CN108225306A - 基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法 - Google Patents

基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法 Download PDF

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Abstract

基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法，涉及应用于太阳同步轨道上遥感卫星领域，解决现有星敏布局方法复杂，需要反复迭代且只能满足卫星有限姿态下有效的缺点，建立空间球面；确定建立的空间球面上有效规避地气光的区域；确定空间球面上有效规避太阳光的区域；将确定的有效规避地气光的区域和确定的有效规避太阳光的区域取交集，获得的交集区域为卫星在凝视姿态下星敏有效的有效区域；以空间球面的球心作为星敏光轴矢量的起点，在所述有效区域上的任意备选点作为星敏光轴矢量的终点，即确定出星敏的安装布局方位。本发明所述的星敏感器布局方法简单、方便、快捷。可以一次性直接求出满足卫星所有姿态情况下对星敏感器有效性的要求。

Description

基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法
技术领域
本发明涉及应用于太阳同步轨道上遥感卫星领域，具体涉及一种基于遥感卫星凝视成像的星敏感器安装布局方法，用于保证卫星在凝视成像情况下星敏感器的有效性。
背景技术
星敏感器作为卫星上关键的姿态敏感部件，其在轨的有效性对于卫星姿态确定至关重要。而星敏感器作为光学敏感器件对于太阳光和地气光特别敏感，为了保证星敏感器有效，星敏感器光轴与太阳光(即为太阳矢量)夹角应大于等于星敏感器太阳规避角，星敏感器与地气光边缘夹角应大于等于星敏感器地球规避角。
而遥感卫星需要以不同的姿态进行对地成像。传统遥感卫星在成像时的卫星姿态多为对地三轴稳定姿态基础上进行左摆或者右摆成像。而近年来卫星凝视视频成像越来越引起人们的关注，以长光卫星技术有限公司为例，该公司发射的视频01至06星都具备在轨凝视成像功能。而凝视成像时卫星需要在左/右摆姿态的同时完成前摆和后摆，所以说卫星凝视成像时卫星姿态是不同左右摆角度和不同前后摆角度的随机组合。如图1所示，卫星在左摆或者右摆角γ的同时需要先完成前摆，最大前摆角度δ，如图中1号卫星所示；在卫星星下点处卫星只侧摆角γ，前后摆角度为零，如图中2号卫星的所示；在成像的后期卫星在左摆或者右摆∠γ的同时进行后摆，最大后摆角度δ，如图中3号卫星所示。卫星侧摆角度和前后摆角度的平方和再开放即为卫星凝视姿态角度。
然而现有星敏感器布局技术只能满足一种或者几种有限的姿态下的星敏感器有效性，而且需要单独求取各个姿态下星敏的有效情况然后进行组合，求取过程需要反复迭代。所以现有的布局方法已然不能够满足凝视姿态对于星敏有效性的布局要求。
发明内容
本发明为解决现有星敏布局方法复杂，需要反复迭代且只能满足卫星有限姿态下有效的缺点。提出一种基于空间投影和坐标转换的方式的星敏感器布局方法。进而一次性解决卫星凝视姿态下星敏有效性问题。
基于遥感卫星凝视成像的星敏感器安装布局方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、建立空间球面；
将卫星本体坐标系与卫星轨道坐标系重合，以卫星本体坐标系原点为球心，基于卫星本体坐标系做半径为r的空间球面，从所述空间球面的球心到球面上任意一点所构成的矢量即为备选的星敏感器光轴矢量；
步骤二、确定步骤一建立的空间球面上有效规避地气光的区域；
步骤二一、通过公式(1)确定地气光边缘与地球矢量夹角A，以夹角A为半锥角的圆锥面与步骤一建立的空间球面相交成形成圆a，圆a以下区域定义为地气光在空间球面上的投影；
其中，R为地球半径，L为地球外大气层厚度，H为卫星标称轨道高度；
步骤二二、设定星敏地球规避角B，在步骤二一所述圆锥面的基础上外扩角B，新的圆锥面与步骤一建立的空间球面相交形成圆b，所述圆b以上区域为在卫星不侧摆时星敏感器规避地气光的有效区域；
步骤二三、设定卫星凝视角度为角C，在步骤二二形成的新的圆锥面的基础上继续外扩角C，所形成的圆锥面与步骤一建立的空间球面相交，交线构成圆c，所述圆c以上的球面为满足卫星以角C凝视时星敏感器规避地气光的有效区域；
步骤三、确定空间球面上有效规避太阳光的区域；
步骤三一、在卫星不侧摆时，太阳矢量与轨道面的夹角β存在最小值βmin和最大值βmax；以卫星本体坐标系的-Y轴为轴心，分别以90°-βmin和90°-βmax为半锥角做两个圆锥面，所述两个圆锥面与空间球面分别形成两个圆，分别为圆d和圆e，并分别在90°-βmin半锥角基础上增加太阳规避角S、在90°-βmax半锥角基础上减少太阳规避角S形成两个新的圆锥面，新的圆锥面与空间球面相交形成圆f和圆g，则在空间球面上圆f的右侧和圆g的左侧区域即为星敏感器规避太阳的有效区域；
步骤三二、在卫星凝视姿态下，当卫星以左摆角γ姿态凝视时，将圆f、圆g的法向向量绕卫星本体坐标系+X轴旋转γ角，形成新的圆h和圆i，则在空间球面上圆h的右侧和圆i的左侧区域即为左摆姿态凝视时星敏感器规避太阳的有效区域；当卫星以右摆角γ姿态凝视时，将圆f他圆g的法向向量绕卫星本体坐标系+X轴旋转-γ角，形成新的圆j和圆k，则在空间球面上圆j的右侧和圆k的左侧区域即为右摆姿态凝视时星敏感器规避太阳的有效区域；
步骤三三、将步骤三一获得的有效区域和步骤三二获得的有效区域取交集，交集区域即为卫星在以侧摆角γ姿态进行凝视时星敏感器规避太阳光的有效区域；
步骤四、将步骤二确定的有效规避地气光的区域和步骤三确定的有效规避太阳光的区域取交集，获得的交集区域为卫星在凝视姿态下星敏有效的有效区域；以空间球面的球心作为星敏光轴矢量的起点，在所述有效区域上的任意备选点作为星敏光轴矢量的终点，即确定出星敏的安装布局方位。
本发明的有益效果：
本发明所述的星敏感器布局方法简单、方便、快捷。可以一次性直接求出满足卫星所有姿态情况下对星敏感器有效性的要求。通过本发明确定出来的星敏感器布局，只需要一个星敏感器既可以满足卫星凝视姿态下星敏感器有效。
附图说明
图1为现有卫星凝视成像姿态示意图；
图2为本发明所述的基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法中地气光矢量在球面上的投影示意图；
图3为本发明所述的基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法中非凝视姿态星敏感器规避地气光的有效区域示意图；
图4为本发明所述的基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法中凝视情况下星敏感器规避地气光的有效区域示意图；
图5为本发明所述的基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法中卫星不侧摆下星敏感器规避太阳光的有效区域示意图；
图6为本发明所述的基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法中卫星左摆凝视情况下星敏感器规避太阳光的有效区域示意图；
图7为本发明所述的基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法中卫星右摆凝视情况下星敏感器规避太阳光的有效区域示意图；
图8为本发明所述的基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法中一种太阳矢量与轨道面夹角变化的示意图；
图9为在图8情况下满足星敏感器在轨有效的区域效果图；
图10为本发明所述的基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法中另一种太阳矢量与轨道面夹角变化的示意图；
图11为在图10情况下满足星敏在轨有效的区域效果图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图2至图7说明本实施方式，基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法，该方法由以下步骤实现：
首先，明确两个坐标系：卫星轨道坐标系和卫星本体坐标系：
卫星本体坐标系：卫星本体坐标系是指固连于卫星的直角坐标系，坐标原点在卫星的质心处，+Z轴垂直于卫星对接环与运载器过渡段对接面，指向光学相机；+X轴在卫星对接环与运载器过渡段对接面内，与卫星飞行方向同向；+Y轴按右手法则确定。
卫星轨道坐标系：轨道坐标系坐标原点为卫星质心，+Y轴指向轨道角速度反方向，+Z轴指向地球中心，+X轴与+Y、+Z轴成右手直角坐标系(飞行方向)，此坐标系为卫星成像姿态的基础坐标系。
其次，定义两个矢量：
地球矢量：从卫星本体质心指向地球球心，长度为r，地球矢量与卫星轨道坐标系的Z轴重合；
太阳矢量：从卫星本体质心指向太阳球心，长度为r，对于太阳同步轨道卫星，卫星运行一个轨道周期太阳矢量扫过的区域形成一个圆锥面。
具体方案实施包括以下几步：
步骤一、建立空间球面：将卫星本体坐标系与卫星轨道坐标系重合，以卫星本体坐标系原点为球心，基于卫星本体坐标系做半径为r的空间球面，从所述空间球面的球心到球面上任意一点所构成的矢量即为备选的星敏感器光轴矢量；
步骤二、确定步骤一建立的空间球面上有效规避地气光的区域；
步骤二一、通过公式(1)确定地气光边缘与地球矢量夹角A，以夹角A为半锥角的圆锥面与步骤一建立的空间球面相交成形成圆a，圆a以下区域定义为地气光在空间球面上的投影；
其中，R为地球半径，L为地球外大气层厚度，H为卫星标称轨道高度；
步骤二二、设定星敏地球规避角B，在步骤二一所述圆锥面的基础上外扩角B，新的圆锥面与步骤一建立的空间球面相交形成圆b，所述圆b以上区域为在卫星不侧摆时星敏感器规避地气光的有效区域；
步骤二三、设定卫星凝视角度为角C，在步骤二二形成的新的圆锥面的基础上继续外扩角C，所形成的圆锥面与步骤一建立的空间球面相交，交线构成圆c，所述圆c以上的球面为满足卫星以角C凝视时星敏感器规避地气光的有效区域；
步骤三、确定空间球面上有效规避太阳光的区域；
步骤三一、在卫星不侧摆时，太阳矢量与轨道面的夹角β存在最小值βmin和最大值βmax；以卫星本体坐标系的-Y轴为轴心，分别以90°-βmin和90°-βmx为半锥角做两个圆锥面，所述两个圆锥面与空间球面分别形成两个圆，分别为圆d和圆e，并分别在90°-βmin半锥角基础上增加太阳规避角S、在90°-βmx半锥角基础上减少太阳规避角S形成两个新的圆锥面，新的圆锥面与空间球面相交形成圆f和圆g，则在空间球面上圆f的右侧和圆g的左侧区域即为星敏感器规避太阳的有效区域；
步骤三二、在卫星凝视姿态下，当卫星以左摆角γ姿态凝视时，将圆f、圆g的法向向量绕卫星本体坐标系+X轴旋转γ角，形成新的圆h和圆i，则在空间球面上圆h的右侧和圆i的左侧区域即为左摆姿态凝视时星敏感器规避太阳的有效区域；当卫星以右摆角γ姿态凝视时，将圆f他圆g的法向向量绕卫星本体坐标系+X轴旋转-γ角，形成新的圆j和圆k，则在空间球面上圆j的右侧和圆k的左侧区域即为右摆姿态凝视时星敏感器规避太阳的有效区域；
步骤三三、将步骤三一获得的有效区域和步骤三二获得的有效区域取交集，交集区域即为卫星在以侧摆角γ姿态进行凝视时星敏感器规避太阳光的有效区域；
步骤四、将步骤二确定的有效规避地气光的区域和步骤三确定的有效规避太阳光的区域取交集，获得的交集区域为卫星在凝视姿态下星敏有效的有效区域；以空间球面的球心作为星敏光轴矢量的起点，在所述有效区域上的任意备选点作为星敏光轴矢量的终点，即确定出星敏的安装布局方位。
具体实施方式二、结合图8和图9说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法的实施例：
本实施方式中，设定卫星轨道高度：500.0km；降交点地方时：11:30am；星敏感器太阳规避角：25°；星敏感器地球规避角：25°；卫星凝视角度：30°。
通过公式计算出地气光边缘夹角∠A＝70.3635°，通过轨道分析软件仿真分析出一年内太阳矢量与轨道面夹角变化范围为3.5°～12.6°。
采用本实施方式一所述的方法，计算出得结果如图9所示。图中所展示的区域为满足星敏感器地球规避角的区域，而图中深色区域为星敏感器同时满足星敏感器地球规避角和太阳规避角的有效区域。
在图上区域内随机选择一点通过轨道分析软件进行验证，验证结果如表1所示：
表1星敏有效性分析表1
具体实施方式三、结合图10和图11说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法的实施例：
卫星轨道高度：636.0km；降交点地方时：10:00am；星敏感器太阳规避角：30°；星敏感器地球规避角：30°；卫星凝视角度：35°。
通过公式计算出地气光边缘夹角∠A＝67.4554°，通过轨道分析软件仿真分析出一年内太阳矢量与轨道面夹角变化范围为23.5°～34.5°。
根据具体实施方式一所述的方法，计算出得结果如图11所示。图中所展示的区域为满足星敏感器地球规避角的区域，而图中深色区域为星敏感器同时满足星敏感器地球规避角和太阳规避角的有效区域。
在图上区域内随机选择一点通过轨道分析软件中进行验证，验证结果如表2所示：
表2星敏有效性分析表2

Claims (3)

1.基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：
步骤一、建立空间球面；
将卫星本体坐标系与卫星轨道坐标系重合，以卫星本体坐标系原点为球心，基于卫星本体坐标系做半径为r的空间球面，从所述空间球面的球心到球面上任意一点所构成的矢量即为备选的星敏感器光轴矢量；
步骤二、确定步骤一建立的空间球面上有效规避地气光的区域；
步骤二一、通过公式(1)确定地气光边缘与地球矢量夹角A，以夹角A为半锥角的圆锥面与步骤一建立的空间球面相交成形成圆a，圆a以下区域定义为地气光在空间球面上的投影；
其中，R为地球半径，L为地球外大气层厚度，H为卫星标称轨道高度；
步骤二二、设定星敏地球规避角B，在步骤二一所述圆锥面的基础上外扩角B，新的圆锥面与步骤一建立的空间球面相交形成圆b，所述圆b以上区域为在卫星不侧摆时星敏感器规避地气光的有效区域；
步骤二三、设定卫星凝视角度为角C，在步骤二二形成的新的圆锥面的基础上继续外扩角C，所形成的圆锥面与步骤一建立的空间球面相交，交线构成圆c，所述圆c以上的球面为满足卫星以角C凝视时星敏感器规避地气光的有效区域；
步骤三、确定空间球面上有效规避太阳光的区域；
步骤三一、在卫星不侧摆时，太阳矢量与轨道面的夹角β存在最小值βmin和最大值βmax；以卫星本体坐标系的-Y轴为轴心，分别以90°-βmin和90°-βmax为半锥角做两个圆锥面，所述两个圆锥面与空间球面分别形成两个圆，分别为圆d和圆e，并分别在90°-βmin半锥角基础上增加太阳规避角S、在90°-βmax半锥角基础上减少太阳规避角S形成两个新的圆锥面，新的圆锥面与空间球面相交形成圆f和圆g，则在空间球面上圆f的右侧和圆g的左侧区域即为星敏感器规避太阳的有效区域；
步骤三二、在卫星凝视姿态下，当卫星以左摆角γ姿态凝视时，将圆f、圆g的法向向量绕卫星本体坐标系+X轴旋转γ角，形成新的圆h和圆i，则在空间球面上圆h的右侧和圆i的左侧区域即为左摆姿态凝视时星敏感器规避太阳的有效区域；当卫星以右摆角γ姿态凝视时，将圆f他圆g的法向向量绕卫星本体坐标系+X轴旋转-γ角，形成新的圆j和圆k，则在空间球面上圆j的右侧和圆k的左侧区域即为右摆姿态凝视时星敏感器规避太阳的有效区域；
步骤三三、将步骤三一获得的有效区域和步骤三二获得的有效区域取交集，交集区域即为卫星在以侧摆角γ姿态进行凝视时星敏感器规避太阳光的有效区域；
步骤四、将步骤二确定的有效规避地气光的区域和步骤三确定的有效规避太阳光的区域取交集，获得的交集区域为卫星在凝视姿态下星敏有效的有效区域；以空间球面的球心作为星敏光轴矢量的起点，在所述有效区域上的任意备选点作为星敏光轴矢量的终点，即确定出星敏的安装布局方位。
2.根据权利要求1所述的基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法，其特征在于，在步骤一之前，还包括建立卫星本体坐标系和卫星轨道坐标系以及定义地球矢量和太阳矢量；
卫星本体坐标系：卫星本体坐标系是指固连于卫星的直角坐标系，坐标原点在卫星的质心处，+Z轴垂直于卫星对接环与运载器过渡段对接面，指向光学相机；+X轴在卫星对接环与运载器过渡段对接面内，与卫星飞行方向同向；+Y轴按右手法则确定。
卫星轨道坐标系：以轨道坐标系坐标原点为卫星质心，+Y轴指向轨道角速度反方向，+Z轴指向地球中心，+X轴与+Y轴、+Z轴成右手直角坐标系，此坐标系为卫星成像姿态的基础坐标系；
定义地球矢量和太阳矢量；
地球矢量：从卫星本体质心指向地球球心，地球矢量与卫星轨道坐标系的Z轴重合；
太阳矢量：从卫星本体质心指向太阳球心，对于太阳同步轨道卫星，卫星运行一个轨道周期太阳矢量扫过的区域形成一个圆锥面。
3.根据权利要求2所述的基于遥感卫星凝视姿态的星敏感器安装布局方法，其特征在于，从卫星本体质心指向地球球心或指向太阳球心的长度相同，且该长度与空间球面半径r相同。
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