CN107831521A - 低轨卫星跟踪非轨道飞行高动态目标的窗口计算方法 - Google Patents

低轨卫星跟踪非轨道飞行高动态目标的窗口计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低轨卫星跟踪非轨道飞行高动态目标的窗口计算方法，首先明确已知条件、约束条件和卫星跟踪窗口的计算优化目标，然后采用初筛选、细筛选两步筛选，综合考虑卫星轨道、高动态目标运动轨迹、卫星与目标的相对几何关系、地面测控站对卫星的可见情况、卫星的对地观测能力、空间天气情况、日月对卫星星敏感器的干扰情况，进行低轨卫星跟踪高动态目标的窗口计算与优化方法，解决了卫星跟踪高动态目标的窗口多变、确定难度大等问题，计算简便，具有较强的工程可用性。

Description

低轨卫星跟踪非轨道飞行高动态目标的窗口计算方法
技术领域
本发明属于航天测量与控制领域，涉及低轨道卫星跟踪非轨道飞行的高动态目标的时间窗口计算方法。
背景技术
航天器对地观测是空间信息系统的一部分，在国土资源普查、火灾监测等方面有重要的应用。天基对地侦察具有观测范围广、持续时间长、不受空域与国界限制、不涉及使用人员生命安全、不易引起军事对峙冲突等优点。
卫星以约7.9km/s的速度运行于低地球轨道，为实现对一特定目标的观测，必须在轨道飞行过程中不断调整自身姿态，才能实现对目标的持续跟踪。当目标处于高速机动飞行的状态时，目标飞行轨迹的不确定性进一步增加了跟踪的难度。
受卫星轨道运动、相对位置、卫星姿态机动范围、目标动态移动等因素的影响，通常卫星跟踪高动态目标的时间很短，只有几分钟的时长。因此卫星必须准确预测动态目标的初始位置，提前调整卫星姿态，保证卫星在可视范围内能持续跟踪动态目标。
目前国内卫星跟踪监视地面目标主要以静止目标、慢速移动目标为主，采用的多数姿态与跟踪窗口计算方法仅考虑卫星在地球固定坐标系的移动状态，不计算地面目标的机动状况，因此不适用于飞机等快速飞行并具备机动能力的高动态目标。
为了保证卫星能最长的跟踪动态目标，需要计算卫星跟踪动态目标的时间前后沿，计算跟踪的时间窗口，并确定卫星跟踪动态目标时间前沿时刻的初始姿态。低轨卫星跟踪非轨道飞行高动态目标的窗口计算受多种限制因素的影响，包括地面测控站对卫星的可见情况、卫星对动态目标的相对几何关系、卫星的对地观测能力、空间天气情况、日月对卫星星敏感器的干扰情况等，因此低轨卫星跟踪动态目标的窗口计算是个多约束问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种低轨卫星跟踪动态目标的窗口计算方法，计算简便，能够考虑了卫星跟踪高动态目标过程中的多种影响因素，适用于低轨卫星跟踪高动态目标的窗口计算。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
步骤一，明确已知条件，包括动态目标在地固系的理论弹道和卫星在J2000惯性坐标系的轨道参数，所述的轨道参数包括历元时刻、轨道六根数、大气阻尼系数和面质比；
步骤二，明确约束条件，包括卫星的对地观测能力和气象可见约束；所述的卫星的对地观测能力包括卫星的星敏感器安装位置与指向、卫星的姿态角机动范围、卫星姿态角速度的最大值、观测相机的分辨率参数；所述的气象可见约束包括可见距离和动态目标周围的云层分布情况；
步骤三，明确卫星跟踪窗口的计算优化目标，内容包括：
a)卫星的相机光轴指向目标时，卫星姿态在姿态机动范围内；
b)卫星姿态机动角速度能满足锁定动态目标的条件；
c)目标进入卫星相机视场后，预留足以判断是否完成目标锁定的时间；
d)窗口时间内，地面测站对低轨卫星可见；
e)窗口时间内，日月星体不能对星敏感器产生干扰；
f)卫星跟踪动态目标的时间取最优值；
步骤四，以动态目标的初始位置看卫星的最高仰角作为判断标准，计算卫星看动态目标时是否超过了卫星侧摆角的滚动范围，将未超过的跟踪圈次作为跟踪窗口的初步筛选结果；
所述步骤四的具体步骤包括：
子步骤一，通过统计设定时段的空间环境观测参数，给定太阳辐射流量指数F10.7与地磁指数Kp值的上限与下限；
子步骤二，以卫星轨道初值完成轨道外推，外推的大气模型参数分别取子步骤一的上限与下限，生成两条卫星轨道，记为轨道OA和轨道OB；
子步骤三，以动态目标的初始位置点为观测基点，分别计算卫星轨道OA和轨道OB的可见圈次从观测基点看卫星的最高仰角情况，生成最高仰角的上限与下限；
子步骤四，计算卫星看基点是左侧摆还是右侧摆，判断最高仰角的上限与下限的余角是否在卫星侧摆角限制θmax范围内，若卫星侧摆角超过最大限制角θmax，则排除该跟踪圈次，否则保留该跟踪圈次；
子步骤五，将保留的跟踪圈次作为跟踪窗口的初步筛选结果。
步骤五，读取步骤四初筛选的各圈次及其最高仰角Emax，根据卫星轨道、观测基点、卫星星下点之间的相互位置关系，采用实时姿态算法计算卫星看观测基点的姿态角及时间；若卫星跟踪动态目标的最大跟踪时长大于任务预先设定的跟踪窗口的最短时间间隔限制，则保留该圈次，否则排除该圈次；
所述的步骤五将观测基点从地球固定坐标系转换至卫星轨道坐标系，在卫星轨道坐标系中，计算观测基点满足卫星最大姿态角可观测的条件，并由此计算观测开始时间；依据卫星俯仰角的上限值计算卫星跟踪动态目标的时间开始时刻T0，设目标识别的时间间隔为Tr，则跟踪窗口的时间前沿为Ts＝T0+Tr；依据卫星俯仰角的下限值计算卫星跟踪动态目标的时间窗口后沿TE；卫星跟踪动态目标的最大跟踪时长TD＝TE-Ts；若TD大于任务预先设定的跟踪窗口的最短时间间隔限制TL，则保留该圈次，否则排除该圈次。
步骤六，把步骤五筛选得到的跟踪窗口分为A、B、C三类；相机右摆最大角左摆范围内的圈次，且在白天的，为A类窗口；相机右摆最大角左摆范围内的圈次，不属于A类，且在白天的，为B类窗口；相机右摆最大角左摆范围内的圈次，且观测时间在晚上的，为C类窗口；其中为相机右摆的保守限制值，为相机左摆的保守限制值，为相机右摆的最大限制值，为相机左摆的最大限制值。保守限制值为卫星的设计侧摆角范围，最大限制值为卫星侧摆角的极限值。
本发明的有益效果是：采用初筛选、细筛选两步筛选，综合考虑了卫星轨道、高动态目标运动轨迹、卫星与目标的相对几何关系、地面测控站对卫星的可见情况、卫星的对地观测能力、空间天气情况、日月对卫星星敏感器的干扰情况，提出了一种可行的低轨卫星跟踪高动态目标的窗口计算与优化方法，解决了卫星跟踪高动态目标的窗口多变、确定难度大等问题，具有较强的工程可用性。
附图说明
图1是低轨卫星跟踪高动态目标窗口计算总体流程图；
图2是跟踪窗口初筛选流程图；
图3是跟踪窗口细筛选流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供的低轨卫星跟踪非轨道飞行高动态目标的窗口计算方法，总体流程如图1所示，包括如下步骤：
步骤一：明确已知条件，包括动态目标在地固系的理论弹道、卫星在J2000惯性坐标系的轨道参数(历元时刻、轨道六根数、大气阻尼系数、面质比)。
步骤二：明确约束条件，包括卫星的对地观测能力和气象可见约束，卫星的对地观测能力需要明确卫星的星敏感器安装位置与指向、卫星的姿态角机动范围、卫星姿态角速度的最大值、观测相机的分辨率参数，气象可见约束是指可见距离、动态目标周围的云层分布情况。
步骤三：明确卫星跟踪窗口的计算优化目标，主要包括：
a)卫星的相机光轴指向目标时，卫星姿态在姿态机动范围内；
b)卫星姿态机动角速度能满足锁定动态目标的条件；
c)目标进入卫星相机视场后，预留的时间足以判断是否完成目标锁定；
d)窗口时间内，地面测站对低轨卫星可见；
e)窗口时间内，日月星体不能对星敏感器产生干扰；
f)卫星跟踪动态目标的时间取最优值。
步骤四：跟踪窗口的初筛选。跟踪窗口的初筛选主要以动态目标的初始位置看卫星的最高仰角作为判断标准，计算卫星看动态目标时是否超过了卫星侧摆角的滚动范围。以动态目标的初始位置点为基点，计算卫星轨道飞行过程中不同圈次从基点看卫星的最高仰角情况。为确定基点看卫星的最高仰角偏差范围，需要计算最高仰角的上限值与下限值。计算的子步骤流程图如图2所示，流程描述的具体子步骤为：
子步骤一：通过统计前半年的空间环境观测参数，并结合空间环境未来预报结果，给定太阳辐射流量指数F10.7与地磁指数Kp值的上限与下限；
子步骤二：以卫星轨道初值完成轨道外推，外推的大气模型参数分别取子步骤一的上限与下限，生成两条卫星轨道，记为轨道OA和轨道OB；
子步骤三：以动态目标的初始位置点为观测基点，分别计算卫星轨道OA和轨道OB的可见圈次从观测基点看卫星的最高仰角情况，生成最高仰角的上限与下限；
子步骤四：计算卫星看基点是左侧摆还是右侧摆，判断最高仰角的上限与下限的余角是否在卫星侧摆角限制θmax范围内，若卫星侧摆角超过最大限制角θmax，则排除该跟踪圈次，否则保留该跟踪圈次；
子步骤五：依据上一步的筛选结果，得到跟踪窗口的初步筛选结果。
步骤五：跟踪窗口的细筛选。读取步骤四初筛选的各圈次及其最高仰角Emax，根据卫星轨道、观测基点、卫星星下点之间的相互位置关系，采用实时姿态算法计算卫星看观测基点的姿态角及时间。主要方法是将观测基点从地球固定坐标系转换至卫星轨道坐标系，在卫星轨道坐标系中，计算观测基点满足卫星最大姿态角可观测的条件，并由此计算观测开始时间。依据卫星俯仰角的上限值计算卫星跟踪动态目标的时间开始时刻T0，设目标识别的时间间隔为Tr，则跟踪窗口的时间前沿为Ts＝T0+Tr。依据卫星俯仰角的下限值计算卫星跟踪动态目标的时间窗口后沿TE(计算方法由实时姿态算法给出)。卫星跟踪动态目标的最大跟踪时长由下式计算，
TD＝TE-Ts (1)
若TD大于任务预先设定的跟踪窗口的最短时间间隔限制TL，则保留该圈次，否则排除该圈次。细筛选的流程如图3所示。
步骤六：跟踪窗口的排序与选优。设置如下的排序规则，把细筛选得到的跟踪窗口分为A、B、C三类。
1)相机右摆最大角左摆范围内的圈次，且在白天的，为A类窗口；
2)相机右摆最大角左摆范围内的圈次，不属于A类，且在白天的，为B类窗口；
3)相机右摆最大角左摆范围内的圈次，且观测时间在晚上的，为C类窗口。
其中为相机右摆的保守限制值，为相机左摆的保守限制值，为相机右摆的最大限制值，为相机左摆的最大限制值。保守限制值为卫星的设计侧摆角范围，最大限制值为卫星侧摆角的极限值。
通过初筛选步骤的窗口，必然在A、B、C三类窗口范围内，按照上述步骤生成卫星跟踪高动态目标的时间窗口排序表。
本发明以某型号低轨敏捷卫星S跟踪高动态飞行目标M的发射过程为例，进行计算验证。
步骤一，明确卫星轨道参数与动态目标弹道
卫星的轨道高度约500km，轨道周期为1.5751小时，星下点轨迹每圈平移23.6°，并加载动态目标的弹道。卫星在J2000地心坐标系的轨道参数如下表所示。
模拟卫星的J2000地心在坐标系轨道参数
步骤二，明确约束条件，即卫星对地观测能力(暂不考虑当地气象条件)
星敏感器安装于+Y轴，为保证卫星的安全，标称姿态下对地观测时向左最大滚动角为20°，向右最大滚动角为30°。同时为保证卫星的成像质量，向左滚动角一般应小于10°，向右滚动角一般应小于20°。俯仰角转动范围为-60°至+20°。由于观测相机安装于+Z轴，偏航角对观测指向无影响。卫星姿态绕各轴运动的最大角速度ωmax＝1.5°/s，为保证姿态稳定性，一般不超过1.0°/s。卫星高分辨率摄像机分辨率为5米，视场宽度为0.3625°×0.2736°，标称轨道成像幅宽为2.4公里×3.1公里。
步骤三，确定窗口计算的优化目标
窗口计算的优化目标包括：
a)卫星的相机光轴指向目标时，卫星姿态在姿态机动范围内；
b)卫星姿态机动角速度能满足锁定动态目标的条件；
c)目标进入卫星相机视场后，预留一定时间判断是否完成目标锁定；
d)窗口时间内，地面测站对低轨卫星可见；
e)窗口时间内，日月星体不能对星敏感器产生干扰；
f)卫星跟踪动态目标的时间取最优值。
步骤四，跟踪窗口的初筛选
卫星的特点：①依据星下点分析，在我国国土面积范围内，该星有4个圈次，白天2圈降轨，夜晚2圈升轨。②该星的轨道高度约500km，轨道周期为1.5751小时，星下点轨迹每圈平移23.6°。
成像的条件：①星上相机采用的是光学成像的相机；②相机的摆动角度向东最大为20°，向西最大为30°。
仿真计算条件：以地面站(纬度32°28'，经度118°55'，高度800米)为观测站，3°为进出站的起始和结束条件，初轨历元时刻为2016-06-21 08:00:00.000(BJT)，考虑大气的影响，大气参数取上限(F10.7＝140，Kp＝3.0)和下限(F10.7＝120，Kp＝2.0)两种情况，预报从2016-06-22 00:00:00.000至2015-06-30 23:00:00.000，按照相机的最大摆动角度，统计所有可用圈次。
计算结果如表1至表4所示，由表可知：
a)跟踪时间基本分为两段，一是在中午的12点至下午的01点之间，另一是在晚上的23点至24点之间；
b)跟踪时长基本为10分钟；
c)表1中第1、5、9、14、19项和表2中第1、5、9、17项是向东摆动超出相机范围的圈次。按照相机过顶的摆动条件的限制，从上、下限的大气参数预报来看，共有17个共同可跟踪圈次，白天9个圈次，见表3，晚上8个圈次，见表4。
d)表3和表4又分为两档，一档表示相机的摆动角度向东最大为10°，向西最大为20°的情况。二档是相机的摆动角度向东最大为20°，向西最大为30°时相对一档所增加的跟踪圈次。
e)对于表3中的第5个圈次(2016-7-29 12)和表4中的第4个圈次(2016 7 21 23)出现不同大气参数相机摆向不同的情况，这是由于观测的仰角比较高，结合长时间预报误差形成的，具体摆向有待后期预报进一步确定。
表1 大气参数取上限时，可用圈次统计表
表2 大气参数取下限时，可用圈次统计表
表3 向东20°，向西30°的白天共同圈次按时间排序
表4 向东20°，向西30°的晚上共同圈次按时间排序
步骤五，跟踪窗口的细筛选
发射窗口的细筛选主要考虑卫星与动态目标的相对位置关系，并将相对位置关系转换为卫星的偏航角φ，滚动角俯仰角θ，计算俯仰角、滚动角在姿态机动最大限制范围内的最早观测时间、观测开始的姿态角、观测结束时间，并考虑最短观测时长的限制，得到精确到秒的发射窗口与首圈卫星的姿态控制目标。
子步骤一，首圈控制目标的计算
相机安装于卫星的+X轴，偏航角对卫星的对地观测无影响，设定偏航角为0°。首圈的控制目标应使动态目标发射点尽早进入卫星视场，首圈控制结束卫星应以最大俯仰角θmax＝+20°飞行。由于卫星姿态的最大俯仰角为+20°，考虑卫星的轨道衰减，观测时卫星距离地面的平均高度h＝475km，地球平均半径r＝6371.0km，则卫星飞行首圈控制目标的滚转角计算公式为
其中Emax为观测圈发射点看卫星的最高仰角。
对于选定的跟踪窗口，首圈卫星控制目标为
子步骤二，T0前沿的计算
依据初筛中计算出的最高仰角Emax，可以计算得到首圈控制目标的滚转角以及动态目标进入卫星相机视场时的仰角E0，进而可以得到动态目标进入卫星相机视场的时刻tS，考虑人工识别锁定目标的10s预留时间，从而得到动态目标发射的时间前沿
t0＝tS+10s (4)
相机视场大小为2.4公里×3.1公里，由于卫星首圈结束在惯性空间中维持固定姿态，相机中心点移动速度与卫星飞行速度大致相当，因此进入相机中心点与进入相机视场时间相差不超过1s，同时相机还存在指向误差，因此以目标点进入相机视场中心点的时刻较为合适。此时，发射时刻t0的前沿即可由式(4)计算得到。
子步骤三，T0后沿与最大观测时长的计算
不同于火箭的发射窗口设计，只要在前沿时间后直至卫星对目标不可见为止，卫星均可对目标进行锁定，在此时间区间段内任意时刻发射均可进行观测。
要求保证能看到目标前61s的飞行过程，则有最小观测时间长度TL＝61s的约束，须计算卫星对目标的不可见时刻tE，发射时刻t0的后沿为
t0'＝tE-61s (5)
其中，tE的计算需要考虑最小俯仰角-60°的约束，由于卫星飞行的过程中动态目标也在向西飞行，并且动态目标的飞行距离影响式中的dE，进而影响到卫星对观测目标点tE的计算，同时飞行时间tE又影响飞行距离，采取迭代的方式计算，直至飞行时间tE收敛。
子步骤五，细筛选的结果
由于发射点相对卫星的最高仰角涉及卫星首圈姿态控制目标，若发射点看卫星的最高仰角小于70°，则首圈姿态控制目标不能以+20°的俯仰角飞行，且对最大滚转角要求高，因此在细筛选中剔除了最大仰角小于70°的窗口。
步骤六，跟踪窗口的优选与排序
发射窗口的筛选准则为：
相机最大姿态机动范围内的圈次，在白天的，且无日月干扰卫星星敏感器，为A类窗口；
相机最大姿态机动范围内的圈次，在白天的，有日月干扰的，为B类窗口；
相机最大姿态机动范围内的圈次，且观测时间在晚上的，由于夜晚发射不利于机动弹头的搜索回收等因素，划为C类窗口，并按照是否有日月干扰排序。
按照上述原则，对初筛结果进行再次筛选，计算得到细筛选结果如下表所示。
表5 目标M细筛后的发射窗口

Claims (3)

1.一种低轨卫星跟踪非轨道飞行高动态目标的窗口计算方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一，明确已知条件，包括动态目标在地固系的理论弹道和卫星在J2000惯性坐标系的轨道参数，所述的轨道参数包括历元时刻、轨道六根数、大气阻尼系数和面质比；
步骤二，明确约束条件，包括卫星的对地观测能力和气象可见约束；所述的卫星的对地观测能力包括卫星的星敏感器安装位置与指向、卫星的姿态角机动范围、卫星姿态角速度的最大值、观测相机的分辨率参数；所述的气象可见约束包括可见距离和动态目标周围的云层分布情况；
步骤三，明确卫星跟踪窗口的计算优化目标，内容包括：
a)卫星的相机光轴指向目标时，卫星姿态在姿态机动范围内；
b)卫星姿态机动角速度能满足锁定动态目标的条件；
c)目标进入卫星相机视场后，预留足以判断是否完成目标锁定的时间；
d)窗口时间内，地面测站对低轨卫星可见；
e)窗口时间内，日月星体不能对星敏感器产生干扰；
f)卫星跟踪动态目标的时间取最优值；
步骤四，以动态目标的初始位置看卫星的最高仰角作为判断标准，计算卫星看动态目标时是否超过了卫星侧摆角的滚动范围，将未超过的跟踪圈次作为跟踪窗口的初步筛选结果；
步骤五，读取步骤四初筛选的各圈次及其最高仰角Emax，根据卫星轨道、观测基点、卫星星下点之间的相互位置关系，采用实时姿态算法计算卫星看观测基点的姿态角及时间；若卫星跟踪动态目标的最大跟踪时长大于任务预先设定的跟踪窗口的最短时间间隔限制，则保留该圈次，否则排除该圈次；
步骤六，把步骤五筛选得到的跟踪窗口分为A、B、C三类；相机右摆最大角左摆范围内的圈次，且在白天的，为A类窗口；相机右摆最大角左摆范围内的圈次，不属于A类，且在白天的，为B类窗口；相机右摆最大角左摆范围内的圈次，且观测时间在晚上的，为C类窗口；其中为相机右摆的保守限制值，为相机左摆的保守限制值，为相机右摆的最大限制值，为相机左摆的最大限制值；保守限制值为卫星的设计侧摆角范围，最大限制值为卫星侧摆角的极限值。
2.根据权利要求1所述的低轨卫星跟踪非轨道飞行高动态目标的窗口计算方法，其特征在于所述步骤四的具体步骤包括：
子步骤一，通过统计设定时段的空间环境观测参数，给定太阳辐射流量指数F10.7与地磁指数Kp值的上限与下限；
子步骤二，以卫星轨道初值完成轨道外推，外推的大气模型参数分别取子步骤一的上限与下限，生成两条卫星轨道，记为轨道OA和轨道OB；
子步骤三，以动态目标的初始位置点为观测基点，分别计算卫星轨道OA和轨道OB的可见圈次从观测基点看卫星的最高仰角情况，生成最高仰角的上限与下限；
子步骤四，计算卫星看基点是左侧摆还是右侧摆，判断最高仰角的上限与下限的余角是否在卫星侧摆角限制θmax范围内，若卫星侧摆角超过最大限制角θmax，则排除该跟踪圈次，否则保留该跟踪圈次；
子步骤五，将保留的跟踪圈次作为跟踪窗口的初步筛选结果。
3.根据权利要求1所述的低轨卫星跟踪非轨道飞行高动态目标的窗口计算方法，其特征在于：所述的步骤五将观测基点从地球固定坐标系转换至卫星轨道坐标系，在卫星轨道坐标系中，计算观测基点满足卫星最大姿态角可观测的条件，并由此计算观测开始时间；依据卫星俯仰角的上限值计算卫星跟踪动态目标的时间开始时刻T0，设目标识别的时间间隔为Tr，则跟踪窗口的时间前沿为Ts＝T0+Tr；依据卫星俯仰角的下限值计算卫星跟踪动态目标的时间窗口后沿TE；卫星跟踪动态目标的最大跟踪时长TD＝TE-Ts；若TD大于任务预先设定的跟踪窗口的最短时间间隔限制TL，则保留该圈次，否则排除该圈次。
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