CN100585334C - 奔月段紫外敏感器地月拍图时间预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种奔月段紫外敏感器地月拍图时间预测方法，包括下列步骤：(1)选择满足地月拍摄光照条件的轨道弧段；(2)选择地月出现在紫外敏感器视场区域内的轨道弧段；(3)将同时满足步骤(1)和步骤(2)的轨道位置作为拍摄可选轨道，卫星发射后在所述的可选轨道到来之前，输入所述可选轨道对应的预测轨道位置、可选轨道之前某一时刻姿态矩阵、日月地星历及卫星姿态运动模型；计算预测时间段内的姿态矩阵、月心/地心矢量，并做出月心/地心矢量与视场中心矢量夹角随时间变化的曲线，由曲线与紫外敏感器视场大小得到连续的地球/月球可见时间范围[t₁～t₂]，根据得到的连续可见时间范围计算最佳时刻。

Description

奔月段紫外敏感器地月拍图时间预测方法

技术领域

本发明涉及一种奔月段采用紫外敏感器进行地月拍图时间预测的方法，属光学成像姿态敏感器领域。

背景技术

随着成像探测器件以及处理器技术的快速进步，航天器姿态敏感器逐渐由单元扫描式向成像式发展，紫外敏感器就是一种有别于传统地平仪的大视场成像式姿态敏感器。

紫外敏感器具备奔月段获取紫外地球、紫外月球图像的能力，不仅在科学数据上重要价值而且利用获取的地月图像信息并配合惯性姿态对于实现自主导航有重要价值。

首先紫外敏感器具有特殊的组合式视场分布，形成分瓣的天球覆盖，因此需要分析紫外敏感器视场模型；另外地球、月球属于反射太阳光成像，拍摄条件还需要有一定的太阳、地球/月球、卫星位置需求；还有，在不影响卫星运动模式状态下拍摄需要对卫星的下一步运动以及姿态变化进行预测，当然月球/地球出现在视场内的时间较短需要拍摄点时刻的准确预测才能实现地球/月球的成像。

紫外敏感器本身是一项全新的成像式姿态敏感器，本专利内容是在紫外敏感器基础上进行的扩展应用研究。此外，奔月段利用紫外敏感器进行月球/地球拍摄技术验证也是一项新任务，并经过了在轨飞行试验。利用紫外敏感器对月球/地球拍摄时间的准确预测算法均未见国内外报道。

国外科技动态[J]，2006年第9期，“欧洲第一个月球探测飞船智慧1号”中讲到Smart-1利用高精度相机在奔月段对月球进行成像，但没有具体说明弧段选择准则、最佳拍摄时刻的预测方式方法。

A elfving，L Stagnearo，A Winton，SMART-1：Key technologies andautonomy implementations.Acta Astronautic 52(2003)中介绍了用于奔月段月球拍摄相机的情况，不足在未说明拍摄弧段、最佳拍摄时间的选择方法。

美国专利US5319969，名称“Method for determining 3-axis spacecraftattitude”中介绍了一种利用紫外谱段姿态敏感器的三轴姿态确定方法，其中未涉及奔月段的拍摄预测问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种奔月段紫外敏感器地月拍图时间预测方法，该方法根据预测结果地面发送指令在最佳时刻拍摄地月紫外图像，达到不改变卫星运动模式实现对地球/月球的拍摄。

本发明的技术解决方案是：奔月段紫外敏感器地月拍图时间预测方法，包括下列步骤：

(1)根据标称轨道、卫星本体系内太阳矢量和月心矢量进行光照分析，选择满足地月拍摄光照条件的轨道弧段；

(2)按照预先设计的卫星姿态运动获得满足步骤(1)中的轨道弧段位置下的地球/月心矢量集，判断所述矢量集中是否有矢量存在于紫外敏感器视场区域内，选择满足紫外敏感器视场区域内的轨道弧段；

(3)将同时满足步骤(1)和步骤(2)的轨道位置作为拍摄可选轨道，卫星发射后在所述的可选轨道到来之前，输入所述可选轨道对应的预测轨道位置、可选轨道之前某一时刻姿态矩阵、日月地星历及卫星姿态运动模型；计算预测时间段内的姿态矩阵、月心/地心矢量，并做出月心/地心矢量与视场中心矢量夹角随时间变化的曲线，由曲线与紫外敏感器视场大小得到连续的地球/月球可见时间范围[t₁～t₂]，根据得到的连续可见时间范围计算最佳时刻。

所述步骤(1)中的光照分析过程为：计算太阳矢量V_S与月心矢量V_M或地心矢量V_E之间的夹角

计算公式为：

$\∂=a\cos (V_S\·V_i),$

当 $\∂>{\∂}_T,$ 认为此轨道位置下满足地月拍摄光照条件获得较好月相；

其中，V_i代表月心矢量V_M或地心矢量V_E；

为夹角阈值，大小根据拍摄需求确定。

所述步骤(3)中姿态矩阵的计算公式为：

C_t＝R_t·C₀

其中，R_t为姿态变换矩阵，根据卫星姿态运动模型确定；

C₀为输入的某一时刻姿态矩阵。

所述步骤(3)中计算月心/地心矢量公式为：

M_t＝R_t·M₀

E_t＝R_t·E₀

其中，M_t-t时刻的月心矢量；

      E_t-t时刻的地心矢量；

      R_t为姿态变换矩阵，根据卫星姿态运动模型确定；

      M₀-输入的某一时刻t₀对应的月心矢量。

所述步骤(3)中可见时间范围确定过程如下：

首先，计算t时刻的月心矢量M_t与地心矢量E_t与紫外敏感器视场的中心矢量Fs的夹角

计算公式为：

${\∂}_M\left(t\right)=a\cos (\mathrm{Fs}\·M_t)$

${\∂}_E\left(t\right)=a\cos (\mathrm{Fs}\·E_t)$

然后，将曲线对应的值与视场阈值T_FOV进行比较，当 ${\&PartialD;}_M<T_{\mathrm{FOV}},$ 说明月球可见，否则不可见；当 ${\&PartialD;}_E<T_{\mathrm{FOV}},$ 说明地球可见，否则不可见；连续可见的时间边界即为可见时间范围；其中，T_FOV为视场阈值等于紫外敏感器光学系统的视场大小。

所述步骤(3)中最佳时刻取所述可见时间范围[t₁～t₂]的中间值，或[t₁～t₂]时间范围最小的夹角

对应的时刻。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明技术将地月拍图预测分为发射前轨道选择工作及发射后及时预测工作，并按照视场角对最优拍摄点进行了预测，解决了利用紫外敏感器奔月阶段成功在轨拍摄地球、月球的问题。

(2)本发明通过计算太阳矢量与月心矢量/地心矢量之间的夹角进行光照分析，保证了所选择拍摄弧段内月球/地球图像具备较高成像条件与科学工程价值。

(3)本发明利用月心/地心矢量与视场中心矢量夹角分析手段获得连续成像区间的方法具有计算简单、完备的优点。

(4)本发明技术使用时间居中或最小夹角方法可以获得最优的拍摄时刻点，保证能拍摄到月球/地球并能拍摄到最优的图像。

附图说明

图1为本发明技术算法流程图；

图2为本发明实施例月心矢量与视场中心矢量夹角曲线；

图3为本发明实施例月心矢量连续处于视场内曲线；

图4为本方明实施例拍摄仿真图像。

具体实施方式

本发明中涉及的紫外敏感器可以采用Honeywell公司申请的专利号为US5837894名称“Wide Field of View Sensor with diffractive OpticalCorrector”中公开的一种利用紫外谱段的三轴姿态敏感器。还可以采用美国专利US5319969名称“Method for determining 3-axis spacecraft attitude”中公开的一种利用紫外谱段的三轴姿态敏感器。

下面对月球拍照为例具体进行说明。

如图1所示，为本发明的方法流程图，下面具体介绍该方法的实现过程。

(1)根据标称轨道(X，Y，Z)、卫星本体系内太阳矢量和月心矢量进行光照分析，选择满足地球/月球拍摄光照条件的轨道弧段；

光照分析过程为：根据太阳矢量V_S、月心矢量V_M计算夹角β：

β＝acos(V_S·V_M)

当β＞β_T，认为此轨道位置下满足光照条件获得较好月球图像，β_T为相角阈值根据需求进行选择，其中90°对应弦月，而一般要求大于30°否则只能看到很小的月牙，实施例阈值选择30°。

(2)按照预先设计的卫星姿态运动获得满足步骤(1)中的轨道弧段位置下的地球/月心矢量集，判断所述矢量集中是否有矢量存在于紫外敏感器视场区域内，选择满足紫外敏感器视场区域内的轨道弧段；

判断所述矢量集中是否有矢量存在于紫外敏感器视场区域内，方法为判断矢量与视场中心矢量F_s的夹角

是否小于视场角，选择紫外敏感器视场区域内的矢量对应的轨道位置；

(3)将同时满足步骤(1)和步骤(2)的轨道位置作为拍摄可选轨道，卫星发射后在所述的可选轨道到来之前，输入所述可选轨道对应的预测轨道位置、可选轨道之前某一时刻t₀姿态矩阵、日月地星历及卫星姿态运动模型；计算预测时间段内的姿态矩阵、月心/地心矢量，并做出月心/地心矢量与视场中心矢量夹角随时间变化的曲线，由曲线与紫外敏感器视场大小得到连续的地球/月球可见时间范围[t₁～t₂]，根据得到的连续可见时间范围计算最佳时刻。

本体系下的月心矢量V_M：

x_moon＝-0.6802；y_moon＝0.3213；z_moon＝-0.6589；

太阳矢量V_S：

x_sun＝1；y_sun＝0；z_sun＝0；

太阳矢量与月心矢量夹角β：

β＝acos(V_M·V_S)＝132.86°

可见夹角远大于30°，处于弦月与满月之间表现为凸月。

根据t₀姿态矩阵C₀计算预测时间区间[t₀～t_n]对应姿态矩阵C_t：

C_t＝R_t·C₀

其中R_t为姿态变换矩阵，是由卫星姿态运动模型确定，运用实例中设定卫星围绕+X轴转动，速度为0.1°/s记为V，选择预测时间长度t_L＝t_n-t₀为1小时，实施例中记t_n＝3600s，t₀＝0s，R_t为：

$R_t=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\&theta;}& \sin \mathrm{\&theta;}\\ 0& -\sin \mathrm{\&theta;}& \cos \mathrm{\&theta;}\end{array}\right]$

若选择绕+Y轴转动则：

$R_t=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&theta;}& 0& -\sin \mathrm{\&theta;}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\&theta;}& 0& \cos \mathrm{\&theta;}\end{array}\right]$

若选择绕+Z轴转动则：

$R_t=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&theta;}& \sin \mathrm{\&theta;}& 0\\ -\sin \mathrm{\&theta;}& \cos \mathrm{\&theta;}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

式中：θ＝(t-t₀)×V

根据姿态变换矩阵R_t获得时刻t下的月心矢量V_Mt和地心矢量V_Et。

M_t＝R_t·M₀

E_t＝R_t·E₀

计算月心矢量M_t地心矢量E_t与视场的中心法线Fs的夹角

${\&PartialD;}_M=a\cos (\mathrm{Fs}\&CenterDot;M_t)$

${\&PartialD;}_E=a\cos (\mathrm{Fs}\&CenterDot;E_t)$

${\&PartialD;}_M<T_{\mathrm{FOV}}$ 月球可见，否则不可见

${\&PartialD;}_E<T_{\mathrm{FOV}}$ 地球可见，否则不可见

T_FOV为视场阈值这就是敏感器光学系统的视场大小，例子中设定为10°。实施例中Fs取值如下：

x_Fs＝0    y_Fs＝0    z_Fs＝1

预测时间选择1小时，那么计算得到的预测时间内月心矢量与视场中心的夹角曲线见图2，搜索后视场内连续小于10°的曲线见图3，得到时间：

t₁＝2510(s)    t₂＝2760(s)

则最佳时刻t_optimal：

按照时间均值有：

$t_{\mathrm{optimal}}=\frac{t_2+t_1}{2}$ t_optimal＝2635(s)

[t₁～t₂]时间范围最小夹角

对应时刻：

$t_{\mathrm{optimal}}=\left\{t\right|{\&PartialD;}_t=\min (\&PartialD;)\}$ t_optimal＝2640(s)

可见两个标准下预测时间非常近似，时间平均值对应拍摄的仿真图见图4。

本发明思想与方法可以推广应用于其它空间敏感器的时间预测上，只要利用本发明的思想实现的方法都落入本发明的保护范围，本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1、奔月段紫外敏感器地月拍图时间预测方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)根据标称轨道、卫星本体系内太阳矢量和月心矢量进行光照分析，选择满足地月拍摄光照条件的轨道弧段；所述的光照分析过程为：计算太阳矢量V_S与月心矢量V_M或地心矢量V_E之间的夹角

$\&PartialD;=\arccos (V_S\&CenterDot;V_i)$

当 $\&PartialD;>{\&PartialD;}_T,$ 认为此轨道位置下满足地月拍摄光照条件获得较好月相；其中，V_i代表月心矢量V_M或地心矢量V_E；

为夹角阈值，大小根据拍摄需求确定

(2)按照预先设计的卫星姿态运动获得满足步骤(1)中的轨道弧段位置下的地球/月心矢量集，判断所述矢量集是否存在于紫外敏感器视场区域内，选择满足紫外敏感器视场区域内的轨道弧段；

(3)将同时满足步骤(1)和步骤(2)的轨道位置作为拍摄可选轨道，卫星发射后在所述的可选轨道到来之前，输入所述可选轨道对应的预测轨道位置、可选轨道之前某一时刻姿态矩阵、日月地星历及卫星姿态运动模型；计算预测时间段内的姿态矩阵、月心/地心矢量，并做出月心/地心矢量与视场中心矢量夹角随时间变化的曲线，由曲线与紫外敏感器视场大小得到连续的地球/月球可见时间范围[t₁～t₂]，根据得到的连续可见时间范围计算最佳时刻；

所述的计算月心/地心矢量公式为：

M_t＝R_t·M₀

E_t＝R_t·E₀

其中，M_t-t时刻的月心矢量；

E_t-t时刻的地心矢量；

R_t为姿态变换矩阵，根据卫星姿态运动模型确定；

M₀-输入的某一时刻t₀对应的月心矢量。

2、根据权利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍图时间预测方法，其特征在于：所述步骤(3)中姿态矩阵的计算公式为：

C_t＝R_t·C₀

其中，R_t为姿态变换矩阵，根据卫星姿态运动模型确定；

C₀为输入的某一时刻姿态矩阵。

3、根据权利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍图时间预测方法，其特征在于：所述步骤(3)中可见时间范围确定过程如下：

首先，计算t时刻的月心矢量M_t与地心矢量E_t与紫外敏感器视场的中心矢量Fs的夹角

计算公式为：

${\&PartialD;}_M\left(t\right)=\arccos (\mathrm{Fs}\&CenterDot;M_t)$

${\&PartialD;}_E\left(t\right)=\arccos (\mathrm{Fs}\&CenterDot;E_t)$

然后，将曲线对应的值与视场阈值T_FOV进行比较，当 ${\&PartialD;}_M<T_{\mathrm{FOV}},$ 说明月球可见，否则不可见；当 ${\&PartialD;}_E<T_{\mathrm{FOV}},$ 说明地球可见，否则不可见；连续可见的时间边界即为可见时间范围；其中，T_FOV为视场阈值等于紫外敏感器光学系统的视场大小。

4、根据权利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍图时间预测方法，其特征在于：所述步骤(3)中最佳时刻取所述可见时间范围[t₁～t₂]的中间值，或[t₁～t₂]时间范围最小的夹角

对应的时刻。

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