本发明专利技术公开了一种顾及卫星姿态变化规律性和周期性的卫星姿态模型构建方法，该方法通过充分顾及卫星固有的姿态振动频率的方式进行合理的构建卫星姿态模型。构建的姿态模型包含两部分：一般多项式部分和三角多项式部分，一般多项式部分涵盖卫星姿态信号中的平滑部分，三角多项式部分包含卫星姿态信号中的周期性和规律性部分，通过以上两部分的独立拟合与联合构建最终实现最优化卫星姿态模型的建立。该方法在充分顾及卫星自身特有规律的前提下，具有高精度姿态拟合的特点，能够利用该模型进行卫星姿态的插值，并能有效的抑制姿态数据中的异常值，且对姿态中混杂的白噪声也可进行有效地抑制。
【技术实现步骤摘要】
一种基于频域分析的卫星姿态模型构建方法
本专利技术涉及卫星姿态后处理
，特别涉及一种基于频域分析的卫星姿态模型构建方法，应用于卫星摄影测量的地面定位。
技术介绍
目前，随着高分辨率遥感卫星的地面分辨率不断的提高，卫星姿态精度成为制约卫星测绘朝大比例尺测图方向发展的主要瓶颈之一。由于卫星星上载荷的能源分配、姿态测量系统的硬件设备的限制、数据下传通道的带宽和地面存储设备的容量限制等原因，无法根据影像逐行的测量及记录下传姿态数据，而是采用固定频率采样的方法获取姿态数据。等间隔的姿态采样可以很好解决获取传输等问题，对于通过抽稀得到的离散姿态数据，离散的数值在定位测图计算时需采用内插的方法获得离散点间的数据，这样必然会引起姿态数据的失真，即利用内插的姿态数据进行地面几何定位计算时会带来误差，因此有必要通过适宜的姿态模型的构建来逼近卫星真实的测图姿态。传统的姿态获取方法一般主要包括两种：拉格朗日内插法[龚辉.基于四元数的高分辨率卫星遥感影像定位理论与方法研究[D].郑州：信息工程大学，2011][CLIVEFRASER，JULIANGSHAO.ExteriorOrientationDeterminationofMOMS-02Three-LineImagery：ExperienceswithAustralianTestfieldData[J].InternationalArchivesofPhotogrammetryandRemoteSensing，1996，31(3)：207-214.]和一般多项式拟合[袁修孝，曹金山.高分辨率卫星遥感精确对地目标定位理论与方法[M]，北京：科学出版社，2012：98-110.][DongseokShin，JohnK.Pollard，Jan-PeterMuller.“[AccurategeometriccorrectionofATSRimages，”.IEEETRANSACTIONS0NGEOSCIENCEANDREMOTESENSING，VOL.35，N0.4，JULY1997]。还有一些数学上应用较多的内插方法如：连分式插值方法、一元全区间插值、一元三点插值、艾特金逐步差值和光滑插值等[范城城，王密，朱映等.ZY-3卫星姿态插值与拟合方法研究[J].测绘通报，2015(1)：15-21，30.]。卫星在轨飞行过程中，由于星上太阳翼帆板转动、动量轮固有频率等综合影响，卫星姿态呈现高频周期性变化，这一姿态变化量很小，一般多项式拟合法在进行姿态值的整体拟合时无法反映这一变化量。而对于拉格朗日内插法，高阶插值虽然顾及了内插点周围的姿态值，但是计算量较大，且容易受到异常值的影响，同时也无法反应姿态中周期项；总的来看目前姿态内插方法的优缺点如表1所示。表1常见姿态内插算法比较针对传统姿态内插方法的特点，本专利技术提供一种新的姿态获取方法，克服拉格朗日插值法稳定性差、一般多项式精度低和数学方法插值适应性差的缺点，充分顾及卫星平台自身的特性，构建卫星姿态的函数模型。
技术实现思路
为此，本专利技术提出一种基于频域分析的卫星姿态模型构建方法，可充分地消除由于现有技术的限制和缺陷导致的一个或多个问题。本专利技术另外的优点、目的和特性，一部分将在下面的说明书中得到阐明，而另一部分对于本领域的普通技术人员通过对下面的说明的考察将是明显的或从本专利技术的实施中学到。通过在文字的说明书和权利要求书及附图中特别地指出的结构可实现和获得本专利技术目的和优点。本专利技术提供了一种基于频域分析的卫星姿态模型构建方法，其中，所述方法包括以下步骤：步骤1，获取以归一化四元数形式表示的卫星姿态数据；步骤2，对通过步骤1获得的所述卫星姿态数据进行频域分析，步骤2具体包括以下子步骤：步骤2.1，根据下述公式将卫星姿态数据的表达形式由归一化四元数的形式转换为欧拉角形式；其中，q1、q2和q3表示归一化四元数的虚部，q4表示归一化四元数的实部，q4的计算公式为Roll、Pitch和Yaw分别为以欧拉角形式表示的横滚角、俯仰角和偏航角，Aeular表示转换后的三轴欧拉角矩阵。步骤2.2，将通过步骤2.1获得的欧拉角形式的卫星姿态数据从惯性坐标系转换至轨道坐标系，得到轨道坐标系下的姿态值角度矩阵Abody_orbit＝[RolloriPitchoriYawori]T；其中，Rollori、Pitchori和Yawori分别为经过步骤2.1和2.2处理后的横滚角、俯仰角和偏航角。步骤2.3，利用一般多项式对卫星姿态数据进行拟合，获得包含频率及相应振幅的姿态数据；步骤2.3具体包括以下步骤：步骤2.3.1，确定一般多项式的拟合公式：f(x)＝a0+a1x+L+anxn(1)式中，f(x)表示拟合结果，a0～an为拟合系数，n为拟合阶数，优选的，n＝8：步骤2.3.2，采用最小二乘估计法求解多项式系数和其中，和分别表示Roll、Pitch和Yaw这三个角度对应的一般多项式的系数；步骤2.3.3，将通过步骤2.3.2求得的多项式系数和代入公式(1)，可得拟合公式(2)：式中，t表示时间变量，fRoll(t)、fPitch(t)和fYaw(t)分别表示Rollort、Pitchort和Yawori拟合后的姿态值；步骤2.3.4，对通过步骤2.3.3得到的fRoll(t)、fPitch(t)和fYaw(t)进行离散处理，得到拟合后的离散姿态值：其中，表示拟合后的离散姿态值，和分别表示横滚角、俯仰角和偏航角的拟合后的离散姿态值；步骤2.3.5，将通过步骤2.2得到的姿态值Abody_orbit与通过步骤2.3.4得到的拟合后的离散姿态值进行差值计算，如下式所示：式中，表示卫星姿态数据的差值，该差值为包含频率及相应振幅的姿态数据；步骤2.4，采用快速傅里叶变换对进行频域分析，以探测卫星姿态数据的频率区域；步骤3，构建卫星姿态模型，步骤3具体包括下述子步骤：步骤3.1，确定频率保留区域；步骤3.2，根据步骤3.1确定的频率保留区域，构建卫星姿态模型中的三角多项式，如下式所示：式中，gRoll(t)、gPitch(t)和gYaw(t)是分别为Roll、Pitch和Yaw构建的与时间变量t相关的三角多项式，和分别是Roll、Pitch和Yaw对应的直流变量，K为频率保留区域，k为K频率区域对应的频率(第一个频率区域K＝1对应27项三角函数式，第二个频率区域K＝2对应38项三角函数式)，和分别表示Roll、Pitch和Yaw在K频率区域对应的傅里叶系数，ψRoll、ψRoll和ψRoll分别表示Roll、Pitch和Yaw在K频率区域对应的初相位。步骤3.3，构建一般多项式和三角多项式混合的卫星姿态模型，构建的卫星姿态模型如下式所示：其中，HRoll(t)、Hpitch(t)、HYaw(t)分别表示为Roll、Pitch和Yaw构建的姿态模型，fRoll(t)、fpitch(t)、fYaw(t)为步骤2.3建立的一般多项式模型，gRoll(t)、gPitch(t)、gYaw(t)为步骤3.2建立的三角多项式模型。优选的，所述步骤1具体包括：随机抽取一轨卫星下传的数据，得到一组离散的以归一化四元数形式表示的卫星姿态数据。优选的，所述步骤2.2具体包括：步骤2.2.1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于频域分析的卫星姿态模型构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，获取以归一化四元数形式表示的卫星姿态数据；步骤2，对通过步骤1获得的所述卫星姿态数据进行频域分析，步骤2具体包括以下子步骤：步骤2.1，根据下述公式将卫星姿态数据的表达形式由归一化四元数的形式转换为欧拉角形式；其中，q1、q2和q3表示归一化四元数的虚部，q4表示归一化四元数的实部，q4的计算公式为Roll、Pitch和Yaw分别为以欧拉角形式表示的横滚角、俯仰角和偏航角，Aeular表示转换后的三轴欧拉角矩阵。步骤2.2，将通过步骤2.1获得的欧拉角形式的卫星姿态数据从惯性坐标系转换至轨道坐标系，得到轨道坐标系下的姿态值角度矩阵Abody_orbit＝[Rollori Pitchori Yawori]T；其中，Rollori、Pitchori和Yawori分别为经过步骤2.1和2.2处理后的横滚角、俯仰角和偏航角。步骤2.3，利用一般多项式对卫星姿态数据进行拟合，获得包含频率及相应振幅的姿态数据；步骤2.3具体包括以下步骤：步骤2.3.1，确定一般多项式的拟合公式：f(x)＝a0+a1x+L+anxn (1) 式中，f(x)表示拟合结果，a0～an为拟合系数，n为拟合阶数，优选的，n＝8；步骤2.3.2，采用最小二乘估计法求解多项式系数L，L，和L，其中，L，L，和L，分别表示Roll、Pitch和Yaw这三个角度对应的一般多项式的系数；步骤2.3.3，将通过步骤2.3.2求得的多项式系数L，L，和L，代入公式(1)，可得拟合公式(2)：式中，t表示时间变量，fRoll(t)、fPitch(t)和fYaw(t)分别表示Rollori、Pitchori和Yawori拟合后的姿态值；步骤2.3.4，对通过步骤2.3.3得到的fRoll(t)、fPitch(t)和fYaw(t)进行离散处理，得到拟合后的离散姿态值：其中，表示拟合后的离散姿态值，和分别表示横滚角、俯仰角和偏航角的拟合后的离散姿态值；步骤2.3.5，将通过步骤2.2得到的姿态值Abody_orbit与通过步骤2.3.4得到的拟合后的离散姿态值进行差值计算，如下式所示：式中，表示卫星姿态数据的差值，该差值为包含频率及相 应振幅的姿态数据；步骤2.4，采用快速傅里叶变换对进行频域分析，以探测卫星姿态数据的频率区域；步骤3，构建卫星姿态模型，步骤3具体包括下述子步骤：步骤3.1，确定频率保留区域；步骤3.2，根据步骤3.1确定的频率保留区域，构建卫星姿态模型中的三角多项式，如下式所示：式中，gRoll(t)、gPitch(t)和gYaw(t)是分别为Roll、Pitch和Yaw构建的与时间变量t相关的三角多项式，和分别是Roll、Pitch和Yaw对应的直流变量，K为频率保留区域，k为K频率区域对应的频率，和分别表示Roll、Pitch和Yaw在K频率区域对应的傅里叶系数，ψRoll、ψRoll和Roll分别表示Roll、Pitch和Yaw在K频率区域对应的初相位。步骤3.3，构建一般多项式和三角多项式混合的卫星姿态模型，构建的卫星姿态模型如下式所示：其中，HRoll(t)、HPitch(t)、HYaw(t)分别表示为Roll、Pitch和Yaw构建的姿态模型，fRoll(t)、fPitch(t)、fYaw(t)为步骤2.3建立的一般多项式模型，gRoll(t)、gPitch(t)、gYaw(t)为步骤3.2建立的三角多项式模型。...
【技术特征摘要】
1.一种基于频域分析的卫星姿态模型构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，获取以归一化四元数形式表示的卫星姿态数据；步骤2，对通过步骤1获得的所述卫星姿态数据进行频域分析，步骤2具体包括以下子步骤：步骤2.1，根据下述公式将卫星姿态数据的表达形式由归一化四元数的形式转换为欧拉角形式；其中，q1、q2和q3表示归一化四元数的虚部，q4表示归一化四元数的实部，q4的计算公式为Roll、Pitch和Yaw分别为以欧拉角形式表示的横滚角、俯仰角和偏航角，Aeular表示转换后的三轴欧拉角矩阵；步骤2.2，将通过步骤2.1获得的欧拉角形式的卫星姿态数据从惯性坐标系转换至轨道坐标系，得到轨道坐标系下的姿态值角度矩阵Abody_orbit＝[RolloriPitchoriYawori]T；其中，Rollori、Pitchori和Yawori分别为经过步骤2.1和2.2处理后的横滚角、俯仰角和偏航角；步骤2.3，利用一般多项式对卫星姿态数据进行拟合，获得包含频率及相应振幅的姿态数据；步骤2.3具体包括以下步骤：步骤2.3.1，确定一般多项式的拟合公式：f(x)＝a0+a1x+…+anxn(1)式中，f(x)表示拟合结果，a0～an为拟合系数，n为拟合阶数，其中，n＝8；步骤2.3.2，采用最小二乘估计法求解多项式系数和其中，和分别表示Roll、Pitch和Yaw这三个角度对应的一般多项式的系数；步骤2.3.3，将通过步骤2.3.2求得的多项式系数和代入公式(1)，可得拟合公式(2)：式中，t表示时间变量，fRoll(t)、fPitch(t)和fYaw(t)分别表示Rollori、Pitchori和Yawori拟合后的姿态值；步骤2.3.4，对通过步骤2.3.3得到的fRoll(t)、fPitch(t)和fYaw(t)进行离散处理，得到拟合后的离散姿态值：其中，表示拟合后的离散姿态值，和分别表示横滚角、俯仰角和偏航角的拟合后的离散姿态值；步骤2.3.5，将通过步骤2.2得到的姿态值Abody_orbit与通过步骤2.3.4得到的拟合后的离散姿态值进行差值计算，如下式所示：式中，表示卫星姿态数据的差值，该差值为包含频率及相应振幅的姿态数据；步骤2.4，采用快速傅里叶变换对进行频域分析，以探测卫星姿态数据的频率区域；步骤3，构建卫星姿态模型，步骤3具体包括下述子步骤：步骤3.1，确定频率保留区域；步骤3.2，根据步骤3.1确定的频率保留区域，构建卫星姿态模型中的三角多项式，如下式所示：式中，gRoll(t)、gPitch(t)和gYaw(t)是分别为Roll、Pitch和Yaw构建的与...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢俊峰，唐新明，莫凡，付兴科，范大昭，高小明，唐洪钊，祝小勇，窦显辉，申二华，
申请(专利权)人：国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心，
类型：发明
国别省市：北京;11
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