一种高精度智能遥感小卫星的实现方法技术

本发明专利技术提供一种高精度智能遥感小卫星的实现方法，在小卫星平台上即可实现高精度图像定位、高分辨率成像、单线阵立体测绘成像及在轨智能处理、自主任务规划等功能。与之前的技术相比，本发明专利技术具有功能密度高、质量体积小、敏捷机动性强、定位精度高、智能化等优点，可促进同类型卫星技术的发展，为实现航天产品向轻小型化、高精度、智能化、批量化方向发展提供技术支持。支持。支持。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度智能遥感小卫星的实现方法


[0001]本专利技术属于空间遥感卫星
涉及的一种高精度智能遥感小卫星的实现方法。

技术介绍

[0002]高精度智能遥感小卫星相对于现有的传统遥感及测绘卫星而言，具有功能密度高、质量体积小、敏捷机动性强、成像效率高、定位精度高、成像分辨率高、在轨智能处理以及自主任务规划等优点，能够实现高分辨率推扫成像、单线阵立体测绘成像、多目标成像及多条带推扫拼接成像等功能，可获取高精度的地物图像和多维数据，并能够对获取的图像数据进行在轨实时处理及对地实时传输功能，进而实现精确测定地形、地貌、地物的形状、大小、空间位置等信息，在目标监测、地理测绘、国防安全、国土农林资源普查等领域具有极其重要的作用。
[0003]虽然国内外已有多颗传统的测绘或遥感卫星可以获得高分辨率、高精度的成像数据，也可以满足一定应用领域的对地观测需求，但其系统复杂程度较高、重量体积较大、研制及发射成本昂贵，很难满足未来遥感小卫星对于轻小敏捷化、高分辨率、智能化、高精度、高时效性以及产业化的发展要求。如国内新近发射的“高分七号”卫星，质量约为2800kg，卫星配置1台双线阵相机(双镜头)和1台激光测高仪，其中，双线阵相机采用“前后视”成像方式可有效实现卫星立体测图，地面分辨率为0.8m，无控制点定位精度优于10米。国外的Worldview
‑
3卫星重量约为2800kg，地面分辨率优于0.5m，无控制点定位精度约为3.5m，具有较高的图像分辨率和无控制点定位精度。
[0004]随着空间对地遥感技术的普及化和产业化迅猛发展，同时结合国内外在轨及在研卫星的发展现状，可以看出未来遥感卫星的发展趋势为轻小敏捷型、高分辨率、智能化、高精度和高时效性，而显然以上现有的卫星技术并不能完全满足这些条件。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出一种高精度智能遥感小卫星的实现方法，在小卫星平台上即可实现无控制点的高精度图像定位，且配合姿态大角度敏捷机动可实现整星的高分辨率推扫成像、单线阵立体测绘成像以及在轨对天快速标定星/地相机夹角等功能，具备在轨智能图像处理、自主任务规划等能力。通过一种亚角秒级的遥感卫星高精度姿态确定方法、一种姿态快速机动遥感卫星的姿态控制系统设计方法以及一种高精度遥感卫星的星/地相机光轴夹角在轨对天快速标定方法，并结合整星高精度的时统方案和精密定轨技术实现了智能遥感小卫星的无控制点高精度图像定位；同时，通过一种高精度遥感卫星在轨智能化的实现方法，实现了整星的在轨智能图像处理、多系统综合控制及自主任务规划等能力，提高卫星成像效率和使用效能。
[0006]本专利技术采用的技术方案为一种高精度智能遥感小卫星的实现方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一，针对高精度智能遥感小卫星的高精度图像定位需求，进行图像定位精度的影响因素分析，影响因素包括时间同步精度、轨道确定精度、姿态测量和确定精度、光轴指向稳定性和地面系统标校处理几个方面；
[0008]其中，姿态测量和确定精度方面，通过一种亚角秒级的遥感卫星高精度姿态确定方法进行高精度姿态测量和图像定位，具体实现方式如下：
[0009]步骤S1，将两台或多台高精度星相机或星敏感器、一套三轴高频角位移测量设备直接安装在星上有效主载荷，即高分相机的主承力结构上，进行共基准安装，实现结构热控一体化设计，并通过高稳定性的一体化结构设计和精密控温技术来保证高分相机的内方位元素及光轴指向稳定性，从而保证高分相机光轴与高精度星相机或星敏感器光轴之间的夹角稳定性，同时在卫星平台上安装三轴光纤陀螺；
[0010]步骤S2，将步骤S1中安装的设备联同星上有效主载荷即高分相机，一起均采用统一的高精度时间基准，由GNSS秒脉冲进行高精度时间同步，精度达到微秒量级；
[0011]步骤S3，利用高精度星相机或星敏感器和三轴光纤陀螺进行在轨实时组合定姿，用于卫星姿态控制，得到角秒级的卫星在轨实时姿态确定精度；
[0012]步骤S4，利用联合高精度星相机、三轴光纤陀螺、三轴高频角位移测量设备测量数据和星敏感器进行地面的高精度组合定姿，得到亚角秒级的卫星姿态确定精度；
[0013]步骤二，通过在轨智能化处理方法提高卫星的成像效率和在轨使用效能，具体实现方式如下：
[0014]首先，搭建星上在轨智能化处理的开放式硬件平台，同时小卫星设计的高速上行通道可实时上注并更新配置算法；
[0015]其次，通过配置人工智能算法，完成卫星的在轨自主任务规划、多系统综合控制及图像实时智能处理；
[0016]最后，通过将地面定标结果与人工智能算法进行融合、优化并实时上注更新，完成人工智能算法与定量遥感的在轨融合。
[0017]进一步的，高精度图像定位影响因素的光轴指向稳定性方面，通过一种高精度智能遥感卫星的星相机、地相机光轴夹角在轨对天快速标定方法进行在轨标定，提高整星光轴指向确定精度及稳定性，此处地相机即为星上有效主载荷高分相机，具体实现方式如下；
[0018]步骤P1，卫星对地观测作业前，通过姿态快速机动，使星相机和地相机分别对准预定天区，同时进行恒星成像，获取预定天区星图数据；
[0019]步骤P2，对地相机线阵推扫星图进行处理，计算恒星在地相机测量坐标系中的方向矢量；
[0020]步骤P3，求取观测时刻星相机和地相机在J2000坐标系下的姿态矩阵；
[0021]步骤P4，计算地相机到星相机的安装矩阵，使用多组同帧观测星图对星相机和地相机夹角进行标定。
[0022]进一步的，高精度智能遥感卫星的星相机、地相机光轴夹角在轨对天快速标定方法中，星相机和地相机夹角在进行标定过程中，需要满足卫星姿态大角度快速机动的需求，因此，通过一种姿态快速机动遥感卫星的姿态控制系统设计方法进行小卫星的姿态控制，具体实现方式如下：
[0023]首先，以任务为导向进行差异化执行机构选型的配置，其中任务包括常态化低能
耗的三轴稳定姿态控制、惯常机动方向上的姿态快速机动；
[0024]其次，通过具有先验自控状态信息的小卫星姿态确定传感器配置，在已知卫星常态化姿态任务模式的条件下，以卫星姿态确定精度要求和相对主要亮天体的角位置关系，确定姿态传感器的安装位置和性能指标；
[0025]最后，结合差异化执行机构进行系统姿态控制算法配置，实现小卫星的高稳定度控制。
[0026]进一步的，步骤S3中利用高精度星相机或星敏感器和三轴光纤陀螺的测量值作为输入，选用扩展卡尔曼滤波方法，对卫星的姿态进行实时估计，得到角秒级的卫星在轨实时姿态确定精度。
[0027]进一步的，步骤S4中将高精度星相机、星敏感器、三轴光纤陀螺以及三轴高频角位移测量设备的原始数据下传至地面，利用联合高精度星相机、三轴光纤陀螺、三轴高频角位移测量设备测量数据和星敏感器进行地面的高精度组合定姿，选取扩展卡尔曼滤波方法，得到亚角秒级定姿精度。
[0028]进一步的，步骤P2包括以下几个子步骤：
[0029]步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高精度智能遥感小卫星的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，针对高精度智能遥感小卫星的高精度图像定位需求，进行图像定位精度的影响因素分析，影响因素包括时间同步精度、轨道确定精度、姿态测量和确定精度、光轴指向稳定性和地面系统标校处理几个方面；其中，姿态测量和确定精度方面，通过一种亚角秒级的遥感卫星高精度姿态确定方法进行高精度姿态测量和图像定位，具体实现方式如下：步骤S1，将两台或多台高精度星相机或星敏感器、一套三轴高频角位移测量设备直接安装在星上有效主载荷，即高分相机的主承力结构上，进行共基准安装，实现结构热控一体化设计，并通过高稳定性的一体化结构设计和精密控温技术来保证高分相机的内方位元素及光轴指向稳定性，从而保证高分相机光轴与高精度星相机或星敏感器光轴之间的夹角稳定性，同时在卫星平台上安装三轴光纤陀螺；步骤S2，将步骤S1中安装的设备联同星上有效主载荷即高分相机，一起均采用统一的高精度时间基准，由GNSS秒脉冲进行高精度时间同步，精度达到微秒量级；步骤S3，利用高精度星相机或星敏感器和三轴光纤陀螺进行在轨实时组合定姿，用于卫星姿态控制，得到角秒级的卫星在轨实时姿态确定精度；步骤S4，利用联合高精度星相机、三轴光纤陀螺、三轴高频角位移测量设备测量数据和星敏感器进行地面的高精度组合定姿，得到亚角秒级的卫星姿态确定精度；步骤二，通过在轨智能化处理方法提高卫星的成像效率和在轨使用效能，具体实现方式如下：首先，搭建星上在轨智能化处理的开放式硬件平台，同时小卫星设计的高速上行通道可实时上注并更新配置算法；其次，通过配置人工智能算法，完成卫星的在轨自主任务规划、多系统综合控制及图像实时智能处理；最后，通过将地面定标结果与人工智能算法进行融合、优化并实时上注更新，完成人工智能算法与定量遥感的在轨融合。2.如权利要求1所述的一种高精度智能遥感小卫星的实现方法，其特征在于：高精度图像定位影响因素的光轴指向稳定性方面，通过一种高精度智能遥感卫星的星相机、地相机光轴夹角在轨对天快速标定方法进行在轨标定，提高整星光轴指向确定精度及稳定性，此处地相机即为星上有效主载荷高分相机，具体实现方式如下；步骤P1，卫星对地观测作业前，通过姿态快速机动，使星相机和地相机分别对准预定天区，同时进行恒星成像，获取预定天区星图数据；步骤P2，对地相机推扫星图进行处理，计算恒星在地相机测量坐标系中的方向矢量；步骤P3，求取观测时刻星相机和地相机在J2000坐标系下的姿态矩阵；步骤P4，计算地相机到星相机的安装矩阵，使用多组同帧观测星图对星相机和地相机夹角进行标定。3.如权利要求2所述的一种高精度智能遥感小卫星的实现方法，其特征在于：高精度智能遥感卫星的星相机、地相机光轴夹角在轨对天快速标定方法中，星相机和地相机夹角在进行标定过程中，需要满足卫星姿态大角度快速机动的需求，因此，通过一种姿态快速机动遥感卫星的姿态控制系统设计方法进行小卫星的姿态控制，具体实现方式如下：
首先，以任务为导向进行差异化执行机构选型的配置，其中任务包括常态化低能耗的三轴稳定姿态控制、惯常机动方向上的姿态快速机动；其次，通过具有先验自控状态信息的小卫星姿态确定传感器配置，在已知卫星常态化姿态任务模式的条件下，以卫星姿态确定精度要求和相对主要亮天体的角位置关系，确定姿态传感器的安装位置和性能指标；最后，结合差异化执行机构进行系统姿态控制算法配置，实现小卫星的高稳定度控制。4.如权利要求1所述的一种高精度智能遥感小卫星的实现方法，其特征在于：步骤S3中利用高精度星相机或星敏感器和三轴光纤陀螺的测量值作为输入，选用扩展卡尔曼滤波方法，对卫星的姿态进行实时估计，得到角秒级的卫星在轨实时姿态确定精度。5.如权利要求1所述的一种高精度智能遥感小卫星的实现方法，其特征在于：步骤S4中将高精度星相机、星敏感器、三轴光纤陀螺以及三轴高频角位移测量设备的原始数据下传至地面，利用联合高精度星相机、三轴光纤陀螺、三轴高频角位移测量设备测量数据和星敏感器进行地面的高精度组合定姿，选取扩展卡尔曼滤波方法，得到亚角秒级定姿精度。6.如权利要求2所述的一种高精度智能遥感小卫星的实现方法，其特征在于：步骤P2包括以下几个子步骤：步骤2.1，建立星相机成像时刻的地相机测量坐标系；步骤2.2，计算地相机线阵推扫星图中恒星在成像时刻瞬时相机坐标系内单位方向矢量w
cj
′
；步骤2.3，计算地相机成像时刻t
cj
时刻瞬时相机坐标系到星相机成像时刻t
si
时刻地相机测量坐标系的转换矩阵步骤2.4，计算步骤2.2得到的单位方向矢量w
cj
′
在地相机测量坐标系内单位方向矢量w
cj
；由步骤2.3计算得到的转换矩阵可得步骤2.2所得单位方向矢量w
cj
′
在地相机测量坐标系O
Mi
‑
X
Mi
Y
Mi
Z
Mi

【专利技术属性】
技术研发人员：龚健雅，曾国强，高玉东，左玉弟，黄頔，李志军，孙恒青，夏先齐，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：