CN104833335A - 一种基于卫星轨道特性获取卫星太阳角和时间的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于卫星轨道特性获取卫星太阳角和时间的方法，步骤为：(1)根据卫星的太阳同步轨道特性，由卫星的轨道高度推算出轨道倾角；(2)利用卫星轨道根数，计算卫星降轨过赤道处星下点的经度和北京时间，并换算为地方时得到降交点地方时；(3)计算得到卫星星下点过任意纬度时的纬度地方时；(4)根据卫星轨道倾角入轨偏差和运行过程中卫星轨道倾角每天变化率，计算得到卫星地方时的变化和任意纬度实际地方时；(5)计算获得卫星侧摆后的实际地方时；(6)计算得到太阳高度角、太阳方位角以及观测地点的北京时间。本发明可在未知卫星星历数据和具体成像时间的情况下，根据遥感卫星标称轨道及其变化，即可精确计算卫星太阳高度角、方位角和成像时间。

Description

一种基于卫星轨道特性获取卫星太阳角和时间的方法

技术领域

本发明属于遥感图像信息处理领域，涉及一种利用卫星太阳同步特性及其演变计算卫星太阳高度角和方位角以及观测时间的方法。

背景技术

遥感图像数据已经广泛应用于国土资源调查与监测、防灾减灾、农林水利、生态环境、城市规划与建设、国家重大工程等领域。目前，遥感卫星轨道一般采用太阳同步回归轨道，即设计标称轨道半长轴和轨道倾角，保证太阳同步回归特性。太阳同步轨道特征为经过相同纬度的地方时相同，可以实现对地面同一地区以相同的光照和观测条件进行动态监测，降交点(降轨经过赤道处)地方时设计为上午10:30或者下午1:30。

随着卫星数据的广泛应用，遥感用户对图像的质量越发关注。卫星图像质量与光照条件有关，受太阳高度角和方位角的影响；同时，太阳高度角和方位角也是遥感数据应用必须使用的参数。遥感图像太阳位置角的确定不仅与成像的日期、时间和图像所在的经纬度息息相关，受卫星入轨偏差以及卫星运行过程中地心引力、大气阻力、太阳引力等各种摄动的影响，轨道倾角发生变化，降交点地方时会产生漂移，也会引起图像太阳高度角和方位角的变化。

通常，卫星遥感图像太阳高度角和方位角的计算，有两种典型方法。一种方法是基于卫星遥感图像精确的成像日期、时间点和经纬度信息进行求解，但是在未知遥感图像成像时间的情况下，该种方法将不能求解；另一种方法是基于卫星标称的运行轨迹，但是方法并未考虑卫星发射时的偏差和运行过程各种摄动因素的影响，计算结果存在一定误差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种在未知卫星星历数据和具体成像时间点的情况下，根据遥感卫星标称轨道以及轨道运行过程中的变化，精确计算卫星太阳高度角、方位角和成像时间点等相关参数的方法，可用于遥感数据定量化应用参数输入的依据。

本发明的技术解决方案是：一种基于卫星轨道特性获取卫星太阳角和时间的方法，包括如下步骤：

(1)根据卫星的太阳同步轨道特性，由卫星的轨道高度推算出卫星的轨道倾角a＝R_e+h；其中，为卫星轨道面转动的速率，R_e为地球赤道半径，a为卫星轨道半长轴，h为卫星轨道高度；

(2)利用卫星轨道根数，计算卫星降轨过赤道处星下点的经度和北京时间，并换算为地方时后得到降交点地方时LocalTime；

(3)根据步骤(1)和步骤(2)的结果，计算得到卫星星下点过任意纬度时的纬度地方时LocalTime_Lat＝LocalTime+Time，其中，Time＝-arcsin(sinlat*cosi/sini/coslat)*4*60，lat为纬度；

(4)根据卫星轨道倾角入轨偏差Δi和运行过程中卫星轨道倾角每天变化率di，计算得到卫星地方时的变化LocalTime_Change和任意纬度的实际地方时LocalTime_Re al，

LocalTime_Re al＝LocalTime_Lat+LocalTime_Change，Δt为卫星运行时间；

(5)计算获得卫星侧摆后的实际地方时LocalTime_Lat1＝LocalTime_Re al+LocalTime_cebai，其中，

LocalTime_cebai＝Lon1*4*60，

Lon1＝Earth_ins tan ce*360/(2*π*Re)/cos(Lat)，

Earth_ins tan ce＝(180-∠ABO-Angle)*π*Re/180，

$\∠\mathrm{ABO}=(\arcsin \left(\frac{\mathrm{Re}+h}{\mathrm{Re}}\right)*\sin \mathrm{Angle})*180*\mathrm{\π},$ Angle为卫星侧摆角度，卫星向东侧摆为正数，向西侧摆为负数；

(6)计算得到太阳高度角H和太阳方位角A，

H＝arcsin(sin(lat)×sin(δ)+cos(lat)×cos(δ)×cos(T))，

A＝arccos((sinδ-sin H×sin lat)/(cos H×cos lat))，

其中 $T=(12-\frac{{\mathrm{LocalTime}}_{\mathrm{Lat}1}}{24*60*60})*15,$ δ为太阳赤纬；

(7)计算得到观测地点的北京时间BJTime＝LocalTime_Lat1-(Lon-120)×4×60，单位为秒，式中Lon为经度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法在未知卫星遥感图像成像时间时，仅根据卫星轨道参数，即可计算任意观测日期、任意经纬度的成像时间以及太阳高度角和方位角，为遥感数据定量化参数提取提供了一种便捷的获取途径；

(2)本发明方法充分考虑了卫星轨道入轨偏差和运行过程中变化的影响，遥感图像太阳高度角、方位角和成像时间的计算结果更加精确、可靠；

(3)本发明方法计算过程充分考虑了卫星侧摆，不仅可应用于卫星的星下点成像参数的获取，也适用于卫星侧摆后参数的计算。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为卫星轨道面与地球位置关系示意图；

图3为本发明卫星星下点和侧摆位置关系示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明方法的流程框图，主要步骤如下：

(1)卫星轨道倾角确定。

遥感卫星一般设计为太阳同步回归轨道，以实现卫星经过同一地点的光照条件一致。受地球非球形引力场(J₂项)的影响，卫星轨道面绕地极轴的转动速率与地球绕太阳公转的速率相同，每天为360/365＝0.9856度，从而实现太阳同步特性。根据这一特性，由卫星轨道高度推算卫星轨道倾角。卫星轨道面转动的速率的表达式为：

由于太阳同步轨道偏心率e较小(0.001左右)，可忽略不计，那么有

轨道高度设定后，相应的轨道倾角即能由上式推导得出：

$i=\arccos (-\frac{\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}}{9.964}{\left(\frac{R_e}{a}\right)}^{-\frac{7}{2}})$

a＝R_e+h

式中，J₂为2阶带谐项系数，R_e为地球赤道半径，a为轨道半长轴，e为轨道倾角，i为轨道倾角，h为轨道高度，n为卫星平均运动角速度。

(2)卫星定轨后降交点地方时计算。

卫星成功发射并定轨后，根据卫星测控部门提供的轨道根数，使用STK(Satellite Tools Kit)软件计算星下点轨迹。首先按照时间每60秒间隔计算卫星一天星下点运行轨迹，再精确定位到任意一条降轨经过赤道处附近的时间(前后2分钟)，按每0.01秒时间间隔计算降轨经过赤道附近的星下点轨迹，提取出纬度为0度处的经度值(L)和UTC时间(格林尼治时间HH:MM:SS)。

其中，UTC时间为经度为0度处的时间值，将其转换为秒积数(Sec),Sec＝HH*24+MM*60+SS*60。经度相差1度，地方时相差4分钟，则经度(L)处的地方时为LocalTime＝Sec+L*4*60(秒)。

当地方时小于0时，LocalTime由下式得出：

LocalTime+24*60*60

当地方时大于86400时，LocalTime由下式得出：

LocalTime-24*60*60。

(3)任意纬度地方时计算。

受卫星轨道倾角的影响，使得卫星由任意纬度到赤道处产生经度差。根据球面几何关系，如图2所示，推算卫星经过任意纬度处与经过赤道处时经度差：

Lon＝-arcsin(sin lat*cos i/sin i/cos lat)(度)

由经度和地方时对应关系(经度相差1度，地方时相差4分钟)可知，任意纬度处与赤道处地方时相差时间为Time＝Lon*4*60(秒)；

由于降交点地方时已经求出，为LocalTime。任意纬度处的地方时为：LocalTime_Lat＝LocalTime+Time，单位为秒，Lat为纬度。

(4)卫星运行过程中地方时计算。

对于太阳同步轨道，若没有摄动的影响，轨道面的进动角速度和地球公转角速度一致，降交点地方时将保持不变。实际运行过程中，受太阳引力等摄动因素的影响，轨道倾角不断衰减。倾角的衰减使升交点赤经随时间增长而成平方关系衰减，推算过程如下：

${\mathrm{\δ}}^{\′}\mathrm{\Ω}=9.964\×{\left(\frac{R_e}{a}\right)}^{7/2}\sin i\×\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$

$\mathrm{\δ\Ω}=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{\mathrm{\δ}}^{\′}\mathrm{\Ωdt}=9.964\×{\left(\frac{R_e}{a}\right)}^{7/2}\sin i\×\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$

$\mathrm{\Δ\Ω}=-\frac{1}{2}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}\tan i\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}\mathrm{\Δ}{t}^2$

卫星发射时的轨道倾角入轨偏差将引起的升交点赤经不断变化，入轨偏差引起升交点赤经变化为

$\mathrm{\δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}=-\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}\×\tan i\×\mathrm{\Δi}\×\mathrm{\Δt}$

受轨道倾角入轨偏差和运行过程中衰减的影响，共同引起升交点赤经的变化为：

$\mathrm{\Δ\Ω}=-\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}\tan i(\mathrm{\Δi}\×\mathrm{\Δt}+\frac{1}{2}\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}\mathrm{\Δ}{t}^2)$

用年为单位表示

$\mathrm{\Δ\Ω}=-2*\mathrm{\π}\tan i(\mathrm{\Δi}*\mathrm{\Δt}+\frac{1}{2}\mathrm{di\Δ}{t}^2)$

升交点赤经变化直接引起卫星地方时改变。升交点赤经每变化1度，地方时变化4分钟，因此，卫星轨道倾角入轨偏差和衰减对降交点地方时的变化影响如下式：

式中，Δi为卫星轨道倾角入轨偏差，di为卫星轨道倾角每天变化率，Δt为运行时间。

卫星定轨后，任意纬度地方时为LocalTime_Lat，随着卫星的运行，卫星地方时的变化为LocalTime_Change，各纬度实际地方时为初始地方时相加运行中地方时产生的变化：

LocalTime_Real＝LocalTime_Lat+LocalTime_Change(秒)

(5)卫星侧摆地方时计算。

在获取卫星遥感数据时，为了提高时效性和短时间内的多次重访，需要使用卫星的侧摆功能，侧摆后卫星在某一纬度的地方时将发生变化，并与卫星侧摆角度相关。

计算卫星侧摆后对应星下点的侧摆距离Earth_instance，即BD对应的大弧长度，根据卫星位置A和卫星侧摆位置B，建立几何位置模型，位置关系如图3所示(本例以观测点在星下点西侧为例说明)：

首先计算∠ABO，由三角形几何关系，在ΔABO中，∠BAO＝Angle，AO＝Re+h，BO＝Re得出：

$\∠\mathrm{ABO}=(\arcsin \left(\frac{\mathrm{Re}+h}{\mathrm{Re}}\right)*\sin \mathrm{Angle})*180*\mathrm{\π}$

计算BD弧度对应的角度为180-∠ABO-Angle

因此，Earth_instance＝(180-∠ABO-Angle)*π*Re/180

式中，Angle为卫星侧摆角度，卫星向东侧摆为正数，向西侧摆为负数。

卫星侧摆后，距离星下点的距离为Earth_instance，将距离换算为这一纬度上对应的经度值：Lon1＝Earth_instance*360/(2*π*Re)/cos(Lat)，根据经度和地方时间对应关系，地方时变化为：

LocalTime_cebai＝Lon1*4*60(秒)

卫星实际运行中任意纬度星下点地方时为LocalTime_real，受卫星侧摆影响，卫星地方时的变化为LocalTime_cebai，侧摆后地方时为卫星星下点地方时相加侧摆后地方时产生的变化，侧摆后地方时为：

LocalTime_Lat1＝LocalTime_Real+LocalTime_cebai(秒)

(6)卫星太阳高度角和方位角计算。

太阳高度角随着地方时和太阳的赤纬的变化而变化。通过计算地方时和太阳赤纬，可以推算出太阳高度角和方位角。

地方时(时角)以T表示，太阳赤纬以δ表示。

地方时角(T)为当地子午圈与太阳直射点所在子午圈的夹角，LocalTime_Lat1为观测位置地方时，T为地方时角，当地子午圈在太阳直射点所在子午圈东边为正，在西边为负。

$T=(12-\frac{{\mathrm{LocalTime}}_{\mathrm{Lat}1}}{24*60*60})*15$

太阳赤纬为太阳与地心的连线与赤道平面的夹角，向北为正。太阳赤纬表示太阳直射点的纬度。具体公式如下：

δ＝0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ-0.1712sin3θ-0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θ

式中θ为日角，θ＝2πt/365.2422，t＝N-N0，N0＝79.6764+0.2422×(年份-1985)-INT((年份-1985)/4)，N为日积数，由观测日期转换为1月1日起累计日积数。

太阳高度角是太阳与地球某一位置的连线与该位置切平面的夹角。太阳高度角随赤纬和太阳时角变化而变化，太阳高度角与两者的关系可用以下公式表达。

H＝arcsin(sin(lat)×sin(δ)+cos(lat)×cos(δ)×cos(T))

太阳方位角是以正北方向为起算点，按顺时针方向旋转到太阳与地心的连线在地球上投影的角度。太阳方位角可通过以下公式计算：

太阳方位角：A＝arccos((sinδ-sin H×sin lat)/(cos H×cos lat))

(7)观测地点北京时间计算。

将地方时转换为北京时间，只需要确定输入经度与120度相差的度数转换的时间。卫星过观测位置的地方时间为LocalTime_Lat1。北京时间是东经线120度的时间，若观测位置经度Lon>120度时，每差1度，时间减少4分钟，观测位置经度Lon<120度时，每差1度，时间增加4分钟，时间差值，再加上观测位置的地方时，即为北京时间：

BJTime＝LocalTime_Lat1-(Lon-120)×4×60(秒)

式中Lon为观测位置经度。

(8)秒积数与时分秒转换

在步骤(7)中计算出的时间为一天的秒积数，可以将其转换为时分秒(HH:MM:SS)的格式。时分秒各个单位中的进率：1小时＝60分，1分＝60秒，依此转换：

HH＝INT(BJTime/60/60)

MM＝INT(BJTime-HH*60*60)

SS＝BJTime-HH*60*60-MM*60

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种基于卫星轨道特性获取卫星太阳角和时间的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)根据卫星的太阳同步轨道特性，由卫星的轨道高度推算出卫星的轨道倾角a＝R_e+h；其中为卫星轨道面转动的速率，R_e为地球赤道半径，a为卫星轨道半长轴，h为卫星轨道高度；

(2)利用卫星轨道根数，计算卫星降轨过赤道处星下点的经度和北京时间，并换算为地方时后得到降交点地方时LocalTime；

(3)根据步骤(1)和步骤(2)的结果，计算得到卫星星下点过任意纬度时的纬度地方时LocalTime_Lat＝LocalTime+Time，其中Time＝-arcsin(sinlat*cosi/sini/coslat)*4*60，lat为纬度；

(4)根据卫星轨道倾角入轨偏差Δi和运行过程中卫星轨道倾角每天变化率di，计算得到卫星地方时的变化LocalTime_Change和任意纬度的实际地方时LocalTime_Real，

${\mathrm{LocalTime}}_{\mathrm{Change}}=-2*\mathrm{\&pi;}\tan i(\mathrm{\&Delta;i}*\mathrm{\&Delta;t}+\frac{1}{2}\mathrm{di}{\mathrm{\&Delta;t}}^2)*4*60,$

LocalTime_Real＝LocalTime_Lat+LocalTime_Change，Δt为卫星运行时间；

(5)计算获得卫星侧摆后的实际地方时LocalTime_Lat1＝LocalTime_Real+LocalTime_cebai，其中：

LocalTime_cebai＝Lon1*4*60，

Lon1＝Earth_instance*360/(2*π*Re)/cos(Lat)，

Earth_instance＝(180-∠ABO-Angle)*π*Re/180，

$\&angle;\mathrm{ABO}=(\arcsin \left(\frac{\mathrm{Re}+h}{\mathrm{Re}}\right)*\sin \mathrm{Angle})*180*\mathrm{\&pi;},$ Angle为卫星侧摆角度，卫星向东侧摆为正数，向西侧摆为负数；

(6)计算得到太阳高度角H和太阳方位角A，

H＝arcsin(sin(lat)×sin(δ)+cos(lat)×cos(δ)×cos(T))，

A＝arccos((sinδ-sinH×sinlat)/(cosH×coslat))，

其中 $T=(12-\frac{{\mathrm{LocalTime}}_{\mathrm{Lat}1}}{24*60*60})*15,$ δ为太阳赤纬；

(7)计算得到观测地点的北京时间BJTime＝LocalTime_Lat1-(Lon-120)×4×60，单位为秒，式中Lon为经度。