實(shí)際圖像確定，一般閥值的大小選取為不大于整個圖像灰度值平均值的最大正整數(shù)。
[0037]下面介紹Sobel算子計(jì)算像素點(diǎn)處灰度梯度幅值的方法。
[0038]任一點(diǎn)處梯度幅值計(jì)算如下：
[0039] M^^js；+s； (1)
[0040] 其中Sx，Sy分別表示在該點(diǎn)處x、y方向?qū)?shù)，而對于數(shù)字圖像，可以用一階差分代替 一階微分。通常計(jì)算某一像素點(diǎn)處灰度梯度幅值有3 X 3模板、5 X 5模板等，本發(fā)明采用3 X 3 模板，故SX，Sy可寫為：
[0041] sx= (a2+2a3+a4)-(ao+a7+a6) (2)
[0042] sy= (ao+2ai+a2)-(a6+2a5+a4) (3)
[0043] 其中ao…a7代表該像素點(diǎn)處3X3鄰域內(nèi)元素的灰度值，a『_a7各像素點(diǎn)灰度值在3 X 3鄰域內(nèi)位置如下：
[0045] 注：[i，j ]代表所求灰度梯度幅值像素點(diǎn)坐標(biāo)。
[0046] 如前所述，Sobel算子檢測到的邊緣包括有效邊緣和無效邊緣，其中有效邊緣是地 球的輪廓邊緣，無效邊緣包括地球晨昏線邊緣、圖像背景明亮星體邊緣、月球邊緣等。為了 提高所確定姿態(tài)角的精度，需要對Sobel算子檢測到的邊緣進(jìn)一步檢測，剔除無效邊緣，保 留有效邊緣。下面介紹檢測有效邊緣方法之Hough變換。
[0047] Hough變換有已知圖像圓半徑Hough變換和未知圖像圓半徑Hough變換兩種。對于 本問題，當(dāng)然屬于后者，因?yàn)榈厍虺上窈笏纬蓤D像圓的半徑是無法提前精確獲取的，一種 快速的未知圖像圓半徑的Hough變換方法如下：
[0048] 首先，對于圓的檢測，利用梯度信息，Ballard用下式檢測圓
[0049] xo = x±r cos(h) (4)
[0050] y〇 = y±r sin(h) (5)
[0051] 式中，（xo，yo)為圓心坐標(biāo)，h為圓邊緣點(diǎn)(x，y)處梯度方向角，r為圖像圓半徑。
[0052] 基于上述公式，檢測步驟如下：
[0053] 1.首先根據(jù)先驗(yàn)知識或者已知數(shù)據(jù)估計(jì)參數(shù)半徑r的變化范圍rG[rmin， rmax]以及 步長A r大小。
[0054] 對于本問題，地球成像后成像面上近似圓形的半徑r范圍確定如下：
[0055] 首先，相機(jī)成像示意圖如圖2所示，圖中，R為相機(jī)可分辨到的大氣層高度，變化范 圍尺￡[6371，6371+120];11為衛(wèi)星高度，已知值 ；0為半張角，大小5 = [151:11(////(//十/?,.)')，拖 為地球半徑，則由此可確定半張角d的范圍；f為相機(jī)焦距，已知值;r為地球成像后成像面上 近似圓形的半徑，由，可確定 r的范圍r G [rmin，rmax];步長A r由敏感器控制器的 計(jì)算能力以及精度要求等決定，如果控制器的計(jì)算能力強(qiáng)，那步長就可以選的小一點(diǎn)，不僅 滿足姿態(tài)精度要求，同時滿足姿態(tài)實(shí)時性的要求。
[0056] 從半徑r〇 = ;rmin開始，每一次循環(huán)半徑增加 A r，直至r = rmax，對于任一循環(huán)，半徑ri = rmin+ ArXi，（i=0，l"_m)，其中m為循環(huán)的總次數(shù)，表達(dá)式
將每一邊緣坐 標(biāo)點(diǎn)（Xj，yj)( j = l，…n)及其梯度方向角hj依次代入上述(4)和(5)Ballard公式中，計(jì)算出 圓心坐標(biāo)(X_，y(^)，其中j表示有效和無效邊緣點(diǎn)總個數(shù)，然后將計(jì)算所得的圓心坐標(biāo)四 舍五入取整，上述各個邊緣點(diǎn)坐標(biāo)是在以圖像左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，向右為x軸，向上為y軸的 坐標(biāo)系下表示。為防止計(jì)算得到的整數(shù)圓心坐標(biāo)為負(fù)數(shù)，將原有坐標(biāo)系分別沿x軸，y軸負(fù)方 向平移1024個像素點(diǎn)，平移后得到新的正的整數(shù)圓心坐標(biāo)值，以新坐標(biāo)值為二維數(shù)組的坐 標(biāo)值，二維數(shù)組的值統(tǒng)計(jì)累加該二維坐標(biāo)值出現(xiàn)的次數(shù)，遍歷所有的邊緣點(diǎn)，最后由累加次 數(shù)峰值確定此次循環(huán)r = ri時的圓參數(shù)ci= {x〇i，y〇i，ri}，每一次循環(huán)確定一組參數(shù)ci = {X〇1，yQl，ri}和累加次數(shù)L。通過此次循環(huán)累加次數(shù)心和上一次循環(huán)累加次數(shù)Kh的比較，記 錄比較高的累加次數(shù)K max以及相應(yīng)的圓參數(shù)(^=%々，1?}，當(dāng)^ = ^』寸，最終確定的圓參 數(shù)cmax = {Xo，Yo，R}為有效邊緣像素級圓心坐標(biāo){Xo，Yo}以及半徑R。
[0057] (4)和(5)Ballard公式均取正號即可，灰度梯度方向角h的正弦和余弦計(jì)算如下：
[0058] sin (/7) = .v, j小+ s:' (6)
[0059 ] cos (/?) = s, j \ + .v, (7)
[0060]其中Sx，Sy由（2)和(3)計(jì)算可得。
[00611 2.未知半徑Hough變換得到像素級圓心坐標(biāo){XQ，YQ}以及半徑R，如果某邊緣點(diǎn)為有 效邊緣點(diǎn)，即圓周上的邊界點(diǎn)，則該點(diǎn)與像素級圓心坐標(biāo){Xo，Yo}之間距離滿足：
[0062] -丨~(x廠人孓沢 +1 (8)
[0063] 不符合關(guān)系式(8)的干擾邊緣點(diǎn)將被刪除，從而獲得有效邊緣。
[0064] 第四，應(yīng)用最小二乘擬合有效邊緣中心；
[0065] 得到有效邊緣之后，接下來應(yīng)用最小二乘擬合有效邊緣中心。
[0066] 對給定的一組數(shù)據(jù)點(diǎn)(Xk，yk)(k=l，…1)，1為數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)，至少為3,設(shè)與該組數(shù)據(jù) 點(diǎn)的距離的平方和為最小的圓的方程為：
[0067] (x-xo)2+(y-yo)2 = r2 (9)
[0068] 式中（x，y)表示上述圓周上的坐標(biāo)值，（XQ，yQ)表示上述圓的圓心坐標(biāo)，r表示上述 圓的半徑。
[0069] 又設(shè)ai= Exk，bi= Eyk，a2 = E (xk)2，b2= E (yk)2，a3= E (xk)3，b3= E (yk)3，cii =
E (xk)2*yk。
[0070] 設(shè)f(x〇，y()，R) = E ((xk-XQ)2+(yk-yQ)2-r2)2,分別令 即
[0071] -4 E ((xk-xo) 2+ (yk-yo)2) (xk~x〇) = 0
[0072 ] -4 E ((xk-xo) 2+ (yk-yo) 2-R2) (yk~yo) = 0
[0073] -4E ((xk-xo)2+(yk-yo)2)r = 0
[0074] 將81，131，32，匕2,33，匕3，(311，(312,〇21代入上面三個方程整理得：
[0075] ai( (xo)2+(yo)2)-2a2X〇-2cnyo+a3+ci2-r2ai = 0
[0076] bi( (xo)2+(yo)2)-2cnx〇-2b2yo+C2i+b3-r2bi = 0
[0077] n( (xo)2+(yo)2)-2aix〇-2aixo+a2+b2-lr2 = 0 [0078] 解得圓心坐標(biāo)及半徑為：
[0082] (10)、（11)、（12)計(jì)算所得結(jié)果是坐標(biāo)數(shù)值結(jié)果，沒有實(shí)際物理意義，第五步中需 要有物理意義的結(jié)果，設(shè)單位像素長度為d，給上述（10)、（11)、（12)計(jì)算結(jié)果都乘以單位像 素長度d，所得結(jié)果為有長度物理意義的圓心坐標(biāo)和半徑：
[0083] Cx=xo X d (13)
[0084] Cy = yo X d (14)
[0085] R = r X d (15)
[0086]第五，計(jì)算衛(wèi)星對地的滾動角和俯仰角。
[0087]在計(jì)算衛(wèi)星姿態(tài)角之前，首先建立衛(wèi)星姿態(tài)坐標(biāo)系0_XYZ(如附圖3)和敏感器坐標(biāo) 器0-XtYtZt。衛(wèi)星姿態(tài)坐標(biāo)系0-XYZ定義如下：原點(diǎn)0為衛(wèi)星質(zhì)心，0X軸指向衛(wèi)星飛行方向，0Z 軸指向地心，0Y軸由右手定則確定。敏感器坐標(biāo)器Ot-XtYtZt各個坐標(biāo)軸均與衛(wèi)星姿態(tài)坐標(biāo) 系坐標(biāo)軸平行，唯一不同原點(diǎn)〇t位于敏感器的質(zhì)心。
[0088]根據(jù)上述坐標(biāo)系的定義，姿態(tài)角有如下說明：衛(wèi)星繞X軸旋轉(zhuǎn)為滾動角，繞Y軸旋轉(zhuǎn) 為俯仰角，繞Z軸旋轉(zhuǎn)為偏航角，均以繞X軸，Y軸，Z軸正向旋轉(zhuǎn)為正的姿態(tài)角。
[0089]在此基礎(chǔ)上，確定衛(wèi)星的滾動角巾和俯仰角0:附圖3中，0為半張角，由附圖2可得 /《=/~"(》），式中，R由（15)求得，f已知，則半張角0有：
(16)
[0091] 設(shè)地心在成像面中的坐標(biāo)為(Mx，My)，由圖像幾何中心即最小二乘所得的有效邊緣 中心坐標(biāo)為(C x，Cy)，其中地心在成像面中的坐標(biāo)(Mx，My)有：
[0092] Mx=f*tan9 (17)
[0093] My = f*tan <}) (18)
[0094]推導(dǎo)有效邊緣中心坐標(biāo)(Cx，Cy)的計(jì)算表達(dá)式，為說明問題簡單起見，假設(shè)衛(wèi)星滾 動角巾=〇,俯仰角0辛〇,則成像面上在X軸方向距離有效邊緣中心最遠(yuǎn)點(diǎn)和最近點(diǎn)的坐標(biāo) 分別為
.則有效邊緣中心X坐標(biāo)為:Cx=X max-Xmin，即： (19)
[0096] 同理可得：
^20；
[0098] 在滾動角巾和俯仰角0為小角度下，由（17)和(19)、（18)和(20)可得：
[0099] (21)
[0100] yW,. %-Cr*cos?(C) (22)
[0101]故由（17)和(21)、（18)和(22)以及半張角斤計(jì)算公式（16)可得衛(wèi)星滾動角巾和俯 仰角9有：
[0104]第六，計(jì)算衛(wèi)星對地偏航姿態(tài)角。
[0105] 首先如圖4所示，建立數(shù)字式太陽敏感器的測量坐標(biāo)系〇-xssyssZss，其中， 〇Zss軸沿 碼盤平面的法線方向，〇Xss軸沿太陽光入射的狹縫方向，依右手正交定確定〇y ss軸，則太陽 方向矢量在測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為
[0106] Sss=[Sssx Sssy Sssz]T (25)
[0107] 基于太陽敏感器的測量模型，太陽敏感器的測量值滿足：
[0109] a是太陽方向矢量在太陽敏感器的測量坐標(biāo)系yss0Zss平面投影與0Zss軸的夾角。
[0110]根據(jù)太陽星歷表數(shù)據(jù)可以計(jì)算出測量時刻太陽在黃道上的赤經(jīng)和赤煒，依此可以 確定太陽矢量S在地心赤道慣性坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為S:，即：
[0111] Si=[cos8s cosas cos8s sinas sin8s]T (27)
[0112] 式中<^，5S分別為太陽矢量方向的赤經(jīng)和赤煒，地心赤道慣性坐標(biāo)系〇e-xiyizi原點(diǎn) 在地心， XI軸指向赤道平面與黃道平面相交節(jié)線的升交點(diǎn)（指向春分點(diǎn)Y )，ZI軸與地球的自 旋軸平行，yi軸與xi和yi軸組成右手正交坐標(biāo)系。
[0113] 然后，根據(jù)測量時刻的軌道根數(shù)可以計(jì)算出軌道坐標(biāo)系相對于地心赤道慣性坐標(biāo) 系的轉(zhuǎn)換矩陣，計(jì)算公式如下：
[0114] 0 10 eos? sinz/ 0 1 0 0 cosO sinO 0 Ccii = 0 0 -1 -sin? cos? 0 x 0 cos/ sim: - sin.D cosO 0 (28) -1. 0 0 0 0 1 0 -sin? cos/ 0 0 1
[0115] 式中i為軌道傾角，Q為升交點(diǎn)赤經(jīng)，u為軌道煒度幅角，軌道坐標(biāo)系O-Xoyoz。其原 點(diǎn)在衛(wèi)星的質(zhì)心，衛(wèi)星的軌道平面是坐標(biāo)平面，由質(zhì)心指向地心的坐標(biāo)軸是z。軸，X。軸在軌 道平面上與Z。垂直，指向衛(wèi)星的速度方向，y。軸與x。，z。組成右手正交坐標(biāo)系。
[0116] 則可以導(dǎo)出太陽方向矢量S在軌道坐標(biāo)系中的坐標(biāo)So為：
[0117] So = C〇iSi (29)
[0118] Coi表示地心慣性坐標(biāo)系到軌道坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣。
[0119] 把太陽矢量由軌道坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成太陽敏感器的測量坐標(biāo)系的表達(dá)式為：
[0120] Sss = DssBCb〇So (30)
[0121] 式中：So由（29)求得，Cb。為由軌道坐標(biāo)系到衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)矩陣，如果 首先按zb旋轉(zhuǎn)，接著按中間坐標(biāo)系y軸旋轉(zhuǎn)，最后以新坐標(biāo)系的x軸旋轉(zhuǎn)，則旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系C b。表 達(dá)式如下； 1 0 0 cos^ 0 -sin^9 cos^/ sim// 0
[0122] Q0(z_r-v)~ ^ cos^ sin多 0 10 -sin^/ cos^ 0 0 -sin^ cos^ sin #9 0 cos & 0 0 1 cos^cos*// cos ^ sin -sin 6^
[0123] = sin ^sin ^cos y/ - cos ^sin y/ sin ^)sin ^9sin y/ -\- cos (/) cos (// sin ^ cos 6* 01) cos </>sin 0 cos y/ + sin ^)sin y/ cos ^sin -;9sin y/ - sin ^cos v/ cos ^cos 6^
[0124] 式中衛(wèi)星的滾動角d)和俯仰角e已由地球可見光敏感器求得，只有偏航角id為未知 量，又DssB為太陽敏感器相對衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的安裝矩陣，為已知量，可有如下表達(dá)式： ^AX ^AZ
[0125] DssB = SBX SBY Sm (3:2) _^cx ^cy ^cz_
[0126]式中5纟\、3纟￥、5纟2分別表；^太陽敏感器133軸與星體坐標(biāo)系11 ]、：^、21]三軸的夾角余弦 值，Sbx、Sby、Sbz分別表亦太陽敏感器yss軸與星體坐標(biāo)系xb、yb、zb三軸的夾角余弦值，Scx、Scy、 Scz分別表示太陽敏感器z ss軸與星體坐標(biāo)系xb、yb、zb三軸的夾角余弦值。
[0127] 太陽矢量在軌道坐標(biāo)系下坐標(biāo)So表示成為三軸分量形式為：
[0128] S〇=[S0x S0y S0z]T (33)
[0129] 又記 1 0 0 cos 沒 0 sin &
[0130] Cri^^j= 0 cos^ sin^ 0 1 0 (34) 0 -sin(j) cos(j> -sin(9 0 cos^
[0131] 將式(31)、（32)帶入(30)，可得： Xx_ ~ ^BZ ] ^bo{l-Y-X) ^〇Y S0Z
[0132] 〇:]卜畔 ^bz^\^vx[0^) ^0y ~^0x 0 sin(35) _0 0 1 _ Xx-
[0133] SisZ=[Scx SCi Scz}Cho[z_y_x] S〇r J〇Z_ S.ox SoY 0 cos
[0134] =[^c_r ^cr ^cz]^1T(^) ^〇y ~^〇x ? sin ^ (36) L 0 0 1」 、
[0135] 將式(35)、（36)帶入(26)，可得：
[0136] Aicosit+A2sinit+A3 = 0 (37)
[0137] 求此方稆可以求得衛(wèi)星對地的偏航角為：
(38)
[0139] 式中可由下式求得： 4 Sox SoY 0 cos沒 0 -sin 0 1 0 0 A7 - SoY -Sox 〇 x〇l 0 0 cos 沴 sin 於 A% 0 0 S、、 T sin 6 0 cos^ 0 -sin^ eos^
[0140] L 3 j rrLn 乂 - 」L 」 （39) s'BX scx < SBY - tana 5^r > l^zj UJ
[0141] 首先衛(wèi)星攜帶的可見光地球敏感器的CMOS成像器件對空間中地球成像，然后輸入 圖像，其次檢測所得圖像邊緣以及剔除干擾邊緣，從而得到地球成像圖像的最終有效邊緣， 再者應(yīng)用最小二乘擬合出有效邊緣的中心位置，接著，根據(jù)圖像中心位置坐標(biāo)及衛(wèi)星姿態(tài) 角為小角度假設(shè)下近似計(jì)算衛(wèi)星滾動和俯仰兩軸姿態(tài)角，最后，利用太陽敏感器的測量原 理以及已計(jì)算得到的衛(wèi)星對地滾動和俯仰姿態(tài)角信息確定衛(wèi)星的偏航角。至此，衛(wèi)星對地 的三軸姿態(tài)角均已確定，最終可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對地球的可持續(xù)觀察。
[0142] 本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于可見光地球敏感器和太陽敏感器的衛(wèi)星姿態(tài)確定方法，其特征在于包括如下步 驟： (1) 利用可見光地球敏感器中的CMOS成像器件對地球進(jìn)行成像，獲取輸入圖像； (2) 對所述的輸入圖像進(jìn)行預(yù)處理，去除噪聲，平滑圖像； (3) 對步驟(2)獲取的圖像進(jìn)行邊緣檢測，獲取有效邊緣； (4) 對所述有效邊緣進(jìn)行擬合，獲取有效邊緣中心和半徑； (5) 計(jì)算獲得衛(wèi)星對地的滾動角Φ和俯仰角Θ，其中(Cx，Cy)為有效邊緣中心坐標(biāo)：~R為有效邊緣的半徑，f為CMOS成像器件的焦距； (6 )計(jì)算獲得衛(wèi)星對地的偏航角 其中，DssB為太陽敏感器相對衛(wèi) 星本體坐標(biāo)系的安裝矩陣，，式中Sax、Say、Saz分別表不太陽敏感器測 量坐標(biāo)系Xss軸與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系xb、yb、zb三軸的夾角余弦值，Sbx、Sby、Sbz分別表不太陽敏感 器測量坐標(biāo)系yss軸與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系xb、yb、zb三軸的夾角余弦值，S〇(、Sct、S(；z分別表不太陽 敏感器測量坐標(biāo)系z ss軸與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系xb、yb、zb三軸的夾角余弦值;S〇= [S〇x S〇y S〇z]T 為太陽矢量在軌道坐標(biāo)系下的三軸分量形式，α是太陽方向矢量在太陽敏感器測量坐標(biāo)系 yssozss平面投影與ozss軸的夾角。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可見光地球敏感器和太陽敏感器的衛(wèi)星姿態(tài)確定方法， 其特征在于:所述步驟（1)中的輸入圖像應(yīng)滿足:CMOS成像器件所成地球圖像地平輪廓有效 弧長占到總弧長的50%。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于可見光地球敏感器和太陽敏感器的衛(wèi)星姿態(tài)確定方 法，其特征在于:所述步驟(2)中平滑圖像的方法為3X3卷積模板的中值濾波。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于可見光地球敏感器和太陽敏感器的衛(wèi)星姿態(tài)確定方 法，其特征在于:所述步驟(3)中邊緣檢測的方法為:首先采用Sobel算子檢測所有的邊緣， 然后采用Hough變換檢測出有效邊緣。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于可見光地球敏感器和太陽敏感器的衛(wèi)星姿態(tài)確定方 法，其特征在于:所述步驟(4)中對有效邊緣進(jìn)行擬合的方法為最小二乘法。
【文檔編號】G01C21/24GK105928527SQ201610262687
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】萬小波, 張曉敏
【申請人】航天東方紅衛(wèi)星有限公司