CN108594269A - 一种星上高精度自主应急响应的方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种星上高精度自主应急响应的方法，其包括以下步骤：(一)计算目标点所在轨道与赤道面交点的地心经度；(二)计算轨控期间卫星在赤道处的地心经度变化量；(三)计算应急响应时间。

Description

一种星上高精度自主应急响应的方法

技术领域

本申请涉及航天技术领域，尤其涉及一种星上高精度自主应急响应方法。

背景技术

对地观测卫星利用星载传感器获取地球表面信息，可以广泛应用在土地资源普查、城市规划、环境保护等多个领域。当越来越多的抗灾救援任务愈加依赖卫星系统时，出现了一些新的需求，主要包括以下几个方面：1)反恐维稳，快速加强对某重点区域的情报收集分析；2)热点区域应对，对周边海域舰船的突发事件针对性地应对；3)灾害救援，对突发的重大自然灾害进行救援及评估工作。这些新的卫星应用需求与传统的卫星使用方式相比具有极强的突发、短暂等特性，因此卫星在轨任务的反应速度逐渐成为衡量空间系统性能的重要指标之一。

目前现有的卫星快速响应方法主要通过采用卫星姿态侧摆策略实现卫星对目标区域的快速观测需求；通过地面计算变轨策略使卫星到达目标点上方，实现卫星对目标区域的高分辨率观测需求；但现有技术不能同时满足快速观测(通常采用卫星姿态侧摆策略)与高分辨率观测(通常采用地面计算变轨策略)两种需求。

为了提高卫星的应急响应能力，快速对突发事件目标区域进行高精度观测，减少应急响应的时间，抓住抗灾救援任务的黄金时间段，对卫星具有高精度自主应急响应能力的需求越来越迫切，本领域急需一种星上高精度自主应急响应方法，利用本方法，可满足卫星的高精度自主应急响应，尤其是满足对突发事件区域的高精度(即高分辨率)快速应急观测。

发明内容

本申请之目的在于提供一种星上高精度自主应急响应的方法。

为了实现上述目的，本申请提供下述技术方案。

本申请的方法包括以下步骤：

(一)计算目标点所在轨道与赤道面交点的地心经度；

(二)计算轨控期间卫星在赤道处的地心经度变化量；

(三)计算应急响应时间。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于能够提高卫星的应急响应能力。

附图说明

图1是本申请的卫星位置与其在赤道处的经度关系图；其中，O-XYZ是地心第二赤道坐标系；S点是卫星在轨道上的位置；D点是卫星所在经度圈与赤道面的交点；N点是卫星所在的轨道与赤道面的交点；W是卫星轨道面法向量；i是地心第二赤道坐标系下轨道平倾角，其单位是度。

其中，所述地心第二赤道坐标系:坐标原点在地心，Z轴同地球自转轴重合，X轴在赤道平面内指向该时刻的格林威治子午线，Y轴垂直于X轴和Z轴并成右手直角坐标系。

具体实施方式

下面将结合附图以及本申请的实施例，对本申请的技术方案进行清楚和完整的描述。

本申请提供了一种星上高精度自主应急响应的方法，其包括以下步骤：

(一)计算目标点所在轨道与赤道面交点的地心经度：

1)计算轨道面法向量

a)计算卫星当前所在轨道面法向单位向量

根据下式计算卫星当前点的位置速度R₀＝[R_0x R_0y R_0z]、V₀＝[V_0x V_0y V_0z]

其中，R_in,V_in为卫星当前点的位置速度(地固坐标系)，R₀,V₀为卫星当前点的位置速度(地心第二赤道坐标系)，w_e＝[0 0 w_e]为地球自转角速度矢量，w_e＝7.292115146700604×10^-5rad/s。

其中，地固坐标系：坐标原点在地心，Z轴同地球自转轴重合，X轴在赤道平面内指向格林威治零子午线，Y轴垂直于X轴和Z轴并成右手直角坐标系，坐标系固连在地球上。

其中，地心第二赤道坐标系:坐标原点在地心，Z轴同地球自转轴重合，X轴在赤道平面内指向该时刻的格林威治子午线，Y轴垂直于X轴和Z轴并成右手直角坐标系。

则卫星当前时刻的星下点地心经纬度为：

卫星在当前时刻的轨道面法向单位向量为：

进一步可计算出，卫星在当前点轨道时速度在地心第二赤道坐标系Z轴方向的符号值：

v_{z_sat}＝sign(V_0z)

其中，sign()代表对括号内变量取符号值。

b)计算目标点所在轨道面法向单位量

所有法向量取单位向量，设目标点所在轨道面法向量为W_tar＝[W₁₁ W₁₂ W₁₃]，则其满足如下方程：

则，

其中，lon_tar、lat_tar为目标点的地心经纬度。

进一步可计算出，卫星在目标点轨道时速度在地心第二赤道坐标系Z轴方向的符号值：

v_{z_tar}＝sign(W₁₁·r_y-W₁₂·r_x)

2)计算DN、SN

根据球面三角形的正弦定理，可得

则，

其中，SD＝lat，∠DSN＝arccos(W₁·cos(lon-90°)+W₂·sin(lon-90°))，∠SDN＝90°，卫星在当前点时W₁＝W₀₁，W₂＝W₀₂；卫星在目标点时W₁＝W₁₁，W₂＝W₁₂。

3)计算卫星当前点及目标点所在轨道与赤道面的交点的地心经度

其中，卫星在当前点轨道时v_z＝v_{z_sat}，卫星在目标点轨道时v_z＝v_{z_tar}。

(二)计算轨控期间卫星在赤道处的地心经度变化量

选用“T_on秒开，T_off秒关”的脉冲螺旋控制方式进行轨道快速机动。

1)计算轨控消耗的燃料质量

其中，Ig是比冲，其单位为米/秒；F是推力，其单位是牛顿；T_pc是推进喷气时长(根据当前时刻判定卫星是否处于喷气状态，若处于T_on时间内，则T_pc＝dt(采样间隔)；若处于T_off时间内，则T_pc＝0)，其单位是秒。

2)计算轨控后卫星总质量

M_g＝M-M_t

其中，M是卫星轨控前总质量。

3)计算卫星产生的速度增量

4)计算轨控后卫星平半长轴大小

其中，是卫星轨控前的地心第二赤道坐标系下轨道平半长轴；其中，N_GK是轨控模式标志(1：升轨，-1：降轨)；其中，μ＝398600.4418×10⁹m³/s²；J₂＝1.08263×10^-3；R_e＝6378137m。

5)计算轨控期间卫星地心经度变化量

其中，

T_gk是轨控总时间；

为地心第二赤道坐标系下轨道平偏心率。

(三)计算应急响应时间

1)计算卫星当前时刻位置与目标点位置在赤道面上地心经度的差值，并将其转换为[0°，360°]之间的角度，公式如下：

其中，mod((),360)代表括号内的值对360°取余数，Δλ_sat是当前点所在轨道与赤道面的交点的地心经度，Δλ_tar目标点所在轨道与赤道面的交点的地心经度。

2)计算卫星将要机动的地心经度差

Δλ＝Δλ₀+360°n

其中，整数n＝0,1,2,...,TD，TD是应急任务限制的整天时间天数。

3)计算需要运行的轨数

其中，

4)判断轨数N_S是否满足要求，若满足则结束轨控，若不满足继续轨控，判断条件如下：

N_S-round(N_S)≤N_error

其中，round()表示对括号内的值四舍五入取整，N_error是用户允许的轨数误差。

5)若满足应急响应要求，则卫星从接到任务到机动到目标点上方所需时间约为：

上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。

Claims (4)

1.一种星上高精度自主应急响应的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(一)计算目标点所在轨道与赤道面交点的地心经度；

(二)计算轨控期间卫星在赤道处的地心经度变化量；

(三)计算应急响应时间。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(一)计算目标点所在轨道与赤道面交点的地心经度包括以下步骤：

1)计算轨道面法向量

a)计算卫星当前所在轨道面法向单位向量

根据下式计算卫星当前点的位置速度R₀＝[R_0x R_0y R_0z]、V₀＝[V_0x V_0y V_0z]

其中，R_in,V_in为卫星当前点的地固坐标系位置速度，R₀,V₀为卫星当前点的地心第二赤道坐标系位置速度，w_e＝[0 0 w_e]为地球自转角速度矢量，w_e＝7.292115146700604×10^{- 5}rad/s；

其中，地固坐标系：坐标原点在地心，Z轴同地球自转轴重合，X轴在赤道平面内指向格林威治零子午线，Y轴垂直于X轴和Z轴并成右手直角坐标系，坐标系固连在地球上；

其中，地心第二赤道坐标系：坐标原点在地心，Z轴同地球自转轴重合，X轴在赤道平面内指向该时刻的格林威治子午线，Y轴垂直于X轴和Z轴并成右手直角坐标系；

则卫星当前时刻的星下点地心经纬度为：

卫星在当前时刻的轨道面法向单位向量为：

进一步可计算出，卫星在当前点轨道时速度在地心第二赤道坐标系Z轴方向的符号值：

v_{z_sat}＝sign(V_0z)；

其中，sign()代表对括号内变量取符号值。

b)计算目标点所在轨道面法向单位量

所有法向量取单位向量，设目标点所在轨道面法向量为W_tar＝[W₁₁ W₁₂ W₁₃]，则其满足如下方程：

则，

其中，lon_tar、lat_tar为目标点的地心经纬度。

进一步可计算出，卫星在目标点轨道时速度在地心第二赤道坐标系Z轴方向的符号值：

v_{z_tar}＝sign(W₁₁·r_y-W₁₂·r_x)；

2)计算DN、SN

根据球面三角形的正弦定理，可得

则，

其中，SD＝lat，∠DSN＝arccos(W₁·cos(lon-90°)+W₂·sin(lon-90°))，∠SDN＝90°，卫星在当前点时W₁＝W₀₁，W₂＝W₀₂；卫星在目标点时W₁＝W₁₁，W₂＝W₁₂；

3)计算卫星当前点及目标点所在轨道与赤道面的交点的地心经度

其中，卫星在当前点轨道时v_z＝v_{z_sat}，卫星在目标点轨道时v_z＝v_{z_tar}。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(二)计算轨控期间卫星在赤道处的地心经度变化量包括以下步骤：

选用“T_on秒开，T_off秒关”的脉冲螺旋控制方式进行轨道快速机动；

1)计算轨控消耗的燃料质量

其中，Ig是比冲，其单位为米/秒；F是推力，其单位是牛顿；T_pc是推进喷气时长(根据当前时刻判定卫星是否处于喷气状态，若处于T_on时间内，则T_pc＝dt(采样间隔)；若处于T_off时间内，则T_pc＝0；其单位是秒；

2)计算轨控后卫星总质量

M_g＝M-M_t

其中，M是卫星轨控前总质量；

3)计算卫星产生的速度增量

4)计算轨控后卫星平半长轴大小

其中，是卫星轨控前的地心第二赤道坐标系下轨道平半长轴；其中，N_GK是轨控模式标志(1：升轨，-1：降轨)；其中，μ＝398600.4418×10⁹m³/s²；J₂＝1.08263×10^-3；R_e＝6378137m；

5)计算轨控期间卫星地心经度变化量

其中，

T_gk是轨控总时间；

为地心第二赤道坐标系下轨道平偏心率。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(三)计算应急响应时间包括以下步骤：

1)计算卫星当前时刻位置与目标点位置在赤道面上地心经度的差值，并将其转换为[0°，360°]之间的角度，公式如下：

其中，mod((),360)代表括号内的值对360°取余数，Δλ_sat是当前点所在轨道与赤道面的交点的地心经度，Δλ_tar目标点所在轨道与赤道面的交点的地心经度；

2)计算卫星将要机动的地心经度差

Δλ＝Δλ₀+360°n

其中，整数n＝0,1,2,...,TD，TD是应急任务限制的整天时间天数；

3)计算需要运行的轨数

其中，

4)判断轨数N_S是否满足要求，若满足则结束轨控，若不满足继续轨控，判断条件如下：

N_S-round(N_S)≤N_error

其中，round()表示对括号内的值四舍五入取整，N_error是用户允许的轨数误差；

5)若满足应急响应要求，则卫星从接到任务到机动到目标点上方所需时间约为：