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以卫星为载体的对地观测技术不受地域、国界的限制，能长时间、短周期、大面积的对地进行观测。因此，星载对地观测技术得到了较大的发展，其应用也越来越广泛。随着光学对地观测卫星应用需求的多样化、深入化，对卫星影像的对地定位精度也提出了更高的要求。卫星姿态确定的精度不仅是卫星对地定位信息获取的关键，也是在轨姿态控制的前提，决定着系统任务的成败。卫星姿态确定指的是利用星上姿态敏感器的测量数据以及相应算法来确定星体或星上载荷相对于参考坐标系的指向。星敏感器作为精度最高的姿态敏感器，得到了广泛的关注与应用。目前，高分辨率遥感卫星多采用星敏感器和陀螺联合定姿的方式，星上姿态滤波为卫星提供姿态指向信息。同时将星敏感器及陀螺姿态测量数据下传到地面，通过建立更加严密的姿态滤波算法提升姿态后处理精度，从而提升测绘遥感卫星的几何定位精度。
本文围绕在轨卫星下传的星敏感器和陀螺姿态测量数据处理方法与融合估计模型进行了深入的分析与论证。由于姿态确定精度不仅影响遥感影像的处理精度，也决定着卫星姿态控制和系统任务的成败，提升姿态数据精度对于星上载荷任务的完成具有重要意义。本文提出了高精度的卫星姿态估计处理方案，通过姿态数据后处理算法的应用显著提升了姿态确定的精度，本文的研究工作主要包括以下几个方面：
1.根据短时姿态数据平稳连续的特性提出了基于随机抽样一致的星敏感器姿态数据预处理方法，有效的剔除了姿态测量粗差并利用拟合模型值进行补充。基于星敏感器光轴夹角对原始星敏感器姿态测量数据误差进行了分析。通过将星敏感器测量的惯性系姿态测量数据转换为轨道系姿态，去除线性趋势项并进行傅立叶变换，分析提取了卫星平台抖动的频率。
2.对基于星敏感器和陀螺的姿态融合扩展卡尔曼滤波算法和无迹卡尔曼滤波算法进行了原理分析与实现。提出了结合互补滤波与无迹卡尔曼滤波的姿态融合算法，仿真实验证明了算法在姿态估计精度上优于单一滤波，得出了姿态估计精度受星敏感器测姿频率影响的结论。通过将广义陀螺测量模型应用于姿态滤波估计，在姿态滤波计算的过程中实现了陀螺参数的检校，包括陀螺漂移，尺度因子与安装偏差，从而将传统的6维状态量卡尔曼滤波扩展为15维状态量卡尔曼滤波，进一步的通过后向RTS平滑算法对姿态估计结果进行了优化。
3.提出了广义陀螺测量模型下的双向滤波加权平滑姿态估计算法并将其与单向递推卡尔曼滤波算法和后向卡尔曼平滑算法进行了精度上的比较，得出了双
向滤波加权平滑算法的精度最高，卡尔曼平滑算法和双向滤波加权平滑算法均能显著提升滤波初期的姿态估计精度的结论。相对于前向扩展卡尔曼滤波方法以及RTS平滑方法，提出的方法的姿态估计精度分别提升约47%和8%。通过姿态滤波仿真实验，验证了基于广义陀螺模型的滤波方法在不同陀螺参数以及不同姿态机动条件下的姿态估计的有效性，并对基于广义陀螺测量模型和常规陀螺测量模型下的姿态滤波估计方法的精度以及适用性进行了讨论。
4.针对线阵CCD推扫式传感器的构造特点和成像方式，建立了高分辨率推扫式卫星影像的严格成像模型。推导了姿态变化对物方偏差的影响关系式。以资源三号三线阵立体影像为例，分别基于原始姿态数据、融合姿态数据以及资源卫星应用中心后处理的姿态数据进行了对地定位实验，对其定位精度进行了分析与比较。
最后，对论文工作进行了总结与展望。
本文围绕在轨卫星下传的星敏感器和陀螺姿态测量数据处理方法与融合估计模型进行了深入的分析与论证。由于姿态确定精度不仅影响遥感影像的处理精度，也决定着卫星姿态控制和系统任务的成败，提升姿态数据精度对于星上载荷任务的完成具有重要意义。本文提出了高精度的卫星姿态估计处理方案，通过姿态数据后处理算法的应用显著提升了姿态确定的精度，本文的研究工作主要包括以下几个方面：
1.根据短时姿态数据平稳连续的特性提出了基于随机抽样一致的星敏感器姿态数据预处理方法，有效的剔除了姿态测量粗差并利用拟合模型值进行补充。基于星敏感器光轴夹角对原始星敏感器姿态测量数据误差进行了分析。通过将星敏感器测量的惯性系姿态测量数据转换为轨道系姿态，去除线性趋势项并进行傅立叶变换，分析提取了卫星平台抖动的频率。
2.对基于星敏感器和陀螺的姿态融合扩展卡尔曼滤波算法和无迹卡尔曼滤波算法进行了原理分析与实现。提出了结合互补滤波与无迹卡尔曼滤波的姿态融合算法，仿真实验证明了算法在姿态估计精度上优于单一滤波，得出了姿态估计精度受星敏感器测姿频率影响的结论。通过将广义陀螺测量模型应用于姿态滤波估计，在姿态滤波计算的过程中实现了陀螺参数的检校，包括陀螺漂移，尺度因子与安装偏差，从而将传统的6维状态量卡尔曼滤波扩展为15维状态量卡尔曼滤波，进一步的通过后向RTS平滑算法对姿态估计结果进行了优化。
3.提出了广义陀螺测量模型下的双向滤波加权平滑姿态估计算法并将其与单向递推卡尔曼滤波算法和后向卡尔曼平滑算法进行了精度上的比较，得出了双
向滤波加权平滑算法的精度最高，卡尔曼平滑算法和双向滤波加权平滑算法均能显著提升滤波初期的姿态估计精度的结论。相对于前向扩展卡尔曼滤波方法以及RTS平滑方法，提出的方法的姿态估计精度分别提升约47%和8%。通过姿态滤波仿真实验，验证了基于广义陀螺模型的滤波方法在不同陀螺参数以及不同姿态机动条件下的姿态估计的有效性，并对基于广义陀螺测量模型和常规陀螺测量模型下的姿态滤波估计方法的精度以及适用性进行了讨论。
4.针对线阵CCD推扫式传感器的构造特点和成像方式，建立了高分辨率推扫式卫星影像的严格成像模型。推导了姿态变化对物方偏差的影响关系式。以资源三号三线阵立体影像为例，分别基于原始姿态数据、融合姿态数据以及资源卫星应用中心后处理的姿态数据进行了对地定位实验，对其定位精度进行了分析与比较。
最后，对论文工作进行了总结与展望。