本發(fā)明涉及衛(wèi)星星上有效載荷成像技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及衛(wèi)星結(jié)構(gòu)變形引起的多類型載荷間耦合指向精度評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著高分辨率、高精度成像衛(wèi)星的快速發(fā)展，星上有效載荷成像能力迅速增強(qiáng)的同時(shí)，對(duì)有效載荷指向精度要求也日漸提高，隨之對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和星上載荷安裝結(jié)構(gòu)的精度和尺寸穩(wěn)定性的要求也越來越高。

而在衛(wèi)星全壽命周期中，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和有效載荷安裝結(jié)構(gòu)要經(jīng)歷各種各樣的環(huán)境條件考驗(yàn)，如伴隨著加工裝配過程產(chǎn)生的內(nèi)部殘余應(yīng)力及其重分配和釋放、力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)的考核、轉(zhuǎn)運(yùn)發(fā)射過程產(chǎn)生的外部過載、在軌服役過程經(jīng)歷的軌道熱環(huán)境交變等。這些環(huán)境條件都會(huì)在一定程度上引起衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和星上載荷安裝結(jié)構(gòu)變形，引起星上高精度遙感成像載荷結(jié)構(gòu)及其安裝結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，導(dǎo)致星上有效載荷敏感部件的指向發(fā)生變化，進(jìn)而影響星載儀器的性能。因此，為保證有效載荷的正常工作和衛(wèi)星性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，必須開展衛(wèi)星結(jié)構(gòu)在軌精度和尺寸穩(wěn)定性方面的研究，以高精度載荷安裝結(jié)構(gòu)在軌變形指向?yàn)檠芯繉?duì)象，為了驗(yàn)證全壽命周期中結(jié)構(gòu)精度和穩(wěn)定性的保持能力，需要針對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和有效載荷安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形引起的指向精度分析，研究獲取結(jié)構(gòu)變形對(duì)星上諸如姿態(tài)敏感器件和重要載荷指向的影響及其相互關(guān)系，評(píng)估結(jié)構(gòu)變形對(duì)衛(wèi)星敏感部件的性能影響，進(jìn)而將其用于衛(wèi)星在軌姿態(tài)校正和成像修正等。精確獲取結(jié)構(gòu)在軌變形對(duì)姿態(tài)敏感器指向和高精度載荷指向之間的關(guān)系，評(píng)估并降低結(jié)構(gòu)在軌變形對(duì)星載高精度載荷性能的影響，以滿足新一代高分辨率遙感衛(wèi)星有效載荷高成像分辨率、成像精度和姿態(tài)穩(wěn)定度的研制要求。

典型的遙感成像衛(wèi)星主要載荷通常有光學(xué)載荷(如光學(xué)型姿態(tài)敏感器)和大型微波陣面載荷。這兩類載荷因其工作原理不同，使得結(jié)構(gòu)變形對(duì)載荷敏感部件指向精度的影響機(jī)理和分析方法也不盡相同。

當(dāng)前，針對(duì)光學(xué)載荷安裝結(jié)構(gòu)變形對(duì)載荷指向影響的評(píng)估主要是利用安裝界面上棱鏡的法向角地面測(cè)量結(jié)果進(jìn)行，而針對(duì)大型微波陣面載荷安裝結(jié)構(gòu)變形對(duì)載荷指向影響的評(píng)估主要利用載荷陣面或安裝界面面形特征地面測(cè)量結(jié)果進(jìn)行。雖然利用上述方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)星上結(jié)構(gòu)變形引起的指向變化進(jìn)行評(píng)估，但是仍存在著一些嚴(yán)重不足，主要有：

1)星上結(jié)構(gòu)機(jī)械特征測(cè)量得到的是少量的面形離散數(shù)據(jù)或棱鏡面法向角，而實(shí)際指向評(píng)估則需要包含方位信息的面形指向方位角和姿態(tài)參數(shù)形式的矢量角矩陣等，地面測(cè)量結(jié)果無法直接表征變形引起的指向變化；

2)地面試驗(yàn)條件下無法充分模擬在軌服役期間的軌道環(huán)境，因此，采用上述方法進(jìn)行指向精度評(píng)估，也無法直接應(yīng)用于在軌條件下指向精度評(píng)估；

3)上述方法分別僅能應(yīng)用于配置光學(xué)載荷的結(jié)構(gòu)或配置微波陣面載荷的結(jié)構(gòu)，無法適應(yīng)配置多種類型載荷的結(jié)構(gòu)，且不同類型載荷的安裝結(jié)構(gòu)存在相互參照和耦合影響的情況；

在具體使用過程中，上述方法通常涉及較多的人工干預(yù)和針對(duì)特定目標(biāo)的定制模式，不具有通用數(shù)據(jù)處理和解算能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種衛(wèi)星結(jié)構(gòu)變形引起的多類型載荷間耦合指向精度評(píng)估方法。

根據(jù)本發(fā)明提供的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)變形引起的多類型載荷間耦合指向精度評(píng)估方法，包括如下步驟：

步驟1：建立衛(wèi)星主基準(zhǔn)和星上載荷自基準(zhǔn)的參照關(guān)系，所述主基準(zhǔn)是指衛(wèi)星本體布局坐標(biāo)系，所述自基準(zhǔn)是星上載荷機(jī)械結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星的相對(duì)位置基準(zhǔn)；

步驟2：分別針對(duì)單體型光學(xué)高精度載荷和陣面型微波載荷提取載荷結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)；并以離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)的形式表示，其中：對(duì)于單體型光學(xué)高精度載荷，提取對(duì)象為載荷的機(jī)械安裝面，對(duì)于陣面型微波載荷，提取對(duì)象為載荷的機(jī)械陣面；

需要指出的是：陣面型微波載荷安裝在星體上，本文闡述的是星體變形對(duì)陣面指向的影響；

步驟3：提取變形分析區(qū)域的平面特征和平面參數(shù)，根據(jù)平面特征和平面參數(shù)建立結(jié)構(gòu)變形引起的載荷之間耦合指向變化的分析模型；本步驟主要提取單體型光學(xué)載荷機(jī)械安裝平面參數(shù)和陣面型微波載荷機(jī)械陣面參數(shù)，建立衛(wèi)星主基準(zhǔn)條件下的載荷坐標(biāo)系。

步驟4：對(duì)因結(jié)構(gòu)變形引起的指向變化進(jìn)行解算，通過歐拉變換和面形指向方位角求解，獲得耦合指向精度評(píng)估的結(jié)果。

優(yōu)選地，所述步驟1包括：基于衛(wèi)星本體布局坐標(biāo)系，根據(jù)星上載荷安裝位置，建立載荷機(jī)械結(jié)構(gòu)或載荷安裝結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星主基準(zhǔn)的參照關(guān)系，即在衛(wèi)星主基準(zhǔn)體系下，描述載荷機(jī)械結(jié)構(gòu)或載荷安裝結(jié)構(gòu)的機(jī)械安裝位置。

優(yōu)選地，所述步驟3包括：

步驟3.1：平面參數(shù)提取，提取星上結(jié)構(gòu)變形區(qū)域平面特征，所述平面特征包括：光學(xué)敏感載荷的機(jī)械安裝面平面參數(shù)和該安裝面法向機(jī)械軸與衛(wèi)星主基準(zhǔn)的參照關(guān)系，以及微波陣面載荷機(jī)械平面和該平面法向機(jī)械軸與衛(wèi)星主基準(zhǔn)的參照關(guān)系；

采用常規(guī)的平面擬合方法提取前述步驟2中獲取的離散點(diǎn)云的擬合平面，此處需要提取載荷結(jié)構(gòu)或安裝結(jié)構(gòu)變形前和變形后兩個(gè)平面參數(shù)，同時(shí)將平面參數(shù)中表征平面法線的矢量作為載荷局部坐標(biāo)系的Z軸；

步驟3.2：首先選取載荷結(jié)構(gòu)機(jī)械基準(zhǔn)或者結(jié)構(gòu)孔中心連線作為平面對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系的X軸，利用步驟3.1獲取的平面參數(shù)，求得X軸與該平面的夾角關(guān)系，同時(shí)，利用右手定則，根據(jù)Z軸和X軸叉乘求得坐標(biāo)系Y軸。

針對(duì)陣面型微波載荷，選擇陣面裝配參考基準(zhǔn)點(diǎn)作為坐標(biāo)系原點(diǎn)O，選取陣面端部與裝配參考基準(zhǔn)點(diǎn)呈直線的若干點(diǎn)擬合形成笛卡爾坐標(biāo)系的X軸。

根據(jù)右手定則，即可求得笛卡爾坐標(biāo)系的Y軸，由此形成笛卡爾坐標(biāo)系。

優(yōu)選地，所述步驟4包括：定義用歐拉角式表示光學(xué)型載荷，用陣面法矢量和方位角表示陣面微波載荷；假設(shè)變形前平面坐標(biāo)系為C1，變形后坐標(biāo)系為C1′，則全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系之間的歐拉轉(zhuǎn)換矩陣為A₃₁₂，其中A₃₁₂＝C1′*C1-1。

為便于衛(wèi)星姿態(tài)描述以及星上其他載荷的指向描述，光學(xué)型載荷指向歐拉角采用歐拉變換獲取(小角度變化的情況下：)在全局坐標(biāo)系下，取常見到3-1-2的歐拉變換次序A₃₁₂的轉(zhuǎn)動(dòng)順序；

優(yōu)選地，歐拉轉(zhuǎn)換矩陣為A₃₁₂，平面歐拉角式參量矩陣的具體形式如下：

其中，c表示余弦cos函數(shù)，s表示余弦sin函數(shù)；R_y(θ)表示繞Y軸進(jìn)行θ角度變換，表示繞X軸進(jìn)行ψ角度變換，R_z(φ)表示Z軸進(jìn)行φ角度變換，在歐拉角φ,θ都為一階小量的情況下，忽略二階及以上的小量項(xiàng)，得到變換矩陣的小參量式如下：

因此，對(duì)于前述轉(zhuǎn)換矩陣A₃₁₂，其小量參式即為：

式中：小量式值φ、θ、ψ即為對(duì)應(yīng)的歐拉角式，O²表示二階小量，用于定義算式的精度。

定義陣面型微波載荷機(jī)械平面方程為Ax+By+Cz+D＝0，其陣面外法線矢量為n＝(A,B,C),而初始狀態(tài)時(shí)陣面外法線單位矢量為n₀＝(0,0,1)，則陣面的指向方位角可以用變形后陣面平面外法線矢量與初始狀態(tài)陣面外法線單位矢量的空間角表示。該空間夾角可以用該被測(cè)平面的法線矢量繞X軸轉(zhuǎn)角α，繞Y軸轉(zhuǎn)角β和繞Z軸夾角γ表示,具體形式為：

提取結(jié)構(gòu)變形引起的載荷之間耦合指向精度評(píng)估包括：離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面提取；空間坐標(biāo)系建立與轉(zhuǎn)換；結(jié)構(gòu)變形引起的載荷之間耦合指向精度分析。

所述衛(wèi)星結(jié)構(gòu)變形引起的多類型載荷間耦合指向精度評(píng)估方法還包括步驟5：針對(duì)單體型光學(xué)載荷，變形前后歐拉轉(zhuǎn)換矩陣為A₃₁₂，對(duì)A₃₁₂進(jìn)行小量化處理以獲取歐拉角式。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明提供的針對(duì)衛(wèi)星星上結(jié)構(gòu)變形指向精度評(píng)估的方法能夠充分利用地面狀態(tài)下的機(jī)械特征測(cè)量數(shù)據(jù)或在軌狀態(tài)下結(jié)構(gòu)變形預(yù)示結(jié)果，獲取了包含方位信息的面形指向方位角和姿態(tài)參數(shù)形式的矢量角矩陣等數(shù)據(jù)，可直接應(yīng)用于結(jié)構(gòu)變形引起的指向精度評(píng)估。

2、本發(fā)明提供的針對(duì)衛(wèi)星星上結(jié)構(gòu)變形指向精度評(píng)估的方法能適應(yīng)配置有多類型載荷安裝結(jié)構(gòu)互為參照的指向精度評(píng)估以及其耦合影響的評(píng)估。

3、本發(fā)明提供的針對(duì)衛(wèi)星星上結(jié)構(gòu)變形指向精度評(píng)估的方法通用性強(qiáng)，適應(yīng)各種類型的載荷安裝結(jié)構(gòu)。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為本發(fā)明提供的針對(duì)衛(wèi)星星上結(jié)構(gòu)變形指向精度評(píng)估的方法的流程示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的方法流程圖；

圖3為歐拉變換坐標(biāo)系示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

根據(jù)本發(fā)明提供的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)變形引起的多類型載荷間耦合指向精度評(píng)估方法，包括如下步驟：

步驟1：建立衛(wèi)星主基準(zhǔn)和星上載荷自基準(zhǔn)的參照關(guān)系，所述主基準(zhǔn)是指衛(wèi)星本體布局坐標(biāo)系，所述自基準(zhǔn)是星上載荷機(jī)械結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星的相對(duì)位置基準(zhǔn)；

步驟2：分別針對(duì)單體型光學(xué)高精度載荷和陣面型微波載荷提取載荷結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)；并以離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)的形式表示，其中：對(duì)于單體型光學(xué)高精度載荷，提取對(duì)象為載荷的機(jī)械安裝面，對(duì)于陣面型微波載荷，提取對(duì)象為載荷的機(jī)械陣面；

需要指出的是：陣面型微波載荷安裝在星體上，本文闡述的是星體變形對(duì)陣面指向的影響；

步驟3：提取變形分析區(qū)域的平面特征和平面參數(shù)，根據(jù)平面特征和平面參數(shù)建立結(jié)構(gòu)變形引起的載荷之間耦合指向變化的分析模型；本步驟主要提取單體型光學(xué)載荷機(jī)械安裝平面參數(shù)和陣面型微波載荷機(jī)械陣面參數(shù)，建立衛(wèi)星主基準(zhǔn)條件下的載荷坐標(biāo)系。

步驟4：對(duì)因結(jié)構(gòu)變形引起的指向變化進(jìn)行解算，通過歐拉變換和面形指向方位角求解，獲得耦合指向精度評(píng)估的結(jié)果。

所述步驟1包括：基于衛(wèi)星本體布局坐標(biāo)系，根據(jù)星上載荷安裝位置，建立載荷機(jī)械結(jié)構(gòu)或載荷安裝結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星主基準(zhǔn)的參照關(guān)系，即在衛(wèi)星主基準(zhǔn)體系下，描述載荷機(jī)械結(jié)構(gòu)或載荷安裝結(jié)構(gòu)的機(jī)械安裝位置。

所述步驟3包括：

步驟3.1：平面參數(shù)提取，提取星上結(jié)構(gòu)變形區(qū)域平面特征，所述平面特征包括：光學(xué)敏感載荷的機(jī)械安裝面平面參數(shù)和該安裝面法向機(jī)械軸與衛(wèi)星主基準(zhǔn)的參照關(guān)系，以及微波陣面載荷機(jī)械平面和該平面法向機(jī)械軸與衛(wèi)星主基準(zhǔn)的參照關(guān)系；

采用常規(guī)的平面擬合方法提取前述步驟2中獲取的離散點(diǎn)云的擬合平面，此處需要提取載荷結(jié)構(gòu)或安裝結(jié)構(gòu)變形前和變形后兩個(gè)平面參數(shù)，同時(shí)將平面參數(shù)中表征平面法線的矢量作為載荷局部坐標(biāo)系的Z軸；

具體地，考慮前述獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中可能存在誤差或異常值，為避免其對(duì)平面參數(shù)的影響，采用剔除的方式獲得較為精確的平面參數(shù)。首先利用最小二乘法計(jì)算平面參數(shù)的初始值；再利用獲取的初始平面參數(shù)，計(jì)算各點(diǎn)到擬合平面的距離；計(jì)算距離的標(biāo)準(zhǔn)偏差并剔除標(biāo)準(zhǔn)差大于1.5倍方差的數(shù)據(jù)點(diǎn)；最后利用余下的點(diǎn)再次進(jìn)行最小二乘法重新計(jì)算平面參數(shù)。獲取平面參數(shù)后，取平面外法線單位矢量為該平面笛卡爾坐標(biāo)系的Z軸。

步驟3.2：首先選取載荷結(jié)構(gòu)機(jī)械基準(zhǔn)或者結(jié)構(gòu)孔中心連線作為平面對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系的X軸，利用步驟3.1獲取的平面參數(shù)，求得X軸與該平面的夾角關(guān)系，同時(shí)，利用右手定則，根據(jù)Z軸和X軸叉乘求得坐標(biāo)系Y軸。

針對(duì)陣面型微波載荷，選擇陣面裝配參考基準(zhǔn)點(diǎn)作為坐標(biāo)系原點(diǎn)O，選取陣面端部與裝配參考基準(zhǔn)點(diǎn)呈直線的若干點(diǎn)擬合形成笛卡爾坐標(biāo)系的X軸。

根據(jù)右手定則，即可求得笛卡爾坐標(biāo)系的Y軸，由此形成笛卡爾坐標(biāo)系。

所述步驟4包括：定義用歐拉角式表示光學(xué)型載荷，用陣面法矢量和方位角表示陣面微波載荷；假設(shè)變形前平面坐標(biāo)系為C1，變形后坐標(biāo)系為C1′，則全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系之間的歐拉轉(zhuǎn)換矩陣為A₃₁₂，其中A₃₁₂＝C1′*C1-1。

如圖3所示，Ob-XbYbZb為全局坐標(biāo)系，Oi-XiYiZi為局部坐標(biāo)系，不失一般性的，用歐拉角確定的三次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣的乘積。通過前述空間坐標(biāo)系建立與變換，可獲得兩個(gè)狀態(tài)下的平面坐標(biāo)系描述。

為便于衛(wèi)星姿態(tài)描述以及星上其他載荷的指向描述，光學(xué)型載荷指向歐拉角采用歐拉變換獲取(小角度變化的情況下：)在全局坐標(biāo)系下，取常見到3-1-2的歐拉變換次序A312的轉(zhuǎn)動(dòng)順序，平面歐拉角式參量矩陣的具體形式如下：

其中，c表示余弦(cos函數(shù))，s表示余弦(sin函數(shù))

在歐拉角φ,θ都為一階小量的情況下，忽略二階及以上的小量項(xiàng)，得到變換矩陣的小參量式如下：

因此，對(duì)于前述轉(zhuǎn)換矩陣A312，其小量參式即為：

式中小量式值φ、θ、ψ即為對(duì)應(yīng)的歐拉角式。

定義陣面型微波載荷機(jī)械平面方程為Ax+By+Cz+D＝0，其陣面外法線矢量為n＝(A,B,C),而初始狀態(tài)時(shí)陣面外法線單位矢量為n0＝(0,0,1)，則陣面的指向方位角可以用變形后陣面平面外法線矢量與初始狀態(tài)陣面外法線單位矢量的空間角表示。該空間夾角可以用該被測(cè)平面的法線矢量繞X軸轉(zhuǎn)角α，繞Y軸轉(zhuǎn)角β和繞Z軸夾角γ表示,具體形式為：

對(duì)于單體型光學(xué)載荷，采用一組獨(dú)立的歐拉角參量描述結(jié)構(gòu)變形指向；用(滾動(dòng)角俯仰角θ、偏航角ψ)定義載荷機(jī)械安裝平面在主基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的指向，因星上結(jié)構(gòu)變形引起機(jī)械安裝平面指向變化定義為載荷安裝面指向精度。

提取結(jié)構(gòu)變形引起的載荷之間耦合指向精度評(píng)估包括：離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面提??；空間坐標(biāo)系建立與轉(zhuǎn)換；結(jié)構(gòu)變形引起的載荷之間耦合指向精度分析。

所述衛(wèi)星結(jié)構(gòu)變形引起的多類型載荷間耦合指向精度評(píng)估方法還包括步驟5：針對(duì)單體型光學(xué)載荷，變形前后歐拉轉(zhuǎn)換矩陣為A312，對(duì)A312進(jìn)行小量化處理以獲取歐拉角式。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。