CN108287352B - 一种卫星圆锥传感器作用范围的确认方法及系统 - Google Patents

一种卫星圆锥传感器作用范围的确认方法及系统 Download PDF

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    • G01S19/13Receivers
    • G01S19/20Integrity monitoring, fault detection or fault isolation of space segment

Abstract

本发明提供一种卫星圆锥传感器作用范围的确认方法及系统,其中,一种卫星圆锥传感器作用范围的确认方法,包括如下步骤:1)通过卫星位置计算模块和姿态计算模块,得到当前时刻卫星位置、速度以及传感器中心视轴指向,同时读取圆锥传感器半锥角参数;2)计算每一条射线向量的端点坐标P;3)通过圆锥传感器作用范围计算模块,判断每一条射线与地球的相交情况,由此得出圆锥传感器作用范围与地球的位置关系;4)将计算得到的圆锥传感器实际作用范围坐标值导入综合显示模块进行显示,效果输出到屏幕。本发明还提供了一种系统,匹配上述的方法,包括卫星轨道计算模块、姿态计算模块、圆锥传感器计算模块以及综合显示模块。

Description

一种卫星圆锥传感器作用范围的确认方法及系统
技术领域
本发明属于卫星圆锥传感器作用范围确认技术,具体涉及一种卫星圆锥传感器作用范围的确认方法及系统。
背景技术
近年来,我国在航天领域取得了举世瞩目的成就,而数字仿真分析技术在其中的作用也越来越大。随着我国北斗卫星导航系统由亚太区域服务向全球服务的开始,以及载人航天工程从空间实验室走向空间站,我国航天领域对系统级空间信息仿真分析工具的需求越来越强烈。我国在航天领域数字化仿真分析方面发展较晚,目前国内暂时没有一个自主研发且稳定可靠的成熟技术,仅有的几个相关技术研发公司也基本上是在美国分析图形公司(AGI)开发的系统工具箱STK的基础上进行的二次开发。STK软件属于美国国务院管理的《国际武器条例》中限制对中国出口的技术之一,即使目前可以通过一些渠道使用STK进行二次开发,但由于STK中内部实现方式未知,如果使用STK应用于我国航天工程,有可能面临不可意料的风险。因此,十分有必要加强航天领域数字化仿真分析技术研究,综合空间电讯、测控信息、飞行力学和飞行器控制、轨道确定和姿态控制、测控系统仿真等诸多专业技术,形成一套适用于我国航天任务的综合性系统级空间信息计算分析工具,打破国外在该领域的垄断,推动我国航天事业的快速发展。
北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行的卫星导航系统。目前,随着北斗三号卫星的发射成功,标志着中国北斗卫星导航系统步入全球组网新时代。相比于北斗二号区域系统,北斗三号的服务区域将扩展至全球。由于地理分布以及现实原因,我国不能像美国一样,在全球范围内布设监测站跟踪北斗卫星,当北斗卫星离开国内测控范围后,基本处于不可控状态。
发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的是提供一种卫星圆锥传感器作用范围的确认方法及系统。
本发明采用的技术方案是:
一种卫星圆锥传感器作用范围的确认方法,该确认方法包括如下步骤:
1)通过卫星位置计算模块和姿态计算模块,得到当前时刻卫星位置、速度以及传感器中心视轴指向,同时读取圆锥传感器半锥角参数;
2)计算每一条射线向量的端点坐标P;
3)通过圆锥传感器作用范围计算模块,判断每一条射线与地球的相交情况,由此得出圆锥传感器作用范围与地球的位置关系;
4)将计算得到的圆锥传感器实际作用范围坐标值导入综合显示模块进行显示,效果输出到屏幕。
进一步地,所述圆锥传感器搭载在卫星上,设置有若干个。
进一步地,在步骤3)中,圆锥传感器作用范围与地球的位置关系包括:全相交、不相交、包地球和部分相交;
若全相交,通过圆锥传感器作用范围计算模块计算每一条射线与地球的交点;
若不相交,返回射线端点坐标P;
若包地球,返回射线端点P坐标,同时通过圆锥传感器作用范围计算模块计算切点坐标和切点延长线坐标;
若部分相交,通过圆锥传感器作用范围计算模块计算相交部分射线与地球的交点坐标,计算不相交部分射线与地球的切点坐标以及切点延长线坐标。
进一步地,所述交点为传感器射线或波束与地球的相交点。
进一步地,所述传感器射线或波束与地球的相交点的确认公式如下:
OA2=SA2+SO2-2*SA*SO*cosβ (1)
得到SA长度后,利用向量比例公式计算交点A坐标:
Figure GDA0003236356620000021
Figure GDA0003236356620000022
其中,S为传感器坐标、P为射线端点坐标、O为地心坐标,OA为地球半径,β为
Figure GDA0003236356620000023
Figure GDA0003236356620000024
的夹角。
进一步地,所述切点是传感器射线与地球相切时的点。
进一步地,所述传感器射线与地球相切时的点的确认公式如下:
Figure GDA0003236356620000031
Figure GDA0003236356620000032
Figure GDA0003236356620000033
新坐标系与地心J2000坐标系的旋转平移矩阵为:
Figure GDA0003236356620000034
当卫星传感器位于空间S点时,其与地球的切角
Figure GDA0003236356620000035
此时通过点的坐标变换得到在
Figure GDA0003236356620000036
Figure GDA0003236356620000037
确定的平面上的切点T的坐标:
Figure GDA0003236356620000038
其中,(Tx,Ty,Tz)为切点T坐标,其在直线SP和SO确定的平面内,原点为卫星传感器中心(Sx,Sy,Sz),X轴为
Figure GDA0003236356620000039
方向,Z轴为
Figure GDA00032363566200000310
方向,Y轴与Z轴和X轴构成右手坐标系。
一种卫星圆锥传感器作用范围的确认系统,包括
卫星轨道计算模块,用于获取当前时刻卫星的位置速度;
姿态计算模块,用于获取当前时刻传感器中心视轴指向;
圆锥传感器计算模块,用于根据当前时刻卫星的位置速度和当前时刻传感器中心视轴指向的变化关系,得到当前时刻圆锥传感器作用范围;
综合显示模块;用于将圆锥传感器计算模块获取的作用范围显示。
通过本发明提供的卫星圆锥传感器作用范围的确认方法,根据北斗卫星导航系统已经公布的在轨卫星轨道参数能够仿真北斗系统目前的星座构型,建立星间链路,计算卫星之间可见性,然后以圆锥传感器模式模拟星间链路状态。
附图说明
图1为本发明中圆锥传感器定义参照图;
图2为本发明中系统的框架原理图;
图3为本发明的方法流程图;
图4A为本发明中交点计算的原理图;
图4B为本发明中切点计算的原理图;
图5A为本发明中圆锥传感器作用范围与地球全相交的原理图;
图5B为本发明中圆锥传感器作用范围与地球不相交的原理图;
图5C为本发明中圆锥传感器作用范围与地球包地球的原理图;
图5D为本发明中圆锥传感器作用范围与地球部分相交的原理图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明,在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明,但并不作为对本发明的限定。
以下为本发明的术语定义:
星间链路:指航天器与航天器之间,具有数据传输和测距功能的无线链路。
圆锥传感器:通常用半锥角和中心轴指向两个参数来定义。半锥角确定圆锥传感器覆盖范围大小,中心轴指向确定其空间朝向。传感器通常搭载于卫星等航天航空飞行器,参照图1,图1中S表示卫星,卫星的位置决定了传感器在空间发射信号波束的位置。
参照图2,本发明提供了一种卫星圆锥传感器作用范围的确认系统,包括
卫星轨道计算模块,用于获取当前时刻卫星的位置速度;
姿态计算模块,用于获取当前时刻传感器中心视轴指向;
圆锥传感器计算模块,用于根据当前时刻卫星的位置速度和当前时刻传感器中心视轴指向的变化关系,得到当前时刻圆锥传感器作用范围;
综合显示模块;用于将圆锥传感器计算模块获取的作用范围显示。
参照图3,本发明还提供了一种卫星圆锥传感器作用范围的确认方法,该确认方法包括如下步骤:
1)通过卫星位置计算模块和姿态计算模块,得到当前时刻卫星位置、速度以及传感器中心视轴指向,同时读取圆锥传感器半锥角参数;
2)计算每一条射线向量的端点坐标P;
3)通过圆锥传感器作用范围计算模块,判断每一条射线与地球的相交情况,由此得出圆锥传感器作用范围与地球的位置关系;
4)将计算得到的圆锥传感器实际作用范围坐标值导入综合显示模块进行显示,效果输出到屏幕。
所述圆锥传感器搭载在卫星上,设置有若干个。
在步骤3)中,圆锥传感器作用范围与地球的位置关系包括:全相交、不相交、包地球和部分相交;
若全相交,通过圆锥传感器作用范围计算模块计算每一条射线与地球的交点;
若不相交,返回射线端点坐标P;
若包地球,返回射线端点P坐标,同时通过圆锥传感器作用范围计算模块计算切点坐标和切点延长线坐标;
若部分相交,通过圆锥传感器作用范围计算模块计算相交部分射线与地球的交点坐标,计算不相交部分射线与地球的切点坐标以及切点延长线坐标。
所述交点为传感器射线或波束与地球的相交点。
所述传感器射线或波束与地球的相交点的确认公式如下:
OA2=SA2+SO2-2*SA*SO*cosβ (1)
得到SA长度后,利用向量比例公式计算交点A坐标:
Figure GDA0003236356620000051
Figure GDA0003236356620000061
其中,S为传感器坐标、P为射线端点坐标、O为地心坐标,OA为地球半径,β为
Figure GDA0003236356620000062
Figure GDA0003236356620000063
的夹角。
所述切点是传感器射线与地球相切时的点。
所述传感器射线与地球相切时的点的确认公式如下:
Figure GDA0003236356620000064
Figure GDA0003236356620000065
Figure GDA0003236356620000066
新坐标系与地心J2000坐标系的旋转平移矩阵为:
Figure GDA0003236356620000067
当卫星传感器位于空间S点时,其与地球的切角
Figure GDA0003236356620000068
此时通过点的坐标变换得到在
Figure GDA0003236356620000069
Figure GDA00032363566200000610
确定的平面上的切点T的坐标:
Figure GDA00032363566200000611
其中,(Tx,Ty,Tz)为切点T坐标,其在直线SP和SO确定的平面内,原点为卫星传感器中心(Sx,Sx,Sz),X轴为
Figure GDA00032363566200000612
方向,Z轴为
Figure GDA00032363566200000613
方向,Y轴与Z轴和X轴构成右手坐标系。
在上述中,射线端点坐标P的确认方法如下:
本文中原始作用范围是指假定传感器中心位于坐标系原点O,半锥角为θ,中心视轴指向坐标系Z轴正方向形成的圆锥传感器作用范围。记X轴单位向量为XAXIS(1,0,0),Y轴单位向量为YAXIS(0,1,0),Z轴单位向量为ZAXIS(0,0,1)。在三维几何变换中,若以坐标系的三个坐标轴X,Y,Z分别作为旋转轴,规定在右手坐标系中,物体旋转正方向为右手螺旋方向,则原坐标系分别绕X轴旋转α,Y轴旋转β,Z轴旋转γ,其旋转变换矩阵分别为:
Figure GDA0003236356620000071
Figure GDA0003236356620000072
Figure GDA0003236356620000073
约定圆锥传感器射线长度为Length,可以得到圆锥传感器原始作用范围中心视轴端点坐标C为:
(Cx,Cy,Cz)=ZAXIS(0,0,1)*Length=(0,0,Length)
对于圆锥传感器原始作用范围内任一点,其半锥角均为θ,方位角在[0°,360°]变化。当方位角为
Figure GDA0003236356620000074
时,相应的射线端点坐标D为:
Figure GDA0003236356620000075
对于方位角,设置5度一个点,即分别计算
Figure GDA0003236356620000076
时半锥角为θ的端点坐标,这样就得到了圆锥传感器的原始作用范围。
传感器中心在空间实际位置记为S(Sx,Sy,Sz),中心视轴指向坐标系与地心J2000惯性系的旋转矩阵记为:
Figure GDA0003236356620000077
考虑到空间变换涉及坐标的平移和旋转,所以本算法采用齐次坐标技术将三维变换矩阵用4×4齐次坐标描述。若坐标系原点平移量为(Sx,Sy,Sz),坐标系旋转矩阵为:
Figure GDA0003236356620000081
则得到最终的旋转平移矩阵R为:
Figure GDA0003236356620000082
将上述中计算得到的圆锥传感器原始作用范围内所有点坐标乘以旋转平移矩阵R得到圆锥传感器在空间的实际作用范围点坐标P:
Figure GDA0003236356620000083
以上对本发明实施例所公开的技术方案进行了详细介绍,本文中应用了具体实施例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明实施例,在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种卫星圆锥传感器作用范围的确认方法,其特征在于,该确认方法包括如下步骤:
1)通过卫星位置计算模块和姿态计算模块,得到当前时刻卫星位置、速度以及传感器中心视轴指向,同时读取圆锥传感器半锥角参数;
2)计算每一条射线向量的端点坐标P;
3)通过圆锥传感器作用范围计算模块,判断每一条射线与地球的相交情况,由此得出圆锥传感器作用范围与地球的位置关系;
4)将计算得到的圆锥传感器实际作用范围坐标值导入综合显示模块进行显示,效果输出到屏幕;
在步骤3)中,圆锥传感器作用范围与地球的位置关系包括:全相交、不相交、包地球和部分相交;
若全相交,通过圆锥传感器作用范围计算模块计算每一条射线与地球的交点;
若不相交,返回射线端点坐标P;
若包地球,返回射线端点P坐标,同时通过圆锥传感器作用范围计算模块计算切点坐标和切点延长线坐标;
若部分相交,通过圆锥传感器作用范围计算模块计算相交部分射线与地球的交点坐标,计算不相交部分射线与地球的切点坐标以及切点延长线坐标;
所述交点为传感器射线或波束与地球的相交点;
所述传感器射线或波束与地球的相交点的确认公式如下:
OA2=SA2+SO2-2*SA*SO*cosβ (1)
得到SA长度后,利用向量比例公式计算交点A坐标:
Figure FDA0003236356610000011
其中,S为传感器坐标、P射线端点坐标、O地心坐标,OA为地球半径,β为
Figure FDA0003236356610000012
Figure FDA0003236356610000013
的夹角,
所述切点是传感器射线与地球相切时的点,
所述传感器射线与地球相切时的点的确认公式如下:
Figure FDA0003236356610000021
Figure FDA0003236356610000022
Figure FDA0003236356610000023
新坐标系与地心J2000坐标系的旋转平移矩阵为:
Figure FDA0003236356610000024
当卫星传感器位于空间S点时,其与地球的切角
Figure FDA0003236356610000025
此时通过点的坐标变换得到在
Figure FDA0003236356610000026
Figure FDA0003236356610000027
确定的平面上的切点T的坐标:
Figure FDA0003236356610000028
其中,(Tx,Ty,Tz)为切点T坐标,其在直线SP和SO确定的平面内,原点为卫星传感器中心(Sx,Sy,Sz),X轴为
Figure FDA0003236356610000029
方向,Z轴为
Figure FDA00032363566100000210
方向,Y轴与Z轴和X轴构成右手坐标系。
2.根据权利要求1所述的确认方法,其特征在于,所述圆锥传感器搭载在卫星上,设置有若干个。
3.一种卫星圆锥传感器作用范围的确认系统,基于权利要求1和2中任意一项的所述方法,其特征在于,包括
卫星轨道计算模块,用于获取当前时刻卫星的位置速度;
姿态计算模块,用于获取当前时刻传感器中心视轴指向;
圆锥传感器计算模块,用于根据当前时刻卫星的位置速度和当前时刻传感器中心视轴指向的变化关系,得到当前时刻圆锥传感器作用范围;
综合显示模块;用于将圆锥传感器计算模块获取的作用范围显示,
圆锥传感器作用范围与地球的位置关系包括:全相交、不相交、包地球和部分相交;
若全相交,通过圆锥传感器作用范围计算模块计算每一条射线与地球的交点;
若不相交,返回射线端点坐标P;
若包地球,返回射线端点P坐标,同时通过圆锥传感器作用范围计算模块计算切点坐标和切点延长线坐标;
若部分相交,通过圆锥传感器作用范围计算模块计算相交部分射线与地球的交点坐标,计算不相交部分射线与地球的切点坐标以及切点延长线坐标;
所述交点为传感器射线或波束与地球的相交点。
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Address after: Room 10701, 7 / F, unit 1, building 2, Qujiang, west of Jinhua Road, south of huangqutou South Road, north of 3rd Ring Road, Southeast of Yanxiang Road, Qujiang New District, Xi'an City, Shaanxi Province

Applicant after: XI'AN SIFANG XINGTU MEASUREMENT AND CONTROL TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Address before: 710061 Xi'an, Shaanxi, Xi'an Qujiang new yyxiang Road East, South Third Ring to the north, south of the south of the Yellow canal head south road, west of Jinhua Road, second blocks, 1 units, 7 floors, 10701.

Applicant before: XI'AN SIFANG XINGTU MEASUREMENT AND CONTROL TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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Applicant after: Star map of China Science and technology ( Xi'an ) Measurement and Control Technology Co.,Ltd.

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Applicant before: XI'AN SIFANG XINGTU MEASUREMENT AND CONTROL TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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Patentee after: Zhongke Xingtu measurement and control technology (Hefei) Co.,Ltd.

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