CN104123461B - 一种用于空间物体光度分析的光照可视关系计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地基光电观测领域，公开了一种用于空间物体光度分析的光照可视关系计算方法，方法包括以下步骤：轨道计算获取空间物体的位置和速度矢量；基于位置和速度矢量建立轨道坐标系；引入姿态参量建立空间物体本体坐标系；进行照明矢量和观测矢量的计算。本方法克服了传统用相位角（空间物体‑测站‑太阳之间的夹角)来表征空间物体光照可视关系的不足，将简化的质点运动推广到有外形结构的轨道运动和姿态运动上，更具体的描述空间物体在空间被太阳照明后被测站设备观测的情况，直接服务于空间物体的光度特性研究。
Description
技术领域
本发明属于地基光电观测领域，涉及一种用于空间物体光度分析的光照可视关系计算方法。
背景技术
空间物体在太空中运行时自身并不发光，地面观测得到的光度信息主要来自其反射的太阳光。相对地面观测者而言，空间物体及主要的照明光源(太阳)都不是静止不动的，空间物体既有相对于稳定轴的姿态旋转(自转)，也有空间位置运动(绕地球公转)；由于地球自转和绕太阳公转，太阳相对地面观测者也有短周期的日变化和长周期的年变化。复杂的相对位置变化，带来了复杂的光照条件和反射条件变化。
在当前的空间物体光度特性描述中，经常使用相位角(太阳-目标-测站的空间夹角)来表述空间物体的被照明和可视关系，这样的描述体系将空间物体的运动视为质点运动，未考虑其自身形状和姿态运动，以及与太阳相对位置的年变化。为了更确切地描述空间物体的被照明和可视关系，由其反演、仿真、确定空间物体的姿态变化，为空间物体的光度标定和特性提取服务，需要建立一种更精确的光照可视关系计算方法。
发明内容
本方法克服了传统用相位角(空间物体-测站-太阳之间的夹角)来表征空间物体光照可视关系的不足，将简化的质点运动推广到有外形结构的轨道运动和姿态运动上，更具体的描述空间物体在空间被太阳照明后被测站设备观测的情况，直接服务于空间物体的光度特性研究。
所述方法包括以下步骤：
步骤一：计算获取当前历元真赤道真春分点坐标系下空间物体的位置、速度矢量和
(1)利用SGP4或SDP4模型进行空间物体Tle轨道根数的外推预报计算，获取当前历元轨道坐标系下的位置和速度矢量；
(2)空间物体在当前历元轨道坐标系下位置和速度矢量转换至当前历元真赤道真春分点坐标系下的位置、速度矢量和
(3)同时获取光源和测站在当前历元真赤道真春分点坐标系的位置矢量和所述光源为太阳。
步骤二：基于空间物体的在当前历元真赤道真春分点坐标系下的位置和速度矢量建立轨道坐标系；
空间物体轨道平面为坐标平面，z0轴由质心指向地心，x0轴在轨道平面内与z0轴垂直并指向空间物体速度方向，y0轴与x0、z0轴右手正交且与轨道平面的的法线平行，通常称x0、y0、z0轴分别为滚动、俯仰和偏航轴。
步骤三：引入姿态参量建立空间物体本体坐标系；
引入空间物体姿态的三个欧拉角－偏航角ψ、俯仰角θ和滚动角φ，构造空间物体本体坐标系与轨道坐标系的映射关系。
三个欧拉角的定义如下：
偏航角ψ：空间物体滚动轴(指向空间物体速度方向)在当地水平面上的投影与轨道轴的夹角；
俯仰角θ：空间物体滚动轴与其在当地水平面上的投影的夹角；
滚动角空间物体俯仰轴与其在当地水平面上的投影的夹角。
步骤四：进行照明矢量和观测矢量的计算。
根据步骤三建立的坐标映射关系，将太阳和测站的位置矢量和转换至本体坐标系下照明矢量和观测矢量并转换成方位角和高度角。
本发明的技术方案与现有技术相比具有如下技术效果：
(1)本方法将空间物体的外形参数和姿态参数纳入光照可视关系的计算方法中，可直观描述各个立面随时间的照射可视关系。
(2)现有体系用一个参量-相位角来描述光照可视关系，则同一个相位角可能对应多个实际照射可视情况，本方法用四个参量描述光源照射和测站可视关系，更加精确也更加唯一。
附图说明
图1为本发明的空间物体光照可视关系计算流程图；
图2为本发明的空间物体轨道坐标系示意图；
图3为本发明的空间物体本体坐标系示意图。
具体实施方式
本发明所述的空间物体光度分析的光照可视关系计算方法，具体实施过程如下：
步骤一：计算获取当前历元真赤道真春分点坐标系下的位置、速度矢量和
(1)利用SGP4或SDP4模型进行空间物体Tle轨道根数的外推预报计算，获取当前历元轨道坐标系下的坐标矢量；
利用SGP4(Simplified General Perturbations Satellite Orbit Model 4)或SDP4(Simplified Deep Space Perturbations Satellite Orbit Model 4)进行Tle(Two-Line Element)数据的预报计算。
根据空间物体的Tle根数，根据空间物体的周期不同，分别调用SGP4或是SDP4模型进行计算，得到在Tle坐标系(当前历元轨道坐标系)下的空间物体的位置和速度信息。
(2)空间物体在当前历元轨道坐标系下位置和速度矢量转换至当前历元真赤道真春分点坐标系下的位置、速度矢量和
Tle数据的坐标系是其数据时刻历元的轨道坐标系，计算出来的位置和速度信息也是当前历元轨道坐标下的，可得到当前历元轨道坐标系下位置和速度矢量和至当前历元真赤道真春分点坐标系下矢量的转换关系，即
这里的μ和Δμ是赤经岁差和章动；RZ参见公式(11)。
(3)获取光源(太阳)和测站在当前历元真赤道真春分点坐标系中的位置矢量和
利用太阳平根数计算太阳在当前历元真赤道真春分点坐标系下坐标矢量；
太阳位置利用平根数计算获取，太阳在J2000历元天球坐标系中的平均轨道根数为：
其中d和T分别为由标准历元J2000.0起算的儒略日和世纪数，具体计算公式如下：
由太阳的平根数计算公式获取t时刻的轨道根数后，通过轨道根数与位置矢量的转换公式可以获得太阳的坐标矢量，公式如下：
其中：a、e分别为太阳轨道的半长径、偏心率，E为太阳轨道的偏近点角。
其中：(GR)为J2000历元天球坐标系到瞬时真赤道地心系的转换矩阵。
计算测站在当前历元真赤道真春分点坐标系下坐标矢量；
其中：其中λ、分别是测站的地理经度、地理纬度。ae是参考椭球体的赤道半径，f即参考椭球体的扁率ae＝6378.136km，f＝0.00335281,(ER)T为准地固坐标系到瞬时真赤道地心系的转换矩阵，(EP)T为地固坐标系到准地固坐标系之间的转换矩阵。
各旋转矩阵Rx(θ),…的计算公式为
旋转矩阵Rx(θ),…是正交矩阵，有步骤二：基于空间物体的在当前历元真赤道真春分点坐标系下的位置和速度矢量建立轨道坐标系；
轨道坐标系是常用的空间物体本体坐标系，对地定向的三轴稳定空间物体(如遥感空间物体、通信空间物体)的姿态就定义在此坐标系中。其以空间物体轨道平面为坐标平面，z0轴由质心指向地心，x0轴在轨道平面内与z0轴垂直并指向空间物体速度方向，y0轴与x0、z0轴右手正交且与轨道平面的的法线平行，如图3，此坐标系在空间中是旋转的。通常称x0、y0、z0为滚动、俯仰和偏航轴。
利用空间物体轨道运动的位置和速度矢量，可将轨道坐标系的各坐标轴的单位矢量表示为：
和构成了右手螺旋系，其中和为目标的位置和速度矢量。
步骤三：引入姿态参量建立空间物体本体坐标系；
轨道坐标系只是一种参考坐标系，对姿态的描述即体现星体在这个坐标系坐标轴方向的物理量，称为姿态参数，引入空间物体姿态的三个欧拉角－偏航角ψ、俯仰角θ和滚动角φ，构造本体坐标系与轨道坐标系的映射关系。
三个欧拉角的定义如下：
偏航角ψ：空间物体滚动轴在当地水平面上的投影与轨道轴的夹角；所述指向空间物体速度方向；
俯仰角θ：空间物体滚动轴与其在当地水平面上的投影的夹角；
滚动角空间物体俯仰轴与其在当地水平面上的投影的夹角。
轨道坐标系与本体坐标系之间转换关系--姿态矩阵的表达如下：
步骤四：进行照明矢量和观测矢量的计算。
根据步骤三建立的坐标映射关系，将太阳和测站的位置矢量和转换至本体坐标系下的方位角和高度角。(参见公式16)
根据矢量运算定律，可得任意一个当前历元真赤道真春分点坐标系矢量转换到本体坐标系中矢量的映射关系，具体如下：
则转换至方位角A和高度角h的计算公式如下：
在上述坐标转换关系的基础上，建立空间物体的本体坐标系，将研究涉及到的测站矢量太阳矢量作为分别代入公式(15)中进行坐标转换，转换到本体坐标系中观测矢量和照明矢量再进行方位角和高度角的计算，这样就可以获得太阳照射关系Asun、hsun和测站的可视关系Astation、hstation，利用这四个参量表征空间物体被太阳照射和测站可视关系，分析其可视条件随时间的变化。
本发明的技术效果是将空间物体的外形参数和姿态参数纳入光照可视关系的计算方法中，可直观描述各个立面随时间的照射可视关系；现有体系用一个参量-相位角来描述光照可视关系，则同一个相位角可能对应多个实际照射可视情况，本方法用四个参量描述光源照射和测站可视关系，更加精确也更加唯一。
Claims (5)
1.一种用于空间物体光度分析的光照可视关系计算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：计算获取当前历元真赤道真春分点坐标系下空间物体的位置、速度矢量和
步骤二：基于空间物体的在当前历元真赤道真春分点坐标系下的位置和速度矢量建立轨道坐标系；
步骤三：引入姿态参量建立空间物体本体坐标系，构造本体坐标系与轨道坐标系的映射关系；所述姿态参量为空间物体姿态的三个欧拉角－偏航角ψ、俯仰角θ和滚动角φ；
步骤四：进行照明矢量和观测矢量的计算；所述照明矢量为太阳-卫星矢量，所述观测矢量为测站-卫星矢量。
2.根据权利要求1所述的光照可视关系计算方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：
1)利用SGP4或SDP4模型进行空间物体Tle轨道根数的外推预报计算，获取当前历元轨道坐标系下的位置和速度矢量；
2)将空间物体在当前历元轨道坐标系下位置和速度矢量转换至当前历元真赤道真春分点坐标系下的位置、速度矢量和
3)同时获取光源和测站在此坐标系中的位置矢量和所述光源为太阳。
3.根据权利要求1所述的光照可视关系计算方法，其特征在于，所述步骤二中轨道坐标系的x0、y0、z0轴分别为滚动、俯仰和偏航轴。
4.根据权利要求1所述的光照可视关系计算方法，其特征在于，所述步骤三中姿态参量为：空间物体姿态的三个欧拉角－偏航角ψ、俯仰角θ和滚动角φ，用于构造本体坐标系与轨道坐标系的映射关系；其中偏航角ψ表示空间物体滚动轴在当地水平面上的投影与轨道轴的夹角；俯仰角θ表示物体滚动轴与其在当地水平面上的投影的夹角；滚动角表示物体俯仰轴与其在当地水平面上的投影的夹角；所述指向空间物体速度方向。
5.根据权利要求1所述的光照可视关系计算方法，其特征在于，步骤四的具体方法是：据步骤三建立的坐标映射关系，将太阳和测站的位置矢量和转换至本体坐标系下照明矢量和观测矢量并转换成方位角和高度角，由此获得太阳照射Asun、hsun和测站Astation、hstation表征的可视关系。
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