CN108680171A - 一种对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法和系统 - Google Patents

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邢飞
王赓
尤政
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Abstract

本发明提供一种对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法和系统，所述方法包括：根据待安装轨道卫星的地心‑卫星矢量在卫星本体坐标系中边界曲线和地气光半锥角得到地气光边界曲线；将所述地气光边界曲线围绕的不受杂散光干扰区域作为待安装轨道卫星星敏感器的安装指向区域。通过分析卫星在轨运行期间“卫星‑地心/太阳”矢量在卫星本体坐标系中的分布，建立了卫星对日定向模式下空间杂散光边界曲线的分析模型，从而确定星敏感器安装指向及杂散光抑制角，为具有对日定向模式的太阳同步轨道卫星星敏感器安装指向提供了指导。

Description

一种对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法和系统
技术领域
本发明涉及航天器姿态测量领域，更具体地，涉及一种对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法和系统。
背景技术
为获取充足的能量，卫星在轨运行期间太阳能帆板向应指向太阳，但对于一些微纳卫星，其太阳能板固定在卫星上无法相对卫星进行旋转，对于此类卫星，在不处于对地观测模式下，太阳能帆板所在平面需指向太阳进行旋转。因此，该类卫星一般有两种工作模式：对地观测模式和对日定向模式。当卫星太阳能帆板与X轴向垂直，在对日定向模式下，卫星本体坐标系X轴向应始终指向太阳。
星敏感器作为一种高精度、高可靠性的姿态敏感测量器件，当前在航天飞行器中得到了广泛的使用。这种敏感器的主要原理是：利用恒星位置相对于惯性空间基本不动的规律，通过对一个天区的恒星光电成像获取星图，再对星图进行处理和识别得到测量敏感器光轴在惯性空间指向，经过星敏感器在航天器安装坐标系与航天器姿态坐标系的转换即可得到航天器的三轴姿态；与其它姿态敏感器相比，星敏感器以恒星作为姿态测量参考基准，可以输出极高精度的绝对姿态信息并广泛应用于空间飞行器。然而，在轨运行中，星敏感器在工作过程中除了能够接收到目标星的能量外，还会受到地球大气层反射光、太阳光以及各种星体发出的光等杂散辐射的干扰。杂散光进入星敏感器视场，使得背景噪声提高、像面对比度降低，严重时甚至会使目标图像或信号完全被杂光噪声所淹没，对星敏感器星点提取的准确性与可靠性带来较大的影响，因此不合理的星敏感器安装指向将会降低成像质量和信噪比，甚至使星点淹没在背景杂散光中导致星敏感器失效。
现有技术中星敏感器安装时，一般通过已知卫星轨道、机动姿态、杂散光抑制角度等参数，在确定星敏感器初始安装位置的基础上，通过迭代仿真判断星敏感器指向与杂散光夹角是否满足杂散光抑制角度要求来优化星敏感器安装指向。但该方法通过不断调整星敏感器的安装角度和工况条件确定出合适的星敏感器安装角度，设计方法十分复杂，同时难以给出星敏感器指向与杂散光抑制角的关系。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法和系统，解决了现有技术中，方法复杂，难以给出星敏感器指向与杂散光抑制角的关系，只能通过不断调整星敏感器的安装角度和工况条件确定出合适的星敏感器安装角度，造成降低成像质量和信噪比、以及星敏感器失效的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法，包括：
根据待安装轨道卫星的地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中边界曲线和地气光半锥角得到地气光边界曲线；
将所述地气光边界曲线围绕的不受杂散光干扰区域作为待安装轨道卫星星敏感器的安装指向区域。
作为优选的，根据待安装轨道卫星的地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中边界曲线和地气光半锥角得到地气光边界曲线，还包括：
通过卫星工具包STK仿真轨道卫星的运行轨迹，根据待安装卫星的轨道参数，得到待安装轨道卫星在轨运行期间地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的分布，以及所述地心-卫星矢量与卫星本体坐标系中各轴的夹角极值。
作为优选的，获取地心-卫星矢量与卫星本体坐标系中各轴的夹角极值后还包括：
根据地心-卫星矢量与卫星本体坐标系中各轴的夹角极值得到地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的边界曲线A、边界曲线B。
作为优选的，获取轨道卫星的地气光半锥角具体包括：
获取待安装轨道卫星到地球中心的距离，并计算得到所述待安装轨道卫星的地气光半锥角：
δa＝arcsin((Re+d)/Rs)
式中，δa为地气光半锥角，Re为地球半径，d为大气层高度，Rs为待安装轨道卫星到地球中心的距离。
作为优选的，根据地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的边界曲线和地气光半锥角得到地气光边界曲线具体包括：
根据地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的边界曲线和地气光半锥角得到地气光旋转边界曲线C、D，基于所述地气光旋转边界曲线在卫星本体坐标系中的边界曲线，得到地气光边界曲线E、地气光边界曲线F。
作为优选的，还包括：
将所述地气光边界曲线E、地气光边界曲线F共同围绕区域的区域中心作为待安装轨道卫星星敏感器的安装指向。
一种对日定向卫星星敏感器安装指向获取系统，包括：
地气光边界曲线获取模块，用于根据待安装轨道卫星的地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中边界曲线和地气光半锥角得到地气光边界曲线；
卫星星敏感器角度计算模块，用于计算所述地气光边界曲线围绕区域，并将地气光边界曲线围绕的不受杂散光干扰区域作为待安装轨道卫星星敏感器的安装指向区域。
作为优选的，所述地气光边界曲线获取模块包括轨道卫星仿真单元和边界曲线获取单元；
所述轨道卫星仿真单元用于通过卫星工具包STK仿真轨道卫星的运行轨迹，根据待安装卫星的轨道参数，得到待安装轨道卫星在轨运行期间地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的分布，以及所述地心-卫星矢量与卫星本体坐标系中各轴的夹角极值；
所述边界曲线获取单元用于根据地心-卫星矢量与卫星本体坐标系中各轴的夹角极值得到地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的边界曲线A、边界曲线B。
一种对日定向卫星星敏感器安装指向获取设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述的对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法。
一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上述的对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法。
本发明提出一种对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法和系统，通过分析卫星在轨运行期间“卫星-地心/太阳”矢量在卫星本体坐标系中的分布，建立了卫星对日定向模式下空间杂散光边界曲线的分析模型，从而确定星敏感器安装指向及杂散光抑制角，为具有对日定向模式的太阳同步轨道卫星星敏感器安装指向提供了指导。
附图说明
图1为根据本发明实施例的对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法流程框图；
图2为根据本发明实施例的卫星本体坐标系地心-卫星矢量分布示意图；
图3为根据本发明实施例的地心-卫星矢量区域边界曲线示意图；
图4为根据本发明实施例的Z轴正方向地气光边界曲线示意图；
图5为根据本发明实施例的卫星对日定向模式不受杂散光干扰区域示意图；
图6为根据本发明实施例的星敏感器安装指向示意图；
图7为根据本发明实施例的对日定向卫星星敏感器安装指向获取设备的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，图中示出了一种对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法，包括：
根据待安装轨道卫星的地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中边界曲线和地气光半锥角得到地气光边界曲线；
将所述地气光边界曲线围绕的不受杂散光干扰区域作为待安装轨道卫星星敏感器的安装指向区域。
在本实施例中，为了避免地球反照光对星敏感器的影响，通过根据待安装轨道卫星的轨道参数，计算轨道卫星的地气光边界曲线，从而根据地气光边界曲线得到不受杂散光干扰区域，并将所述不受杂散光干扰区域作为待安装星敏感器的指向区域，为进行卫星星敏感器的安装提供安装角度依据。
在本实施例中，根据待安装轨道卫星的地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中边界曲线和地气光半锥角得到地气光边界曲线，还包括：
通过卫星工具包STK仿真轨道卫星的运行轨迹，根据待安装卫星的轨道参数，得到待安装轨道卫星在轨运行期间地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的分布，以及所述地心-卫星矢量与卫星本体坐标系中各轴的夹角极值。
具体的，根据卫星的轨道高度h、降交点地方时T、在轨运行周期t，通过卫星工具包(Satellite Tool Kit，STK)仿真得到卫星在轨运行期间地心-卫星矢量在卫星本体坐标系分布，并得到地心-卫星矢量与卫星本体坐标系X、Y、Z轴的夹角极值，在本实施例中，可通过卫星本体坐标系姿态球模型进行仿真分析。
在本实施例中，选取的太阳同步轨道卫星高度为535km，降交点地方时为10：30，在轨运行期间为3年。将上述参数设置代入STK可得地心-卫星矢量在卫星本体坐标系分布，如图2所示。其中，填充区域为卫星在轨期间地心-卫星矢量在卫星本体坐标系姿态球模型中的分布，在+Z轴视图方向，该矢量区域呈“X”分布。通过仿真同时可得地心-卫星矢量与卫星本体坐标系X、Y、Z夹角极值，如表1所示。其中，min为与相应轴向最小夹角，max为与相应轴向最大夹角。
表1“地心-卫星”矢量与卫星本体坐标系各轴夹角
在本实施例中，获取地心-卫星矢量与卫星本体坐标系中各轴的夹角极值后还包括：
根据地心-卫星矢量与卫星本体坐标系中各轴的夹角极值得到地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的边界曲线A、边界曲线B为式(1)、式(2)：
式中X_min为地心-卫星矢量与卫星本体坐标系X轴最小夹角，Y_min为与卫星本体坐标系Y轴最小夹角，在实施例中，由表1可知，地心-卫星矢量与卫星本体坐标系X轴最小夹角X_min为17.08°，与卫星本体坐标系Y轴最小夹角Y_min为62.99°。因此，地心-卫星矢量边界曲线A与B在卫星本体坐标系中如图3所示。
在本实施例中，获取轨道卫星的地气光半锥角具体包括：
获取待安装轨道卫星到地球中心的距离，并计算得到所述待安装轨道卫星的地气光半锥角：
δa＝arcsin((Re+d)/Rs)
式中，δa为地气光半锥角，Re为地球半径，d为大气层高度，Rs为待安装轨道卫星到地球中心的距离。当卫星处在对日定向模式下，由于本实施例卫星+X轴向始终指向太阳，因此在卫星本体坐标系中，任何时刻太阳光均为+X轴方向单一矢量。本实施例设定大气层高度d＝100km，地球半径Re＝6378km。根据关系式δa＝asin((Re+d)/Rs)，将上述参数代入上式计算可得535km轨道高度卫星相应地气光半锥角δa为69.57°。
在本实施例中，根据地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的边界曲线和地气光半锥角得到地气光边界曲线具体包括：
根据地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的边界曲线和地气光半锥角得到地气光旋转边界曲线，基于所述地气光旋转边界曲线在卫星本体坐标系中的边界曲线，得到地气光边界曲线E、地气光边界曲线F。
在本实施例中，地气光半锥角δa为69.57°，因此地气光旋转边界曲线C、地气光旋转边界曲线D在卫星本体坐标系中如图4所示，地气光旋转边界曲线C、地气光旋转边界曲线D方程分别为式(3)和式(4)：
根据式(3)和式(4)，可以得到旋转边界曲线在姿态球模型中的边界，即地气光边界曲线，其方程分别为式(5)和式(6)，其中，M1为2.06，M2为3.19，且M1、M2与地气光半锥角δa相关。
其中，式(5)对应图4中曲线E1、E2，式(6)对应图4中曲线F1、F2。
在本实施例中，还包括：
将所述地气光边界曲线E、地气光边界曲线F共同围绕区域的区域中心作为待安装轨道卫星星敏感器的安装指向，即根据不受杂散光干扰区域，确定卫星对日定向模式下星敏感器最优指向。
具体的，根据上述对太阳光矢量、地气光边界曲线的分析，可得对日指向模式下不受杂散光干扰区域，如图5所示，圆形区域E1和圆形区域F1交叠区域即为不受杂散光干扰区域。在卫星对日定向模式下存在两个沿Z轴对称的不受杂散光干扰区域，即区域①和区域②，但在卫星对地观测模式下，由于太阳光对称分布在-Y轴附近，会限制星敏感器在区域②的安装使用。因此，相对区域②，区域①更适合星敏感器的安装。
在本实施例中，同时，如图5所示，沿XY平面区域①角度区间大约为30.8°，沿Z轴方向区域①角度区间大约为40°，因此当星敏感器指向区域①中心时，可得到15.4°最大地气光抑制角。因此，卫星对日定向模式下星敏感器全周期不受杂散光影响优化安装指向如表2所示，其安装指向如图6所示。
表2对日定向模式星敏感器安装指向参数
本实施例中还提供了一种对日定向卫星星敏感器安装指向获取系统，包括：
地气光边界曲线获取模块，用于根据待安装轨道卫星的地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中边界曲线和地气光半锥角得到地气光边界曲线；
卫星星敏感器安装角度计算模块，用于计算所述地气光边界曲线围绕区域，并将地气光边界曲线围绕的不受杂散光干扰区域作为待安装轨道卫星星敏感器的安装指向区域。
作为优选的，所述地气光边界曲线获取模块包括轨道卫星仿真单元和边界曲线获取单元；
所述轨道卫星仿真单元用于通过卫星工具包STK仿真轨道卫星的运行轨迹，根据待安装卫星的轨道参数，得到待安装轨道卫星在轨运行期间地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的分布，以及所述地心-卫星矢量与卫星本体坐标系中各轴的夹角极值；
所述边界曲线获取单元用于根据地心-卫星矢量与卫星本体坐标系中各轴的夹角极值得到地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的边界曲线A、边界曲线B。
图7是示出本申请实施例的对日定向卫星星敏感器安装指向获取设备的结构框图。
参照图7，所述对日定向卫星星敏感器安装指向获取设备，包括：处理器(processor)810、存储器(memory)830、通信接口(CommunicationsInterface)820和总线840；
其中，
所述处理器810、存储器830、通信接口820通过所述总线840完成相互间的通信；
所述通信接口820用于该设备与显示装置的通信设备之间的信息传输；
所述处理器810用于调用所述存储器830中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法，例如包括：
根据待安装轨道卫星的地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中边界曲线和地气光半锥角得到地气光边界曲线；
将所述地气光边界曲线围绕的不受杂散光干扰区域作为待安装轨道卫星星敏感器的安装指向区域。
本实施例公开一种对日定向卫星星敏感器安装指向获取设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法，例如包括：
根据待安装轨道卫星的地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中边界曲线和地气光半锥角得到地气光边界曲线；
将所述地气光边界曲线围绕的不受杂散光干扰区域作为待安装轨道卫星星敏感器的安装指向区域。
本实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法，例如包括：
根据待安装轨道卫星的地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中边界曲线和地气光半锥角得到地气光边界曲线；
将所述地气光边界曲线围绕的不受杂散光干扰区域作为待安装轨道卫星星敏感器的安装指向区域。
本实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法，例如包括：
根据待安装轨道卫星的地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中边界曲线和地气光半锥角得到地气光边界曲线；
将所述地气光边界曲线围绕的不受杂散光干扰区域作为待安装轨道卫星星敏感器的安装指向区域。
综上所述，本发明提出一种对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法和系统，通过分析卫星在轨运行期间“卫星-地心/太阳”矢量在卫星本体坐标系中的分布，建立了卫星对日定向模式下空间杂散光边界曲线的分析模型，从而确定星敏感器安装指向及杂散光抑制角，为具有对日定向模式的太阳同步轨道卫星星敏感器安装指向提供了指导。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法，其特征在于，包括：
根据待安装轨道卫星的地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中边界曲线和地气光半锥角得到地气光边界曲线；
将所述地气光边界曲线围绕的不受杂散光干扰区域作为待安装轨道卫星星敏感器的安装指向区域。
2.根据权利要求1所述的对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法，其特征在于，根据待安装轨道卫星的地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中边界曲线和地气光半锥角得到地气光边界曲线，还包括：
通过卫星工具包STK仿真轨道卫星的运行轨迹，根据待安装卫星的轨道参数，得到待安装轨道卫星在轨运行期间地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的分布，以及所述地心-卫星矢量与卫星本体坐标系中各轴的夹角极值。
3.根据权利要求2所述的对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法，其特征在于，获取地心-卫星矢量与卫星本体坐标系中各轴的夹角极值后还包括：
根据地心-卫星矢量与卫星本体坐标系中各轴的夹角极值得到地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的边界曲线A、边界曲线B。
4.根据权利要求1所述的对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法，其特征在于，获取轨道卫星的地气光半锥角具体包括：
获取待安装轨道卫星到地球中心的距离，并计算得到所述待安装轨道卫星的地气光半锥角：
δa＝arcsin((Re+d)/Rs)
式中，δa为地气光半锥角，Re为地球半径，d为大气层高度，Rs为待安装轨道卫星到地球中心的距离。
5.根据权利要求3所述的对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法，其特征在于，根据地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的边界曲线和地气光半锥角得到地气光边界曲线具体包括：
根据地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的边界曲线和地气光半锥角得到地气光旋转边界曲线，基于所述地气光旋转边界曲线在卫星本体坐标系中的边界曲线，得到地气光边界曲线E、地气光边界曲线F。
6.根据权利要求1所述的对日定向卫星星敏感器安装指向获取方法，其特征在于，还包括：
将所述地气光边界曲线E、地气光边界曲线F共同围绕的不受杂散光干扰区域的区域中心作为待安装轨道卫星星敏感器的安装指向。
7.一种对日定向卫星星敏感器安装指向获取系统，其特征在于，包括：
地气光边界曲线获取模块，用于根据待安装轨道卫星的地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中边界曲线和地气光半锥角得到地气光边界曲线；
卫星星敏感器安装角度计算模块，用于计算所述地气光边界曲线围绕区域，并将地气光边界曲线围绕的不受杂散光干扰区域作为待安装轨道卫星星敏感器的安装指向区域。
8.根据权利要求7所述的对日定向卫星星敏感器安装指向获取系统，其特征在于，所述地气光边界曲线获取模块包括轨道卫星仿真单元和边界曲线获取单元；
所述轨道卫星仿真单元用于通过卫星工具包STK仿真轨道卫星的运行轨迹，根据待安装卫星的轨道参数，得到待安装轨道卫星在轨运行期间地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的分布，以及所述地心-卫星矢量与卫星本体坐标系中各轴的夹角极值；
所述边界曲线获取单元用于根据地心-卫星矢量与卫星本体坐标系中各轴的夹角极值得到地心-卫星矢量在卫星本体坐标系中的边界曲线A、边界曲线B。
9.一种对日定向卫星星敏感器安装指向获取设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至6任一所述的方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至6任一所述的方法。
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