CN107085634A

CN107085634A - 快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法

Info

Publication number: CN107085634A
Application number: CN201710236509.XA
Authority: CN
Inventors: 王文妍; 王新; 郭思岩; 陈秀梅; 万亚斌
Original assignee: Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Current assignee: Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2017-08-22
Anticipated expiration: 2037-04-12
Also published as: CN107085634B

Abstract

本发明公开了一种快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法，包含：S1、选取卫星运行一年中的春分、秋分、冬至、夏至四个时间点；S2、计算其中一个时间点相对标准历年J2000.0和该时间点相对观测时刻之间用儒略世纪数表示的时间间隔；S3、根据步骤S2获得的时间间隔计算该时间点对应的太阳在地心黄道坐标系的平均椭圆轨道参数；S4、根据步骤S3中获得的平均椭圆轨道参数计算该时间点卫星的升交点赤经；S5、计算一圈中太阳矢量在轨道面的投影，求得一圈中太阳矢量与星敏感器视场的夹角；S6、重复步骤S2~S5，分别计算出春分、秋分、冬至、夏至四个时间点对应的太阳矢量与星敏感器视场的夹角，取其最小值即为太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角。

Description

快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法

技术领域

本发明涉及卫星姿态确定技术领域，具体涉及一种快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法。

背景技术

星敏感器作为姿态测量的主要部件，其输出的高精度测量信息是保证卫星姿态测量精度的先决条件。因此，必须在星敏感器布局时，保证在左右侧视工作状态下，其头部应尽量不受地球、太阳等杂散光的影响；为减小杂散光的影响，星敏感器安装时，必须保证在星敏感器头部每个探头的光轴为中心抗杂光范围内不得有杂散光。

星敏感器初步安装布局后，首先需要计算太阳光与星敏感器光轴之间的最小夹角，判断是否满足星敏感器抗杂光角的要求。现在国内常用的方法就是利用专用软件STK进行一年的仿真计算，这需要在具备专用软件以及设计人员熟悉该软件的情况才能进行。而本发明的算法充分利用了太阳和卫星运行的固有特性，用简单的公式计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角，便于设计人员理解计算原理和易于编程实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法，选取卫星运行一年中具有典型意义的的春分、秋分、冬至、夏至四个时间点；根据四个时间点计算相对J2000.0的儒略日，计算四个时间点对应的太阳在地心黄道坐标系的平均椭圆轨道参数；根据卫星的降交点地方时计算得到四个时间点的卫星的升交点赤经；再计算一圈中太阳矢量在轨道面的投影以及一圈中太阳矢量与星敏感器视场的夹角，所有数据统计后得到的最小夹角则为卫星在轨太阳光与卫星星敏感器最小夹角。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法，其特征是，包含以下步骤：

S1、选取卫星运行一年中的春分、秋分、冬至、夏至四个时间点；

S2、计算其中一个时间点相对标准历年J2000.0和该时间点相对观测时刻之间用儒略世纪数表示的时间间隔；

S3、根据步骤S2获得的时间间隔计算该时间点对应的太阳在地心黄道坐标系的平均椭圆轨道参数；

S4、根据步骤S3中获得的平均椭圆轨道参数计算该时间点卫星的升交点赤经；

S5、计算一圈中太阳矢量在轨道面的投影，进而求得一圈中太阳矢量与星敏感器视场的夹角；

S6、重复步骤S2～S5，分别计算出春分、秋分、冬至、夏至四个时间点对应的太阳矢量与星敏感器视场的夹角，取其最小值即为太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角。

上述的快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法，其中，所述的步骤S2中一个时间点相对标准历年J2000.0和该时间点相对观测时刻之间用儒略世纪数表示的时间间隔的计算方式为：

设阳历时间为年Y、月M、日D、时间T，儒略日JD计算如下：

y＝Y；m＝M M＞2

y＝Y-1；m＝M+12 M<＝2

JD＝fix(365.25*y)+fix(30.6001*(m+1))+D+1720981.5

式中，fix表示取整数；

标准历年J2000.0的儒略日JDJ2000计算如下：

JDJ2000＝fix(365.25*1999)+fix(30.6001*(13+1))+1.5+1720981.5；

计算标准历年J2000.0和观测时刻之间，用儒略世纪数表示的时间间隔t：

t＝(JD-JDJ2000+T/24)/36525。

上述的快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法，其中，所述的步骤S3具体包含：

根据时间间隔t计算时间点的太阳轨道参数：

偏心率：

es＝0.01670862-0.00004204*t-0.00000124*t*t；

轨道倾角：

ε＝(23.439291-0.01300417*t-0.00000016*t*t)*π/180；

近地点幅角：

ω_s＝(282.937347+0.32256206*t-0.00015757*t*t)*π/180；

平近点角：

M_s＝(357.5291+0.9856002804*t*36525-0.0007734*t*t)*π/180；

太阳轨道的纬度幅角：

Λ＝M_s+2*e_s*sin(M_s)+ω_s+1.25*e_s*e_s*sin(2*M_s)。

上述的快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法，其中，所述的步骤S4具体包含：

根据太阳轨道参数和太阳同步卫星的降交点地方时clock1计算卫星的升交点赤经：

Ω＝[atan2(cos(23.433*π/180)*sin(Λ),cos(Λ))+(clock1-12)*(1-0.00273)*15-180]*π/18。

上述的快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法，其中，所述的步骤S5中计算一圈中太阳矢量在轨道面的投影的过程为：

根据卫星的轨道参数偏心率e、半场轴a、近地点幅角ω、轨道倾角i，这四个参数也是短期保持不变的，一圈卫星轨道纬度幅角u变化360°，间隔一度取一个计算点，根据轨道倾角i，升交点赤经Ω和一圈卫星轨道纬度幅角u计算轨道坐标系相对地心惯性坐标系的姿态矩阵A_oi：

A_oi11＝-sinucosΩ-cosucosisinΩ

A_oi12＝-sinusinΩ+cosucosicosΩ

A_oi13＝cosusini

A_oi21＝-sinisinΩ

A_oi122＝sinicosΩ

A_oi23＝-cosi

A_oi31＝-cosucosΩ+sinucosisinΩ

A_oi32＝-cosusinΩ-sinucosicosΩ

A_oi33＝-sinusini

计算太阳矢量在轨道面上的投影S_ox、S_oy、S_oz：

S_ox＝A_oi11cosΛ+A_oi12sinΛcosε+A_oi13sinΛsinε

S_oy＝A_oi21cosΛ+A_oi22sinΛcosε+A_oi23sinΛsinε

S_oz＝A_oi31cosΛ+A_oi32sinΛcosε+A_oi33sinΛsinε。

上述的快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法，其中：

所述的步骤S5中运用太阳矢量在轨道面上的投影以及星敏感器光轴在轨道坐标系下的矢量投影计算得到太阳矢量与星敏感器视场的夹角。

本发明与现有技术相比具有以下优点：能够快速方便的计算布局后的星敏感器与强光的夹角，提高了系统的抗杂光能力。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

天体术语描述：黄道与天赤道相交的两点分别叫春分点γ和秋分点Ω。春分点和秋分点的区别在于：当沿逆时针方向在北天极观测，黄道由赤道从北穿到赤道以南，其交点为秋分点，由赤道以南穿到赤道以北时的交点即为春分点。冬至和夏至就是在黄道上与春分点和秋分点相差90°位置的两点。

由于是太阳同步轨道卫星，该卫星轨道平面在空间的移动与太阳向东运动(从地球上看)同步，太阳同步轨道的主要特点是太阳照射轨道面的方向在一年内基本不变，精确而言，轨道平面法线与太阳方向在赤道面上的投影之间的夹角保持不变，即卫星经过赤道节点的地方时不变。简单认为卫星的降交点地方时在一定范围之内是不变的。

另一方面，太阳的黄经在一年之内从春分时刻大致均匀地从0度变化到360度，黄道平面与赤道平面存在一个大约23.5度的黄赤交角。轨道法线与太阳方向视线的夹角定义为轨道太阳角β：

β＝arccos[sinΩ_scosδ_ssini+sinδ_scosi]

式中，Ω_s为升交点的地方平太阳时角，对太阳同步轨道该值为常值，取决于发射窗口；δ_s为太阳赤纬，该数据为变量，范围在-23.5°～23.5°，因此轨道太阳角紧随季节变化。因此一年中太阳与星敏感器之间的交角关系具有典型意义的的春分、秋分、冬至、夏至四个时间点，这四个时间点计算后就是大致趋势，可认为包含最小交角。

基于上述原理，本发明方法是基于卫星的降交点地方时在一定范围之内是不变的。另一方面，太阳的黄经在一年之内从春分时刻大致均匀地从0度变化到360度，黄道平面与赤道平面存在一个大约23.433度的黄赤交角，因此选择一年中太阳与星敏感器之间的交角关系具有典型意义的春分、秋分、冬至、夏至四个时间点。根据设计得到卫星的轨道参数偏心率e、半场轴a、近地点幅角ω、轨道倾角i，这四个参数也是短期保持不变的，另外时刻在变化的就是卫星的纬度幅角，一圈卫星轨道纬度幅角u变化360°，可适当间隔取一个计算点。

基于上述，本发明提出的一种快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法，具体包含以下步骤：

S1、选取卫星运行一年中的春分、秋分、冬至、夏至四个时间点；具体的，从年历上获取想要计算年份的春分、秋分、冬至、夏至四个时间点；

S6、重复步骤S2～S5，分别计算出春分、秋分、冬至、夏至四个时间点对应的太阳矢量与星敏感器视场的夹角，取其最小值即为太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角。即所有数据统计后得到的最小夹角则为卫星在轨太阳光与卫星星敏感器最小夹角。

其中，所述的步骤S2中，一个时间点相对标准历年J2000.0和该时间点相对观测时刻之间用儒略世纪数表示的时间间隔的计算过程为：

首先，给出日期转换之间的关系，设时间为Y、M、D、T(表示通常民用日期年、月、日及时间，即阳历)，则儒略日JD计算如下：

y＝Y；m＝M；M＞2

y＝Y-1；m＝M+12；M<＝2 (1)

JD＝fix(365.25*y)+fix(30.6001*(m+1))+D+1720981.5；

式中，fix表示取整数；

目前的标准历年J2000.0的儒略日JDJ2000计算如下：

JDJ2000＝fix(365.25*1999)+fix(30.6001*(13+1))+1.5+1720981.5 (2)

计算标准历年J2000.0和观测时刻之间，用儒略世纪(36525平太阳日)数表示的时间间隔t：

t＝(JD-JDJ2000+T/24)/36525 (3)。

其中，所述的步骤S3中，计算时间点对应的太阳在地心黄道坐标系的平均椭圆轨道参数的具体过程为：

有了步骤S2获得的时间参数t以后，计算该时间点的太阳轨道参数：

偏心率：

e_s＝0.01670862-0.00004204*t-0.00000124*t*t (4)；

轨道倾角(即黄赤交角)：

ε＝(23.439291-0.01300417*t-0.00000016*t*t)*π/180 (5)；

近地点幅角：

ω_s＝(282.937347+0.32256206*t-0.00015757*t*t)*π/180 (6)；

平近点角：

M_s＝(357.5291+0.9856002804*t*36525-0.0007734*t*t)*π/180 (7)；

太阳轨道的纬度幅角：

Λ＝M_s+2*e_s*sin(Ms)+ω_s+1.25*e_s*e_s*sin(2*M_s) (8)。

其中，所述的步骤S4具体包含：

根据步骤S3计算得到的太阳参数和太阳同步卫星的降交点地方时clock1，则计算卫星的升交点赤经：

Ω＝[atan2(cos(23.433*π/180)*sin(Λ),cos(Λ))+(clock1-12)*(1-0.00273)*15-180]*π/180 (9)。

其中，所述的步骤S5中，具体的通过计算一圈中太阳矢量在轨道面的投影来得到一圈中太阳矢量与星敏感器视场的夹角：

根据设计得到卫星的轨道参数偏心率e、半场轴a、近地点幅角ω、轨道倾角i，这四个参数也近似认为是保持不变的，一圈卫星轨道纬度幅角u变化360°，可间隔一度取一个计算点。根据轨道根数i、卫星的升交点赤经Ω和纬度幅角u计算轨道坐标系相对地心惯性坐标系的姿态矩阵A_oi：

计算太阳矢量在轨道面上的投影S_ox、S_oy、S_oz，S_ox、S_oy、S_oz的计算公式为：

S_ox＝A_oi11cosΛ+A_oi12sinΛcosε+A_oi13sinΛsinε

S_oy＝A_oi21cosΛ+A_oi22sinΛcosε+A_oi23sinΛsinε

S_oz＝A_oi31cosΛ+A_oi32sinΛcosε+A_oi33sinΛsinε (11)。

再根据太阳矢量在轨道面上的投影计算一圈中太阳矢量与星敏感器视场的夹角，具体的，一般情况下星敏感器在卫星上安装固定后，则与轨道系的指向关系不变，根据星敏感器光轴在轨道坐标系下的矢量投影为S_sx、S_sy、S_sz，该矢量与太阳矢量S_ox、S_oy、S_oz的夹角直接用矢量夹角公式计算得到。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法，其特征在于，包含以下步骤：

2.如权利要求1所述的快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法，其特征在于，所述的步骤S2中一个时间点相对标准历年J2000.0和该时间点相对观测时刻之间用儒略世纪数表示的时间间隔的计算方式为：

设阳历时间为年Y、月M、日D、时间T，儒略日JD计算如下：

y＝Y；m＝M M＞2

y＝Y-1；m＝M+12 M<＝2

JD＝fix(365.25*y)+fix(30.6001*(m+1))+D+1720981.5

式中，fix表示取整数；

标准历年J2000.0的儒略日JDJ2000计算如下：

JDJ2000＝fix(365.25*1999)+fix(30.6001*(13+1))+1.5+1720981.5；

t＝(JD-JDJ2000+T/24)/36525。

3.如权利要求2所述的快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法，其特征在于，所述的步骤S3具体包含：

根据时间间隔t计算时间点的太阳轨道参数：

偏心率：

es＝0.01670862-0.00004204*t-0.00000124*t*t；

轨道倾角：

ε＝(23.439291-0.01300417*t-0.00000016*t*t)*π/180；

近地点幅角：

ωs＝(282.937347+0.32256206*t-0.00015757*t*t)*π/180；

平近点角：

Ms＝(357.5291+0.9856002804*t*36525-0.0007734*t*t)*π/180；

太阳轨道的纬度幅角：

Λ＝Ms+2*es*sin(Ms)+ωs+1.25*es*es*sin(2*Ms)。

4.如权利要求3所述的快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法，其特征在于，所述的步骤S4具体包含：

Ω＝[atan2(cos(23.433*π/180)*sin(Λ),cos(Λ))+(clock1-12)*(1-0.00273)*15-180]*π/180。

5.如权利要求4所述的快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法，其特征在于，所述的步骤S5中计算一圈中太阳矢量在轨道面的投影的过程为：

根据卫星的轨道参数偏心率e、半场轴a、近地点幅角ω、轨道倾角i，这四个参数也是短期保持不变的，一圈卫星轨道纬度幅角u变化360°，间隔一度取一个计算点，根据轨道倾角i，升交点赤经Ω和一圈卫星轨道纬度幅角u计算轨道坐标系相对地心惯性坐标系的姿态矩阵Aoi：

A_oi11＝-sinucosΩ-cosucosisinΩ

A_oi12＝-sinusinΩ+cosucosicosΩ

A_oi13＝cosusini

A_oi21＝-sinisinΩ

A_oi122＝sinicosΩ

A_oi23＝-cosi

A_oi31＝-cosucosΩ+sinucosisinΩ

A_oi32＝-cosusinΩ-sinucosicosΩ

A_oi33＝-sinusini

计算太阳矢量在轨道面上的投影S_ox、S_oy、S_oz：

S_ox＝A_oi11cosΛ+A_oi12sinΛcosε+A_oi13sinΛsinε

S_oy＝A_oi21cosΛ+A_oi22sinΛcosε+A_oi23sinΛsinε

S_oz＝A_oi31cosΛ+A_oi32sinΛcosε+A_oi33sinΛsinε。

6.如权利要求5所述的快速计算太阳光与太阳同步卫星星敏感器最小夹角的方法，其特征在于：