專利名稱：基于空間解析幾何的靈巧衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)時(shí)間窗口生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)的控制領(lǐng)域，特指一種涉及靈巧衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)時(shí) 間窗口的生成方法。
背景技術(shù)：
對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星(Earth Observing Satellite，簡(jiǎn)稱EOS)的任務(wù)通常是根據(jù)用戶的 觀測(cè)需求，獲取地球表面指定目標(biāo)的圖像信息。由于衛(wèi)星觀測(cè)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因此受到了世 界各國(guó)的高度重視。EOS通常是按照預(yù)定的觀測(cè)計(jì)劃來(lái)實(shí)施觀測(cè)的，計(jì)劃中指定了衛(wèi)星將 在什么時(shí)間、采用何種觀測(cè)方式、完成哪些觀測(cè)任務(wù)，其制訂則直接源于衛(wèi)星觀測(cè)調(diào)度的結(jié) 果。但傳統(tǒng)的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星推掃成像過(guò)程完全依賴于衛(wèi)星沿軌道向前的運(yùn)動(dòng)，因此成像條 帶的走向只可能平行于星下線，條帶的寬度取決于星載遙感器的視場(chǎng)角的大小，條帶的具 體位置則取決于成像時(shí)采用的側(cè)擺角的大小，其觀測(cè)能力是非常有限的。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，從業(yè)人員展開(kāi)了靈巧衛(wèi)星(agile satellite)的研制 項(xiàng)目。靈巧衛(wèi)星為能夠調(diào)整星載遙感器指向的成像衛(wèi)星，靈巧衛(wèi)星的視角通常可以繞翻滾 (roll)、俯仰(pitch)、偏航(yaw)三個(gè)軸變化，從而使衛(wèi)星有可能在能力允許的范圍內(nèi)沿 任意走向進(jìn)行觀測(cè)。對(duì)于這類能夠調(diào)整星載遙感器指向的成像衛(wèi)星，星載遙感器在軌飛行時(shí)的觀測(cè)范 圍是一個(gè)以星下點(diǎn)軌跡為中心線的帶狀區(qū)域，處于這個(gè)帶狀區(qū)域內(nèi)的地面目標(biāo)都有機(jī)會(huì)被 衛(wèi)星觀測(cè)，而由于星載遙感器的視場(chǎng)角有限，同一時(shí)刻星載遙感器只能觀測(cè)條帶狀觀測(cè)范 圍內(nèi)有限的地面場(chǎng)景。如圖1所示，給出了星載遙感器觀測(cè)范圍與實(shí)際觀測(cè)場(chǎng)景的關(guān)系，其 中虛線表示觀測(cè)范圍的邊界。因而，何時(shí)采用何種角度進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)是靈巧衛(wèi)星完成各項(xiàng) 任務(wù)，生成靈巧衛(wèi)星動(dòng)作指令的基礎(chǔ)。為了解決靈巧衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)時(shí)間窗口問(wèn)題，很多科研人員進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)展 了各種方法，這些方法主要有(1)應(yīng)用復(fù)雜的地球和衛(wèi)星模型仿真，如STK(Satellite Tool Kit), (2)用近似的幾何關(guān)系求解。然而上述兩種方法存在這一些不足之處STK仿真的方法模型復(fù)雜，涉及的領(lǐng)域知識(shí)非常多，構(gòu)造場(chǎng)景需要復(fù)雜的參數(shù)配 置。同時(shí)，STK對(duì)我國(guó)是禁運(yùn)的，因此對(duì)于STK的使用以及STK如何實(shí)現(xiàn)時(shí)間窗口生成的資 料是無(wú)法獲取的。近似幾何關(guān)系中，由于對(duì)地球球體和衛(wèi)星的建模粗糙，精度很難滿足要求。但該方 法并沒(méi)有考慮靈巧衛(wèi)星帶有俯仰的情況，不能應(yīng)用于靈巧衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)時(shí)間窗口的生成。同時(shí)，上述兩種生成時(shí)間窗口的技術(shù)均還未考慮靈巧衛(wèi)星這種帶俯仰能力的情 況，現(xiàn)有技術(shù)中也未見(jiàn)有實(shí)現(xiàn)靈巧衛(wèi)星這種具有高機(jī)動(dòng)能力的衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)時(shí)間窗口生成 的相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種操作簡(jiǎn)便、精確度高、易于實(shí)現(xiàn)、能夠在靈巧衛(wèi)星三個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)的背景下得以應(yīng)用的基 于空間解析幾何的靈巧衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)時(shí)間窗口生成方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。
一種基于空間解析幾何的靈巧衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)時(shí)間窗口生成方法，其特征在于，步 驟為①.構(gòu)建空間解析幾何關(guān)系模型根據(jù)靈巧衛(wèi)星的軌道參數(shù)，采用參考橢球體，構(gòu) 建空間解析幾何關(guān)系模型；對(duì)給定的星下點(diǎn)及衛(wèi)星坐標(biāo)，利用上述空間解析幾何關(guān)系模型 進(jìn)行坐標(biāo)變換；②.初始化對(duì)星下點(diǎn)和目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即根據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)的緯度對(duì)星下點(diǎn) 數(shù)組進(jìn)行裁剪，對(duì)同緯度的星下點(diǎn)，按照是否在目標(biāo)同側(cè)進(jìn)行過(guò)濾形成星下點(diǎn)序列；每一個(gè) 星下點(diǎn)序列與目標(biāo)組成星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)，最終形成星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)序列；③.角度逆推利用步驟①建立的空間解析幾何關(guān)系模型，對(duì)星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)序列 中的每個(gè)星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)進(jìn)行角度逆推，得到對(duì)應(yīng)于星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)序列的roll序列和pitch 序列，所述roll序列為繞χ軸反時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度γ的序列，所述pitch序列為繞y軸反時(shí)針 旋轉(zhuǎn)角度β的序列，所述roll序列和pitch序列為慣性坐標(biāo)系下的靜態(tài)角度；④.旋轉(zhuǎn)矩陣逆變換將步驟③中得到的roll序列和pitch序列通過(guò)逆變換轉(zhuǎn)換 為動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)角度rollK序列和pitchK序列；⑤.插值計(jì)算以星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)序列對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列作為自變量，以及以由步驟 ④得到的rollK序列和pitchK序列作為因變量組成兩個(gè)點(diǎn)對(duì)序列，對(duì)這兩個(gè)點(diǎn)對(duì)序列進(jìn)行 樣條插值，即得到對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)的靈巧衛(wèi)星觀測(cè)角度變化曲線；⑥.截取時(shí)間窗口 針對(duì)步驟⑤得到的結(jié)果，分別根據(jù)俯仰角和側(cè)擺角的閾值進(jìn) 行截取，取交集，即得到滿足衛(wèi)星俯仰和側(cè)擺能力的曲線段，這些曲線段所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即 為時(shí)間窗口。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)所述步驟①的具體過(guò)程為11設(shè)地球近似為一橢球體，S表示衛(wèi)星位置，L表示衛(wèi)星星下點(diǎn)位置，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng) 方向是以軌道面法向量方向?yàn)橹赶虻捻槙r(shí)針?lè)较颍?為地心LC為軌道面切線；S以俯仰角 pitch和側(cè)擺角roll投射到地球表面E，過(guò)L作LL'垂直于軌道面0LC，即面SLL'垂直于 面OLC ；過(guò)L作線OS的垂面交SE于P'，過(guò)P'分別作OLC的垂線交于P，作SLL'的垂線交 于L'；可知，SP為SP'即SE在面OLC上的投影，SL'為SP'即SE在面SLL'上的投影； 由定義可知，Z LSL ‘ = ro 11，Z LSP = ρitch ；面OLC即軌道平面的單位法向量為b, c)， 軌道傾角為面OLC與赤道面的夾角，值為inc，即相應(yīng)法向量與二的夾角為inc ；1. 2對(duì)于給定的星下點(diǎn)及衛(wèi)星坐標(biāo)，采用上述參數(shù)橢圓模型進(jìn)行坐標(biāo)變換X = (N+H) cosBcosLY= (N+H)cosBsinLZ = [N(l-f)2+H]sinB其中，# = /Z1 .2g· 2 ，H為衛(wèi)星高度，B為星下點(diǎn)緯度，L為星下點(diǎn)經(jīng)度，a為地
/ Λ Ι-e sin B
球短半軸，f為地球扁率，e為第一偏心率。
所述步驟③的具體過(guò)程為 3. 1由=■且即u ^ 得到法向量u參數(shù)如下
O
oz
LIUUIU
①丄仍，=^{aAc),
A = x2s+y2s
c = cos(inc), -B±yjB2其中5 =，b = _(axs+czs)ys ;inc 為軌道
a = 2A ， C = Zy + (c2 -1)^ 傾角，(XS，ys, zs)為眾向量坐標(biāo)； 3. 2得到軌道面方程為
均為向量，為軌
I I |o||叫=^ -|叫玀，眾i、茲、眾、職 湊
道面單位法向量；3. 3得到對(duì)應(yīng)于星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)序列的roll序列和pitch序列 其中，、[^|為向量，為步驟3.2的結(jié)果，g為向量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)就在于1.本發(fā)明基于空間解析幾何的靈巧衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)時(shí)間窗口生成方法，操作簡(jiǎn)便、 精確度高、易于實(shí)現(xiàn)，不僅考慮了現(xiàn)有靈巧衛(wèi)星的需求，同時(shí)也繼承了傳統(tǒng)衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)時(shí) 間窗口的生成能力；不僅繼承了傳統(tǒng)衛(wèi)星及現(xiàn)有靈巧衛(wèi)星單個(gè)自由度變換的對(duì)地觀測(cè)時(shí)間 窗口生成，還進(jìn)一步能夠滿足靈巧衛(wèi)星三個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)變換后的對(duì)地觀測(cè)時(shí)間窗口生成；2.本發(fā)明能夠?qū)r(shí)間窗口分段給出，這在傳統(tǒng)衛(wèi)星時(shí)間窗口的生成中是沒(méi)有的。3.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、精度較高、響應(yīng)速度快，能夠較好地滿足工程應(yīng)用需求。試驗(yàn) 計(jì)算機(jī)參數(shù)在雙核1. 8GHz, 1G內(nèi)存，Windows XP系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)隨機(jī)242個(gè)星下點(diǎn)，分別以 一定的俯仰角和側(cè)擺角投影到地球表面的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行角度逆推計(jì)算，其結(jié)果與實(shí)際角度比 較。得知整體誤差與軌道傾角正相關(guān)。采用matlab實(shí)現(xiàn)，242次計(jì)算的響應(yīng)時(shí)間在0.07s 內(nèi)，平均不超過(guò)2. 89 X 10_4秒/次。4.本發(fā)明可以滿足星上自主規(guī)劃中對(duì)于時(shí)間窗口的生成要求。本發(fā)明輸入數(shù)據(jù)簡(jiǎn) 單，且生成過(guò)程簡(jiǎn)便，便于在星上性能較低的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。5.本發(fā)明成本性能兼顧、兼容快速有效，采用旋轉(zhuǎn)矩陣變換及逆變換、參考橢球變 換、空間解析幾何、角度逆推和插值計(jì)算五個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了既滿足傳統(tǒng)衛(wèi)星、也滿足現(xiàn)有和 將來(lái)三個(gè)自由度的衛(wèi)星的對(duì)地觀測(cè)時(shí)間窗口的需求，能夠較好地滿足衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃和指令 生成等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。


圖1是星載遙感器觀測(cè)范圍與實(shí)際觀測(cè)場(chǎng)景的關(guān)系示意圖；圖2是星載遙感器定點(diǎn)時(shí)最大可觀測(cè)范圍的示意圖；圖3是星載遙感器對(duì)地觀測(cè)空間幾何關(guān)系的示意圖；圖4是具體應(yīng)用實(shí)施例中目標(biāo)點(diǎn)在星下點(diǎn)附近位置時(shí)俯仰角和側(cè)擺角隨衛(wèi)星過(guò) 境時(shí)間的變化曲線；圖5是目標(biāo)點(diǎn)在衛(wèi)星側(cè)擺40度內(nèi)(設(shè)40度為側(cè)擺閾值)俯仰角和側(cè)擺角隨衛(wèi)星 過(guò)境時(shí)間的變化曲線；圖6是目標(biāo)點(diǎn)在衛(wèi)星側(cè)擺40度左右(設(shè)40度為側(cè)擺閾值)俯仰角和側(cè)擺角隨衛(wèi) 星過(guò)境時(shí)間的變化曲線；圖7是目標(biāo)點(diǎn)在衛(wèi)星側(cè)擺40度外(設(shè)40度為側(cè)擺閾值)俯仰角和側(cè)擺角隨衛(wèi)星 過(guò)境時(shí)間的變化曲線；圖8是本發(fā)明方法的流程示意圖；圖9是本發(fā)明方法中初始化步驟的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合具體實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖8所示，本發(fā)明基于空間解析幾何的靈巧衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)時(shí)間窗口生成方法， 主要包括以下六個(gè)步驟，其中步驟1對(duì)于相同的同一顆衛(wèi)星只需執(zhí)行一次，步驟2對(duì)于一次 時(shí)間窗口生成執(zhí)行一次，其余步驟每次執(zhí)行時(shí)根據(jù)初始化結(jié)果生成的序列個(gè)數(shù)決定執(zhí)行次 數(shù)。本發(fā)明方法的詳細(xì)流程為1.構(gòu)建空間解析幾何關(guān)系模型對(duì)星下點(diǎn)的定義采用地球參考橢球模型，為地心 和衛(wèi)星連線與地球橢球橢面的交點(diǎn)。坐標(biāo)系采用的是WGS-84(World Geodetic System，世 界大地坐標(biāo)系)，其參數(shù)如表1所示。根據(jù)衛(wèi)星軌道參數(shù)，采用參考橢球，構(gòu)建空間解析幾何 關(guān)系模型。表1WGS-84參數(shù)列表 如圖2所示，相對(duì)于傳統(tǒng)只具有側(cè)擺能力的衛(wèi)星，只能觀測(cè)衛(wèi)星星下點(diǎn)所在的與 軌道面垂直的線形范圍，而靈巧衛(wèi)星由于具有俯仰能力，其在定點(diǎn)位置具有的最大可觀測(cè) 范圍是一個(gè)區(qū)域。如圖3所示，設(shè)地球近似為一橢球體，S表示衛(wèi)星位置，L表示衛(wèi)星星下點(diǎn)位置，衛(wèi) 星運(yùn)動(dòng)方向是以軌道面法向量方向?yàn)橹赶虻捻槙r(shí)針?lè)较颍?為地心LC為軌道面切線。S以 俯仰角Pitch和側(cè)擺角roll投射到地球表面E，過(guò)L作LL'垂直于軌道面0LC，即面SLL' 垂直于面0LC。過(guò)L作線OS的垂面交SE于P'，過(guò)P'分別作0LC的垂線交于P，作SLL' 的垂線交于L'?？芍?，SP為SP'即SE在面0LC上的投影，SL'為SP'即SE在面SLL' 上的投影。由定義可知，ZLSL' = roll，ZLSP = pitch(由于已經(jīng)進(jìn)行了坐標(biāo)變換，因此
7后文rollEa簡(jiǎn)寫(xiě)為roll，pitch類似)。面OLC即軌道平面的單位法向量為$(aJ，c)，軌道 傾角為面OLC與赤道面的夾角，值為inc，即相應(yīng)法向量與二的夾角為inc。
U UUCOS(/>7C)= 滅H即 Η 丄眾，(Φ,^) = 0inc為軌道傾角。由以上兩式可得法向量參數(shù)如下c = Cos (inc)
^ = 4+/s-Bi^jB2 -4AC 其中5 = 2& c
a = 2A ， C = Z2sC2 + (c2 - 1)乂b = - (axs+czs) /ys(xs, ys，zs)為眾向量坐標(biāo)即得到軌道面方程ax+by+cz = 0
UUU UU而=ffi *tan(|ro//|)，
uuir uun^11 / uun, ir
OLf = OL + sign(roll) * \LL *=OL + sign{roll) * \LL * ΦYl ^s ^、茲、眾均為圖3所示的向量，基為軌道面單位法向量，L'的位置與速 度方向和roll的正負(fù)有關(guān)。顯然冗垂直于面SLL'，群的方向向量即為面SLL'的法向量，由
i j kxL - Xu yL - yL, zL - zL, = xLPi + yLPj + zLPk xs ~ xL' ys ~ yu zs _ zv得1^Oclp , yLP, zLP )是冗的方向向量。
uum uun而Pl=岡W=L(一)*M*外詞Yl ,^p、茂均為圖3所示的向量，ρ的位置與速度方向和pitch的正負(fù)有關(guān)。
UULM UUfflV^1 / UUffl|UUU-| IT
OPf = OP + Signiroll)*\ΡΡ*= 0P + sign{roll)*\LL*Φ^P、^1均為圖3所示的向量，與求ST1過(guò)程相同。
UUUL UUUiUUU UUlUUUUU UUUi
OE = OS+ λ* SP] = OS+ λ* (OPy-OS)^、涉，貓均為圖3所示的向量，λ為一未知數(shù)。
5^、S￡為圖3所示的向量，近似用星下點(diǎn)處距離地心距離代替投射點(diǎn)距離地心距罔?？傻靡驭藶槲粗獢?shù)的一元二次方程其解為 由圖可知，取小者，大者為穿過(guò)球體另一側(cè)點(diǎn)。其中， 由
即得以特定俯仰和側(cè)擺投影到地球的投影點(diǎn)。由此，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)靈巧衛(wèi)星組合角度的投影的空間解析幾何關(guān)系模型。2.初始化對(duì)星下點(diǎn)和目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。具體流程如圖9所示。由于衛(wèi)星每 天對(duì)應(yīng)的軌道圈次非常多，且對(duì)于時(shí)間窗口的生成來(lái)說(shuō)，星下點(diǎn)位于目標(biāo)相對(duì)于地球的另 一側(cè)的是沒(méi)有意義的。因此需要對(duì)輸入的星下點(diǎn)數(shù)組進(jìn)行裁剪，具體方法是根據(jù)目標(biāo)緯度 對(duì)星下點(diǎn)數(shù)組進(jìn)行裁剪，對(duì)同緯度(由于粒度原因，不一定能找到完全相等的，可以找差距 最小的)的星下點(diǎn)，按照是否在目標(biāo)同側(cè)(即是否在[Φ-90，Φ+90]范圍內(nèi)，設(shè)目標(biāo)經(jīng)度為 Φ)，進(jìn)行過(guò)濾。對(duì)裁剪后的星下點(diǎn)序列，分別生成時(shí)間窗口，即分別調(diào)用下列步驟。對(duì)于每 一個(gè)星下點(diǎn)序列，與目標(biāo)組成星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)。3.角度逆推。在步驟2的模型基礎(chǔ)上，對(duì)星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)序列的每個(gè)星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)
進(jìn)行角度逆推。具體方法如下 且Ji眾，即戍眾)=0由以上兩式可得法向量參數(shù)如下
其中 b = -(axs+czs)/ys即得到軌道面方程ax+by+cz = 0
0095] 即得到對(duì)應(yīng)于星下點(diǎn)時(shí)間序列的roll、pitch序列。4.旋轉(zhuǎn)矩陣逆變換。將以上步驟中得到的roll序列和pitch序列通過(guò)逆變換轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 下的動(dòng)態(tài)角度rollK序列和pitchK序列。在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換時(shí)，旋轉(zhuǎn)順序不同，其旋轉(zhuǎn)后得到的角度不同，因此對(duì)于本發(fā)明的 旋轉(zhuǎn)順序不妨設(shè)為yaw - roll- pitch (其他的順序類似，在此不做詳述)，yaw 繞ζ軸反 時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度α，Pitch 繞y軸反時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度β，roll 繞χ軸反時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度Y。將本發(fā)明定義的夾角rollEa、pitchECI轉(zhuǎn)換為yaw，roll, pitch的形式，即進(jìn)行逆 變換。一個(gè)一般的逆變換為β = pitchECI, γ = sign (ro IIeci) (cos ( β ) *tan (rollE CI)) ； α =0(由兩個(gè)自由度轉(zhuǎn)換為三個(gè)自由度的變換，其變換方式不唯一，因此在此僅提供 一種方式即可)。如圖3所示，已知S、L、E的坐標(biāo)，求相應(yīng)的pitch、roll。有 這里得到的是在ECI慣性坐標(biāo)系下的靜態(tài)角度，需要應(yīng)用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換及逆變換 中逆變換轉(zhuǎn)換為YI3R旋轉(zhuǎn)變換。5.插值計(jì)算。以星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)的序列對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列作為自變量，上述步驟得到 的rollK序列和pitchK序列作為因變量組成兩個(gè)點(diǎn)對(duì)序列。對(duì)這兩個(gè)序列進(jìn)行樣條插值， 即得到對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)的衛(wèi)星觀測(cè)角度曲線。6.截取時(shí)間窗口。步驟4得到的結(jié)果可能為圖4、圖5、圖6和圖7中的一種情況 (圖中以閾值為40°作為具體實(shí)施例，其中閾值的選取是根據(jù)衛(wèi)星在俯仰和側(cè)擺方向的能 力而定的)。因此對(duì)不同的情況，分別根據(jù)俯仰角和側(cè)擺角的閾值進(jìn)行截取，取交集，即得到滿足(不大于閾值)衛(wèi)星俯仰和側(cè)擺能力的曲線段，這些段對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即為時(shí)間窗口。對(duì)具體實(shí)例中得到的時(shí)間窗口進(jìn)行特性分析如下圖4表示目標(biāo)處于某星下點(diǎn)處時(shí)，衛(wèi)星觀測(cè)目標(biāo)需要的側(cè)擺角和俯仰角變化曲 線，隨著衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)，俯仰角加快減少，后減速增大，在目標(biāo)處為0，側(cè)擺角則較小，且變化不 大。截取后得到時(shí)間窗口為圖中虛線對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)段，俯仰角起主要作用。圖5表示目標(biāo)處于星下點(diǎn)一側(cè)，距離星下點(diǎn)較近時(shí)可能出現(xiàn)的一種曲線。在這種 情況下，俯仰角趨勢(shì)不變，側(cè)擺角則先加速增大，后減速減少，但一直未超過(guò)閾值。截取后得 到時(shí)間窗口為圖中虛線對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)段，俯仰角起主要作用。圖6表示目標(biāo)處于星下點(diǎn)一側(cè) ，距離星下點(diǎn)稍遠(yuǎn)時(shí)可能出現(xiàn)的另一種曲線，在這 種情況下，俯仰角趨勢(shì)不變，側(cè)擺角仍先加速增大，后減速減少，但出現(xiàn)一段超過(guò)閾值。截取 后得到時(shí)間窗口為圖中虛線對(duì)應(yīng)的兩個(gè)橫坐標(biāo)段，這時(shí)俯仰角和側(cè)擺角同時(shí)起作用。圖7表示目標(biāo)處于距離星下點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，衛(wèi)星觀測(cè)目標(biāo)需要的俯仰角和側(cè)擺角變化 曲線，雖然趨勢(shì)與圖5、圖6類似，但由于俯仰角滿足閾值的時(shí)間段內(nèi)，側(cè)擺角不滿足閾值， 因此截取后沒(méi)有時(shí)間窗口，這時(shí)俯仰角和側(cè)擺角同時(shí)起作用。結(jié)果分析圖4、圖5、圖7的時(shí)間窗口與目標(biāo)和星下點(diǎn)的距離有關(guān)，但圖6的時(shí)間 窗口分為兩段的問(wèn)題是由于地球是橢球形的，使得目標(biāo)在衛(wèi)星距離最近時(shí)卻無(wú)法觀測(cè)，相 反在衛(wèi)星距離較遠(yuǎn)時(shí)由于衛(wèi)星在觀測(cè)該目標(biāo)時(shí)需要俯仰，使得側(cè)擺的作用增強(qiáng)。因此，俯仰 的作用不僅能夠把衛(wèi)星在沿著軌道方向的時(shí)間窗口增大，還能夠?qū)⑿l(wèi)星在垂直于軌道方向 的視場(chǎng)擴(kuò)大。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施 例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也 應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種基于空間解析幾何的靈巧衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)時(shí)間窗口生成方法，其特征在于，步驟為①.構(gòu)建空間解析幾何關(guān)系模型根據(jù)靈巧衛(wèi)星的軌道參數(shù)，采用參考橢球體，構(gòu)建空間解析幾何關(guān)系模型；對(duì)給定的星下點(diǎn)及衛(wèi)星坐標(biāo)，利用上述空間解析幾何關(guān)系模型進(jìn)行坐標(biāo)變換；②.初始化對(duì)星下點(diǎn)和目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即根據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)的緯度對(duì)星下點(diǎn)數(shù)組進(jìn)行裁剪，對(duì)同緯度的星下點(diǎn)，按照是否在目標(biāo)同側(cè)進(jìn)行過(guò)濾形成星下點(diǎn)序列；每一個(gè)星下點(diǎn)序列與目標(biāo)組成星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)，最終形成星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)序列；③.角度逆推利用步驟①建立的空間解析幾何關(guān)系模型，對(duì)星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)序列中的每個(gè)星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)進(jìn)行角度逆推，得到對(duì)應(yīng)于星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)序列的roll序列和pitch序列，所述roll序列為繞x軸反時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度γ的序列，所述pitch序列為繞y軸反時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度β的序列，所述roll序列和pitch序列為慣性坐標(biāo)系下的靜態(tài)角度；④.旋轉(zhuǎn)矩陣逆變換將步驟③中得到的roll序列和pitch序列通過(guò)逆變換轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)角度rollR序列和pitchR序列；⑤.插值計(jì)算以星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)序列對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列作為自變量、以由步驟④得到的rollR序列和pitchR序列作為因變量組成兩個(gè)點(diǎn)對(duì)序列，對(duì)這兩個(gè)點(diǎn)對(duì)序列進(jìn)行樣條插值，即得到對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)的靈巧衛(wèi)星觀測(cè)角度變化曲線；⑥.截取時(shí)間窗口針對(duì)步驟⑤得到的結(jié)果，分別根據(jù)俯仰角和側(cè)擺角的閾值進(jìn)行截取，取交集，即得到滿足衛(wèi)星俯仰和側(cè)擺能力的曲線段，這些曲線段所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即為時(shí)間窗口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間解析幾何的靈巧衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)時(shí)間窗口生成方法， 其特征在于，所述步驟①的具體過(guò)程為1. 1設(shè)地球近似為一橢球體，S表示衛(wèi)星位置，L表示衛(wèi)星星下點(diǎn)位置，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向是 以軌道面法向量方向?yàn)橹赶虻捻槙r(shí)針?lè)较?，O為地心LC為軌道面切線；S以俯仰角pitch和 側(cè)擺角roll投射到地球表面E，過(guò)L作LL'垂直于軌道面0LC，即面SLL'垂直于面OLC;過(guò) L作線OS的垂面交SE于P'，過(guò)P'分別作OLC的垂線交于P，作SLL'的垂線交于L'；可 知，SP為SP'即SE在面OLC上的投影，SL'為SP'即SE在面SLL'上的投影；由定義可 知，Z LSL' = roll, Z LSP = pitch ；面OLC即軌道平面的單位法向量為$(aJ，c)，軌道傾 角為面OLC與赤道面的夾角，值為inc，即相應(yīng)法向量與二的夾角為inc ；1. 2對(duì)于給定的星下點(diǎn)及衛(wèi)星坐標(biāo)，采用上述參數(shù)橢圓模型進(jìn)行坐標(biāo)變換X = (N+H)cosBcosLY = (N+H)cosBsinLZ = [N(l-f)2+H]sinB其中，I = X1-^sin2jg，H為衛(wèi)星高度，B為星下點(diǎn)緯度，L為星下點(diǎn)經(jīng)度，a為地球短半軸，f為地球扁率，e為第一偏心率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于空間解析幾何的靈巧衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)時(shí)間窗口生成方法， 其特征在于，所述步驟③的具體過(guò)程為，3. 1由=且茶丄孩，即^ _ 得到法向量u參數(shù)如下c = cos(inc), —B±]B2-4AC 其中^ = 2Ahc，b = -(axs+czs)/ys ;inc 為軌道傾a = 一 2A， C = Zy + (C2 - 1)乂角，(Xs，ls, Zs)為眾向量坐標(biāo)； ，3. 2 得到軌道面方程為ax+by+CZ = 0，ASL,SE), / SE 量，湊為軌道面單位法向量；，3. 3得到對(duì)應(yīng)于星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)序列的roll序列和pitch序列 其中，|)^V’|、為向量，為步驟3. 2的結(jié)果，范為向量。
全文摘要
一種基于空間解析幾何的靈巧衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)時(shí)間窗口生成方法，包括以下六個(gè)步驟①構(gòu)建空間解析幾何關(guān)系模型，并利用其對(duì)給定的星下點(diǎn)及衛(wèi)星坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)變換；②初始化對(duì)星下點(diǎn)和目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，形成星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)序列；③角度逆推對(duì)星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)序列中的每個(gè)星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)進(jìn)行角度逆推，得到對(duì)應(yīng)于星下點(diǎn)目標(biāo)對(duì)序列的roll序列和pitch序列；④旋轉(zhuǎn)矩陣逆變換將步驟③中得到的roll序列和pitch序列通過(guò)逆變換轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)角度；⑤通過(guò)插值計(jì)算得到對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)的靈巧衛(wèi)星觀測(cè)角度曲線；⑥截取時(shí)間窗口。本發(fā)明具有操作簡(jiǎn)便、精確度高、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，能夠在靈巧衛(wèi)星三個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)的背景下得以應(yīng)用。
文檔編號(hào)G06F19/00GK101866393SQ20101018311
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者姚鋒, 張正強(qiáng), 賀仁杰, 邢立寧 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)