CN103592643A - 一种用于光学遥感卫星确定太阳强反射区位置的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于光学遥感卫星确定太阳强反射区位置的方法，根据光学遥感卫星在既定时段内的轨道信息进行太阳强反射区的位置计算，同时描述太阳强反射区的位置与卫星本体、太阳之间的实时对应关系，通过计算结果和判定准则确定在该既定时段内太阳强反射区是否在卫星可观测范围内，在满足太阳强反射区在卫星可观测范围内的条件下，计算并描述卫星对该区域进行实时观测需对应的俯仰角和侧摆角。本方法可直接准确的确定光学遥感卫星在成像时段太阳强反射区是否存在，并能够明确的描述太阳强反射区与卫星之间的位置对应关系及卫星观测太阳反射区所需要的姿态机动方向和角度。

Description

一种用于光学遥感卫星确定太阳强反射区位置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于光学遥感卫星确定太阳强反射区位置的方法，用于确定光学遥感卫星在运行过程中随之时刻变化的太阳强反射区位置以及对太阳强反射区观测有特殊用处或为了躲避太阳强反射区而观测的卫星工作任务规划，属于光学遥感卫星成像条件设计与分析领域。

背景技术

被动成像的光学遥感卫星对地球表面物体成像通常是靠太阳反射光来获取信息。通过对星上传感器增益及动态范围的调整，最佳的信号强度是在一定的太阳高度角下，地物对太阳光的散色和漫反射而形成的，但在可成像的时段内，有一个区域会因为太阳、地球、卫星三者的特殊角度关系形成镜面反射，该区域位置时刻变化，其信号强度由于明显强于其它区域通常会造成信号饱和，从而导致该区域的信息无效。以往光学遥感卫星通常选择上午或下午的太阳高度角，并以星下点观测为主，故太阳强反射区出现在探测器视场中的概率不大，而有些大视场载荷，即便是在成像区域存在强反射的图像亮斑，也是大范围图像中很小的部分区域。因此，以往的光学遥感卫星受太阳强反射区的影响不大，没有专门针对性的研究该区域与卫星载荷工作区域的位置关系。故以往未有针对确定光学遥感卫星太阳强反射区位置区域随卫星变化规律的计算方法。

而有一类新型、特殊用途的卫星（以温室气体监测卫星为代表的大气观测专用卫星）恰恰需要寻找该区域，利用该区域的强反射信号，对以海洋为背景的地球表层气体吸收观测，要通过太阳的强反射光来进行能量增强，这种工作模式通常称为耀斑观测模式（即强反射区观测模式），即从光线反向追击的原理出发测量太阳在地球表面的直接反射，提高仪器高精度测量的能力，特别是对在海洋上空的观测，可以直接观测大气的强反射信号，有利于提供很高的信噪比。

随着温室气体监测等卫星的出现，对太阳强反射区的位置确定越来越重要，有时需要利用，而有时需要躲避。而由于强反射区的位置随轨道、时间等因素的不同而时刻变化，且不具有准确的周期性。因此需要对特殊条件下的强反射区位置有比较准确的计算方法，用于卫星成像及观测的任务规划。发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于光学遥感卫星确定太阳强反射区位置的方法，解决了用于温室气体监测卫星实施太阳强反射区观测进行任务规划以及其它光学遥感卫星成像时有效躲避太阳强反射区的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种用于光学遥感卫星确定太阳强反射区位置的方法，包括步骤如下：

（1）确定地球观测卫星的轨道计算参数；

（2）根据步骤（1）中确定的卫星轨道计算参数以及卫星、太阳和地球的相互位置关系计算出以每秒为间隔的固定时间段内太阳强反射区相对于卫星、太阳的实时位置；

（3）判断卫星观测范围内是否存在太阳强反射区，若存在则进入步骤（4），否则进入步骤（6）；

（4）计算太阳强反射区与卫星连线的矢量，并将太阳强反射区与观测卫星连线的矢量投影到观测卫星本体坐标系中；

（5）计算卫星观测太阳强反射区需要姿态机动的俯仰角度和侧摆角度；

（6）观测结束。

所述步骤（2）中所述的固定时间通常设定为1000-5000秒。

所述步骤（2）中确定太阳强反射区的实时位置方法如下：卫星、太阳、地球和强反射区之间存在如下数学关系：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}+\mathrm{\δ}=\mathrm{\β}+\mathrm{\γ}\\ \mathrm{\α}+\mathrm{\γ}=\mathrm{arc}\cos \left(\mathrm{dot}(\frac{R_{\mathrm{Sat}}}{\left|R_{\mathrm{Sat}}\right|},\frac{R_{\mathrm{Sun}}}{\left|R_{\mathrm{Sun}}\right|})\right)\\ \frac{\sin \left(\mathrm{\δ}\right)}{R_e}=\frac{\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\ϵ})}{\left|R_{\mathrm{Sun}}\right|}=\frac{\sin (\mathrm{\π}-(\mathrm{\α}+\mathrm{\δ}))}{\left|R_{\mathrm{Sun}}\right|}\\ \frac{\sin \left(\mathrm{\β}\right)}{R_e}=\frac{\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\ϵ})}{\left|R_{\mathrm{Sat}}\right|}=\frac{\sin (\mathrm{\π}-(\mathrm{\β}+\mathrm{\γ}))}{\left|R_{\mathrm{Sat}}\right|}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，α为太阳与地心连线和强反射区点与地心连线的夹角，β为强反射区与卫星的连线和地心与卫星的连线的夹角，γ为卫星与地心连线和强反射区点与地心连线的夹角，R_e为地球半径，R_Sat、|R_Sat|分别表示地心和卫星连线向量的矢量和标量，R_Sun、|R_Sun|分别表示地心和太阳连线向量的矢量和标量，dot表示两个向量的内积；

通过上述四组方程求解得到[α,β,γ,δ]，即太阳强反射区相对于卫星、太阳的实时位置关系，以相对角度来表示。

所述步骤（3）中卫星观测范围内是否存在太阳强反射区的判断方法如下：

判断所计算的太阳强反射区位置是否在±η范围内，其中η为太阳光照射地球面的弧度角度，若在该范围内，则存在太阳强反射区，否则卫星观测范围内不存在太阳强反射区；即满足如下条件：

$\arccos \left(\mathrm{dot}(\frac{R_{\mathrm{Sun}}-R_{\mathrm{Sat}}}{|R_{\mathrm{Sun}}-R_{\mathrm{Sat}}|},\frac{R_{\mathrm{Sun}}}{\left|R_{\mathrm{Sun}}\right|})\right)>>\mathrm{\η}---\left(2\right)$

其中R_Sat表示地心和卫星连线向量的矢量；R_Sun表示地心和太阳连线向量的矢量；

角度η计算如下：

$\mathrm{\η}=\arcsin \left(\frac{R_e}{R_{\mathrm{Sun}}}\right)---\left(3\right)$

所述步骤（4）中太阳强反射区与卫星连线的矢量Sator计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\left|O_r{O}_e\right|=R_e\\ \mathrm{Sator}=O_r{O}_e-R_{\mathrm{Sat}}\\ \mathrm{\α}=\mathrm{arc}\cos \left(\mathrm{dot}(\frac{O_r{O}_e}{\left|O_r{O}_e\right|},\frac{R_{\mathrm{Sun}}}{{|R}_{\mathrm{Sun}}|})\right)\\ \mathrm{\γ}=\mathrm{arc}\cos \left(\mathrm{dot}(\frac{O_r{O}_e}{\left|O_r{O}_e\right|},\frac{R_{\mathrm{Sat}}}{R_{\mathrm{Sat}}})\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

通过上述三组方程求解，能得到矢量Sator；其中R_Sat、|R_Sat|分别表示地心和卫星连线向量的矢量和标量，R_Sun、|R_Sun|分别表示地心和太阳连线向量的矢量和标量，O_rO_e表示太阳强反射区点与地心连线的矢量。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

（1）本发明能够根据卫星本身实时参数直接计算确定任意时段内太阳相对于卫星的强反射区的实时位置，并直接确定卫星需要进行太阳强反射区观测的俯仰角和侧摆角，便于卫星直接进行耀斑观测模式（即对强反射区进行观测）的姿态机动，解决了用于温室气体监测卫星实施太阳强反射区观测进行任务规划以及其它光学遥感卫星成像时有效躲避太阳强反射区的问题。

（2）本发明根据相对位置时刻变化的卫星、太阳和地球的关系，设计算法并列出矢量方程组，相比于以往根据图像信息来判断是否成像到了强反射区的主观方法，本发明对太阳强反射区位置的判断更为科学、准确且可以实现预判。同时本发明也用卫星侧摆角和俯仰角的表达方式描述了卫星与强反射区之间的位置关系，可作为卫星姿态机动的模式输入信息。

附图说明

图1为本发明方法流程示意图；

图2为本发明确定太阳强反射区位置示意图；

图3为本发明确定太阳光照射地球面的弧度角度示意图；

图4为本发明某卫星轨道一圈内进行太阳耀斑观测需要的姿态角度随时间的变化；

图5为某卫星轨道一圈内卫星进行太阳耀斑观测需要的姿态角度随纬度的变化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示，本发明一种用于光学遥感卫星确定太阳强反射区位置的方法，包括步骤如下：

（1）确定地球观测卫星的轨道计算参数（轨道计算参数包括轨道半长轴、轨道偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、真近点角，可以得到卫星轨道和位置的所有基本信息）；

（2）根据步骤（1）中确定的卫星轨道计算参数以及卫星、太阳和地球的相互位置关系计算出以每秒为间隔的固定时间段内（通常要描述卫星绕地球运行一圈以上时间内的太阳强反射区位置，故时间段范围通常设定为1000-5000秒）太阳强反射区相对于卫星、太阳的实时位置（用相对角度来表示）；如图2所示，根据两个三角形的相互关系确定卫星、太阳、地球和强反射区之间存在如下数学关系：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}+\mathrm{\δ}=\mathrm{\β}+\mathrm{\γ}\\ \mathrm{\α}+\mathrm{\γ}=\mathrm{arc}\cos \left(\mathrm{dot}(\frac{R_{\mathrm{Sat}}}{\left|R_{\mathrm{Sat}}\right|},\frac{R_{\mathrm{Sun}}}{\left|R_{\mathrm{Sun}}\right|})\right)\\ \frac{\sin \left(\mathrm{\δ}\right)}{R_e}=\frac{\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\ϵ})}{\left|R_{\mathrm{Sun}}\right|}=\frac{\sin (\mathrm{\π}-(\mathrm{\α}+\mathrm{\δ}))}{\left|R_{\mathrm{Sun}}\right|}\\ \frac{\sin \left(\mathrm{\β}\right)}{R_e}=\frac{\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\ϵ})}{\left|R_{\mathrm{Sat}}\right|}=\frac{\sin (\mathrm{\π}-(\mathrm{\β}+\mathrm{\γ}))}{\left|R_{\mathrm{Sat}}\right|}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，α为太阳与地心连线和强反射区点与地心连线的夹角，β为强反射区与卫星的连线和地心与卫星的连线的夹角，γ为卫星与地心连线和强反射区点与地心连线的夹角，R_e为地球半径，R_Sat、|R_Sat|分别表示地心和卫星连线向量的矢量和标量，R_Sun、|R_Sun|分别表示地心和太阳连线向量的矢量和标量，dot表示两个向量的内积；

通过上述四组方程求解得到[α,β,γ,δ]，即太阳强反射区相对于卫星、太阳的实时位置关系。

（3）判断卫星观测范围内是否存在太阳强反射区，若存在则进入步骤（4），否则进入步骤（6）；卫星观测范围内是否存在太阳强反射区的判断方法如下：

判断所计算的太阳强反射区位置是否在±η范围内，其中η为太阳光照射地球面的弧度角度，若在该范围内，则存在太阳强反射区，否则卫星观测范围内不存在太阳强反射区；即满足如下条件：

$\arccos \left(\mathrm{dot}(\frac{R_{\mathrm{Sun}}-R_{\mathrm{Sat}}}{|R_{\mathrm{Sun}}-R_{\mathrm{Sat}}|},\frac{R_{\mathrm{Sun}}}{\left|R_{\mathrm{Sun}}\right|})\right)>>\mathrm{\η}---\left(2\right)$

其中R_Sat表示地心和卫星连线向量的矢量；R_Sun表示地心和太阳连线向量的矢量；

如图3所示，角度η计算如下：

$\mathrm{\η}=\arcsin \left(\frac{R_e}{R_{\mathrm{Sun}}}\right)---\left(3\right)$

（4）计算太阳强反射区与卫星连线的矢量，并将太阳强反射区与观测卫星连线的矢量投影到观测卫星本体坐标系中；太阳强反射区与卫星连线的矢量Sator计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\left|O_r{O}_e\right|=R_e\\ \mathrm{Sator}=O_r{O}_e-R_{\mathrm{Sat}}\\ \mathrm{\α}=\mathrm{arc}\cos \left(\mathrm{dot}(\frac{O_r{O}_e}{\left|O_r{O}_e\right|},\frac{R_{\mathrm{Sun}}}{{|R}_{\mathrm{Sun}}|})\right)\\ \mathrm{\γ}=\mathrm{arc}\cos \left(\mathrm{dot}(\frac{O_r{O}_e}{\left|O_r{O}_e\right|},\frac{R_{\mathrm{Sat}}}{R_{\mathrm{Sat}}})\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

通过上述三组方程求解，能得到矢量Sator；其中R_Sat、|R_Sat|分别表示地心和卫星连线向量的矢量和标量，R_Sun、|R_Sun|分别表示地心和太阳连线向量的矢量和标量，O_rO_e表示太阳强反射区点与地心连线的矢量。

（5）计算观测卫星俯仰角和侧摆角，根据卫星观测到太阳强反射区需相对于星下点侧摆和俯仰的角度来描述太阳强反射区相对于卫星本体的具体位置，如图4、5所示，将矢量Sator转换到观测卫星本体坐标系后，将Sator投射到卫星本体坐标系的YOZ平面中，定义侧摆角(有方向)和俯仰角，计算进行太阳强反射区观测（耀斑观测）随时间和纬度变化需要的侧摆和俯仰角度；

（6）观测结束。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种用于光学遥感卫星确定太阳强反射区位置的方法，其特征在于步骤如下：

（1）确定地球观测卫星的轨道计算参数；

（2）根据步骤（1）中确定的卫星轨道计算参数以及卫星、太阳和地球的相互位置关系计算出以每秒为间隔的固定时间段内太阳强反射区相对于卫星、太阳的实时位置；

（3）判断卫星观测范围内是否存在太阳强反射区，若存在则进入步骤（4），否则进入步骤（6）；

（4）计算太阳强反射区与卫星连线的矢量，并将太阳强反射区与观测卫星连线的矢量投影到观测卫星本体坐标系中；

（5）计算卫星观测太阳强反射区需要姿态机动的俯仰角度和侧摆角度；

（6）观测结束。

2.根据权利要求1所述的一种用于光学遥感卫星确定太阳强反射区位置的方法，其特征在于在：所述步骤（2）中所述的固定时间设定为1000-5000秒。

3.根据权利要求1所述的一种用于光学遥感卫星确定太阳强反射区位置的方法，其特征在于：所述步骤（2）中确定太阳强反射区相对于卫星、太阳的实时位置方法如下：卫星、太阳、地球和强反射区之间存在如下数学关系：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}+\mathrm{\δ}=\mathrm{\β}+\mathrm{\γ}\\ \mathrm{\α}+\mathrm{\γ}=\mathrm{arc}\cos \left(\mathrm{dot}(\frac{R_{\mathrm{Sat}}}{\left|R_{\mathrm{Sat}}\right|},\frac{R_{\mathrm{Sun}}}{\left|R_{\mathrm{Sun}}\right|})\right)\\ \frac{\sin \left(\mathrm{\δ}\right)}{R_e}=\frac{\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\ϵ})}{\left|R_{\mathrm{Sun}}\right|}=\frac{\sin (\mathrm{\π}-(\mathrm{\α}+\mathrm{\δ}))}{\left|R_{\mathrm{Sun}}\right|}\\ \frac{\sin \left(\mathrm{\β}\right)}{R_e}=\frac{\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\ϵ})}{\left|R_{\mathrm{Sat}}\right|}=\frac{\sin (\mathrm{\π}-(\mathrm{\β}+\mathrm{\γ}))}{\left|R_{\mathrm{Sat}}\right|}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，α为太阳与地心连线和强反射区点与地心连线的夹角，β为强反射区与卫星的连线和地心与卫星的连线的夹角，γ为卫星与地心连线和强反射区点与地心连线的夹角，R_e为地球半径，R_Sat、|R_Sat|分别表示地心和卫星连线向量的矢量和标量，R_Sun、|R_Sun|分别表示地心和太阳连线向量的矢量和标量，dot表示两个向量的内积；

通过上述四组方程求解得到[α,β,γ,δ]，即太阳强反射区相对于卫星、太阳的实时位置关系，以相对角度进行描述。

4.根据权利要求1所述的一种用于光学遥感卫星确定太阳强反射区位置的方法，其特征在于：所述步骤（3）中卫星观测范围内是否存在太阳强反射区的判断方法如下：

判断所计算的太阳强反射区位置是否在±η范围内，其中η为太阳光照射地球面的弧度角度，若在该范围内，则存在太阳强反射区，否则卫星观测范围内不存在太阳强反射区；即满足如下条件：

$\arccos \left(\mathrm{dot}(\frac{R_{\mathrm{Sun}}-R_{\mathrm{Sat}}}{|R_{\mathrm{Sun}}-R_{\mathrm{Sat}}|},\frac{R_{\mathrm{Sun}}}{\left|R_{\mathrm{Sun}}\right|})\right)>>\mathrm{\η}---\left(2\right)$

其中R_Sat表示地心和卫星连线向量的矢量；R_Sun、|R_Sun|分别表示地心和太阳连线向量的矢量和标量；

角度η计算如下：

$\mathrm{\η}=\arcsin \left(\frac{R_e}{R_{\mathrm{Sun}}}\right)---\left(3\right)$

5.根据权利要求1所述的一种用于光学遥感卫星确定太阳强反射区位置的方法，其特征在于：所述步骤（4）中太阳强反射区与卫星连线的矢量Sator计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\left|O_r{O}_e\right|=R_e\\ \mathrm{Sator}=O_r{O}_e-R_{\mathrm{Sat}}\\ \mathrm{\α}=\mathrm{arc}\cos \left(\mathrm{dot}(\frac{O_r{O}_e}{\left|O_r{O}_e\right|},\frac{R_{\mathrm{Sun}}}{{|R}_{\mathrm{Sun}}|})\right)\\ \mathrm{\γ}=\mathrm{arc}\cos \left(\mathrm{dot}(\frac{O_r{O}_e}{\left|O_r{O}_e\right|},\frac{R_{\mathrm{Sat}}}{R_{\mathrm{Sat}}})\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

通过上述三组方程求解，能得到矢量Sator；其中R_Sat、|R_Sat|分别表示地心和卫星连线向量的矢量和标量，R_Sun、|R_Sun|分别表示地心和太阳连线向量的矢量和标量，O_rO_e表示太阳强反射区点与地心连线的矢量。

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