CN104077364A - 一种地球临边观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地球临边观测方法，包括以下步骤：(1)在地球形状为理想球形的假设基础上获取临边观测的卫星姿态解析解；(2)根据卫星工具包中的精确轨道外推模型以所述解析解为初值获取卫星姿态数值解；(3)根据卫星工具包中的地球大气模型计算预设观测弧段对应的所有卫星姿态数值解，获取规划观测弧段；(4)卫星在所述规划观测弧段内对大气临边观测，获取大气高度图像。本发明可有效解决地球临边观测卫星姿态角计算问题，且计算精度高、收敛速度快，利用卫星上的探测设备能获得精确的大气高度图像。

Description

一种地球临边观测方法

技术领域

本发明涉及大气探测与研究技术领域，具体的说，涉及一种地球临边观测方法。

背景技术

目前利用卫星对大气探测与研究的目的主要为了研究气候与环境变化，主要集中在大气气溶胶、水循环、地表生态监测等方面。现有技术中还没有利用卫星对地球临边辐射特性进行研究，以及获得大气切点位置精确的观测图像的方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种地球临边观测方法，其能够获得大气切点位置精确的观测图像。

为实现上述目的，本发明提供了一种地球临边观测方法，包括以下步骤：(1)在地球形状为理想球形的假设基础上获取临边观测的卫星姿态解析解；(2)根据卫星工具包中的精确轨道外推模型以所述解析解为初值获取卫星姿态数值解；(3)根据卫星工具包中的地球大气模型计算预设观测弧段对应的所有卫星姿态数值解，获取规划观测弧段；(4)卫星在所述规划观测弧段内对大气临边观测，获取大气高度图像。

本发明的优点在于，采用本发明所述的地球临边观测方法，利用卫星进行临边观测不仅空间覆盖率范围大、垂直分辨率高，而且不需要其他特定目标的辅助，可在轨道任意点执行观测；本发明可有效解决地球临边观测卫星姿态角计算问题，且计算精度高、收敛速度快，利用卫星上的探测设备能获得精确的大气高度图像。

附图说明

图1，本发明所述地球临边观测方法的流程图；

图2，本发明临边观测几何关系示意图；

图3，本发明卫星姿态滚转角对比示意图；

图4，本发明一实施例所述卫星滚转角解析解变化曲线示意图；

图5为图4对应切点大气实际高度变化曲线示意图；

图6，本发明卫星滚转角数值解变化曲线示意图；

图7为图6对应切点大气实际高度变化曲线示意图；

图8，本发明卫星视轴扫描过的大气轨迹示意图；

图9，本发明另一实施例所述一天内卫星滚转角变化示意图；

图10为图9对应切点大气实际高度变化曲线示意图；

图11，本发明卫星一天切过的大气轨迹三维图；

图12为图11对应的大气轨迹二维图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的一种地球临边观测方法做详细说明。

参见图1，本发明所述的地球临边观测方法的流程图，所述方法包括以下步骤：S11：在地球形状为理想球形的假设基础上获取临边观测的卫星姿态解析解；S12：根据卫星工具包中的精确轨道外推模型以所述解析解为初值获取卫星姿态数值解；S13：根据卫星工具包中的地球大气模型计算预设观测弧段对应的所有卫星姿态数值解，获取规划观测弧段；S14：卫星在所述规划观测弧段内对大气临边观测，获取大气高度图像。考虑卫星运动以及地球形状不规则，通过卫星姿态机动或探测设备上安装转台装置，使得探测器指向不同高度大气的切线方向进行探测；充分利用STK(Satellite Tool Kit，卫星工具包)中的精确轨道外推模型和地球大气模型，对地球临边观测的卫星姿态角进行高精度解算。以下是对上述步骤的详细描述。

S11：在地球形状为理想球形的假设基础上获取临边观测的卫星姿态解析解。

假设卫星初始姿态为对地定向，观测相机安装在卫星本体系正y轴，则只需通过改变卫星姿态滚转角便可调整大气临边观测高度。参考图2，临边观测的几何关系示意图，由图2可以看出调整卫星偏航角可以改变观测大气的地理位置，但对观测大气高度影响不大。因此，本发明在进行地球大气临边观测卫星姿态角计算时，只考虑卫星滚转角的计算，不考虑偏航角的计算；也即通过改变卫星姿态滚转角调整大气临边观测高度。。

根据图2所示的临边观测几何关系可以得到，当卫星相机视轴切过h₀高度的地球大气时，对应的卫星滚转角计算公式为：

R_大气＝R_e+h₀          (2)

其中，E₀为在地球形状为理想球形的假设基础上的卫星滚转角，R_卫星为卫星的地心距(即图2中卫星至地心O的实线所示距离)，Re为地球半径，h₀为所切大气切点距离地面的高度。

S12：根据卫星工具包中的精确轨道外推模型以所述解析解为初值获取卫星姿态数值解。

由于卫星运动存在漂移以及地球形状不规则的影响，利用步骤S11中的公式(1)和(2)计算的卫星姿态滚转角与实际满足任务规划的卫星姿态滚转角存在偏差。

参考图3，卫星姿态滚转角对比示意图，其中，E为满足观测高度要求的滚转角大小，P为对应的大气切点；E₀为在地球形状为理想球形的假设基础上的卫星滚转角大小，P₀为对应的大气切点。

根据图3的几何关系得到：

$\cos E=\frac{\cos E_0*\mathrm{OP}}{O{P}_0}---\left(3\right)$

OP₀＝R_e2+h₀        (4)

OP＝R_e1+h       (5)

其中，Re₁为P位置对应的地球半径，h为所要求观测的大气高度，Re₂为P₀位置对应的地球半径分别，h₀为P₁位置距离地面的高度。

假设R_e1＝R_e2，由(3)、(4)、(5)可得：

为了计算出高精度的E值，可将E₀的值作为初值，利用公式(6)迭代求出。

以E₀值作为初值利用公式(6)迭代求出卫星姿态数值解E值的具体计算步骤如下：

Step1，根据公式(1)确定卫星滚转角E₀的初值，并通过STK计算出对应的切点大气高度h₀；

Step2，根据Step1求出的E₀和h₀值，计算E_i+1＝arccos[cos E_i+(h-h_i)/R_卫星]和对应的切点大气高度h_i+1，其中，初始时E₀＝E_i、h₀＝h_i；

Step3，计算error_i＝|h_i-h|的差值，判断差值是否超出预设精度值，若是执行Step4，否则执行Step5，其中，所示预设精度值可以为5米；

Step4，若error_i超出预设精度值，则重新设置E₀值以及h₀值，E₀＝E_i+1、h₀＝h_i+1，返回Step2；

Step5，若error_i小于预设精度值，则此时E_i+1的值便是满足精度要求的解，获取E_i+1的值作为所述卫星姿态数值解。

S13：根据卫星工具包中的地球大气模型计算预设观测弧段对应的所有卫星姿态数值解，获取规划观测弧段。

S14：卫星在所述规划观测弧段内对大气临边观测，获取大气高度图像。

以下结合附图给出采用本发明所述的地球临边观测方法的实施例。

首先参考图4-8，其为对单轨20km高度大气临边观测的实施例，卫星轨道为700km太阳同步轨道，初始姿态对地定向，考虑卫星一个轨道周期内(5922.263s)对20km高度的大气进行临边扫描观测。其中，图4为本实施例所述卫星滚转角解析解变化曲线示意图，图5为图4对应切点大气实际高度变化曲线示意图，图6为本发明卫星滚转角数值解变化曲线示意图，图7为图6对应切点大气实际高度变化曲线示意图，图8，本发明卫星视轴扫描过的大气轨迹示意图。

基于图2所示临边观测的几何关系示意图，在地球形状为理想球形的假设基础上，通过调用STK的HPOP精确轨道外推模型，计算得到卫星在对地定向基础上姿态滚转角解析解随飞行时间的变化曲线如图4所示；根据得到的解析解计算得到卫星相机视轴切过的实际大气高度变化曲线如图5所示。由图5可以看出，在理想圆球假设的条件下，计算得到的切点大气高度在100～120之间变化，计算误差最大达到20％。

若利用本发明提供的方法，以上述的解析解为初值，通过数值迭代算法得到卫星滚转角的变化曲线如图6所示；利用得到的滚转角计算得到切点大气的实际高度如图7所示，卫星相机视轴扫过的大气轨迹如图8所示。

观察图7可以发现，利用本发明提供的方法得到的切点大气高度变化范围为19.994～20.005km，与预先规划的20km高度值相差不超过5m，计算精度高达万分之五。在进行每个步长的姿态角计算时，迭代次数均未超过6次，进一步证明了算法收敛快这一特点。

为了更清晰了解计算结果，表1分别列出了初始计算和精确计算的结果：

表1初始计算与精确计算对比。

接下来参考图9-12，其为全天候100km高度大气临边观测的实施例，卫星轨道为700km的太阳同步轨道，初始姿态对地定向，考虑卫星一天对100km高度大气临边观测。其中，图9为本发明另一实施例所述一天内卫星滚转角变化示意图，图10为图9对应切点大气实际高度变化曲线示意图，图11为本发明卫星一天切过的大气轨迹三维图，图12为图11对应的大气轨迹二维图。

利用本发明提供的方法得到卫星滚转角变化曲线和切过的大气高度变化曲线分别如图9和图10所示。为了更直观了解100km大气临边特性观测情况，图11给出了卫星一天内扫过的100km高度大气轨迹三维图，对应二维图如图12所示。

分析图9可以看出，卫星滚转角呈周期性变化，且变化周期与卫星轨道周期几乎一致。这主要是由地球形状和卫星周期性运动造成的。当卫星星下点纬度接近零度时，观测到的是赤道上空的大气，此时地球半径最大，故卫星在赤道上空进行临边观测时滚转方向上的姿态机动量较小。地球一天绕地轴转动360°，因此卫星全天候的临边观测可以保证扫过整个经度上的大气。另外，700km太阳同步卫星单轨覆盖的纬度范围在[57.99°S，74.28°N]，因此大部分纬度上的大气也可以观测到。

采用本发明所述的地球临边观测方法，利用卫星进行临边观测不仅空间覆盖率范围大、垂直分辨率高，而且不需要其他特定目标的辅助，可在轨道任意点执行观测。本发明可有效解决地球临边观测卫星姿态角计算问题，且计算精度高、收敛速度快，利用卫星上的探测设备能获得精确的大气高度图像。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种地球临边观测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在地球形状为理想球形的假设基础上获取临边观测的卫星姿态解析解；

(2)根据卫星工具包中的精确轨道外推模型以所述解析解为初值获取卫星姿态数值解；

(3)根据卫星工具包中的地球大气模型计算预设观测弧段对应的所有卫星姿态数值解，获取规划观测弧段；

(4)卫星在所述规划观测弧段内对大气临边观测，获取大气高度图像。

2.根据权利要求1所述地球临边观测方法，其特征在于，通过改变卫星姿态滚转角调整大气临边观测高度。

3.根据权利要求1所述地球临边观测方法，其特征在于，所述卫星姿态解析解为：

R_大气＝R_e+h₀，

其中，E₀为在地球形状为理想球形的假设基础上的卫星姿态角，R_卫星为卫星的地心距，

Re为地球半径，h₀为所切大气切点距离地面的高度。

4.根据权利要求3所述地球临边观测方法，其特征在于，卫星姿态数值解为：

其中，h为所要求观测的大气高度，以E₀值作为初值迭代求出卫星姿态数值解E值。

5.根据权利要求4所述地球临边观测方法，其特征在于，以E₀值作为初值迭代求出卫星姿态数值解E值进一步包括：

(21)根据E₀值和h₀值，计算E_i+1＝arccos[cos E_i+(h-h_i)/R_卫星]和对应的所切大气切点距离地面的高度h_i+1，其中，初始时E₀＝E_i、h₀＝h_i；

(22)判断error_i＝|h_i-h|是否超出预设精度值，若是执行步骤(23)，否则执行步骤(24)；

(23)重新设置E₀值和h₀值，并返回执行步骤(21)，其中，设置E₀＝E_i+1、h₀＝h_i+1；

(24)获取此时E_i+1的值作为所述卫星姿态数值解。

6.根据权利要求5所述地球临边观测方法，其特征在于，所述预设精度值为5米。