CN109001762B - 一种同步带目标光学观测卫星的地气光抑制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种同步带目标光学观测卫星的地气光抑制方法及系统。该系统包括：卫星，轨道选择晨昏太阳同步轨道，并保持姿态对地定向；光学观测模块，安装于所述卫星，与所述卫星的主轴垂直；挡板，安装于所述光学观测模块，在所述卫星运行期间，所述挡板设置于所述光学观测模块和地平面之间，其中，所述卫星按照姿态机动规律模型运行，以实现对需要凝视的纬度的遍历观测。利用本申请的技术方案仅通过简单结构设计就能实现对地气光的抑制，操作简单，节省成本。

Description

一种同步带目标光学观测卫星的地气光抑制方法及系统

技术领域

本申请涉及宇航类星空探测领域，特别是一种同步带目标光学观测卫星的地气光抑制方法及系统。

背景技术

对于宇航类星空探测领域而言，采用空间光学观测系统进行探测，具有机动灵活、观测范围光、运行时间长、数据更新周期短、观测精度高等诸多优点。

目前，同步带光学观测卫星对地气光的抑制主要手段：一是，利用光阑、内/外遮光罩、挡光环等消光措施对进入系统内的杂光进行抑制。例如：美国天基可见光望远镜SBV和加拿大天基空间目标观测卫星Sapphire采用的地气光抑制手段包括：1)采用立轴三反式光学系统；2)设计孔径光阑和视场光阑；3)主镜镜面进行光滑处理；4)遮光罩特殊设计等。二是，在任务期间，依据地面地气光影响计算先验数据，选择在地气光影响弧段关机而在非影响段开机观测。

传统方法在一体程度能够上提高空间观测相机的地气光抑制能力，但代价高、技术难度大，尤其是针对超高灵敏度空间相机的杂光抑制技术难度和成本巨大。另外，由于地气光影响的弧段随季节变化，造成观测卫星的观测任务规划复杂，使得卫星运控管理工作量变大。

因此，有必要提供一种新型的同步带目标光学观测卫星的地气光抑制方法及系统来解决上述问题。

发明内容

本申请之目的在于提供一种同步带目标光学观测卫星的地气光抑制系统，从而解决现有技术中的上述技术问题。具体来说，本申请的系统包括：卫星，轨道选择晨昏太阳同步轨道，并保持姿态对地定向；光学观测模块，安装于所述卫星，与所述卫星的主轴垂直；挡板，安装于所述光学观测模块，在所述卫星运行期间，所述挡板设置于所述光学观测模块和地平面之间，其中，所述卫星按照姿态机动规律模型运行，以实现对需要凝视的纬度的遍历观测。利用本申请的技术方案仅通过简单结构设计就能实现对地气光的抑制，操作简单，节省成本。

本申请之目的还在于提供一种同步带目标光学观测卫星的地气光抑制方法。

为了实现上述目的，本申请提供下述技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种同步带目标光学观测卫星的地气光抑制系统，所述系统包括：

卫星，轨道选择晨昏太阳同步轨道，并保持姿态对地定向；

光学观测模块，安装于所述卫星，与所述卫星的本体正Z轴垂直；以及

挡板，安装于所述光学观测模块，在所述卫星运行期间，所述挡板设置于所述光学观测模块和地平面之间，

其中，所述卫星按照姿态机动规律模型运行，以实现对需要凝视的纬度的遍历观测，所述姿态机动规律模型如公式(1)所示：

其中：

上述公式中

分别为卫星的位置和速度，θ为凝视的纬度，φ为卫星姿态偏航机动导引律。

在第一方面的一种实施方式中，所述卫星的主轴保持指向地心。

在第一方面的一种实施方式中，所述光学观测模块包括观测相机，所述挡板固定或可旋转的耦接于所述观测相机的镜头。

在第一方面的一种实施方式中，所述挡板平面法向和所述光学观测模块视轴的夹角在0°-10°之间。

在第一方面的一种实施方式中，所述挡板平面和所述光学观测模块视轴平行。

在第一方面的一种实施方式中，所述挡板的形状选自矩形、圆形、梯形或不规则形状，所述挡板的材料选自钛合金，表面喷涂SB-3黑漆。

在第一方面的一种实施方式中，所述挡板的面积与所述光学观测模块口径面积的比例为2：1。

在第一方面的一种实施方式中，所述需要凝视的纬度范围在0°-±30°之间。

在本申请的第二方面中，本申请提供一种同步带目标光学观测卫星的地气光抑制方法，所述方法包括：

(1)在卫星的光学观测模块安装挡板，所述挡板用于降低来自地球的地气光对所述光学观测模块的影响；

(2)设定所述卫星轨道选择晨昏太阳同步轨道，并保持姿态对地定向；以及

(3)根据所述卫星的运行轨道、运行速度和需要凝视的纬度，创建所述卫星的姿态机动规律模型以实现对所述需要凝视的纬度的遍历观测，所述姿态机动规律模型如公式(1)所示：

其中：

上述公式中

分别为卫星的位置和速度，θ为凝视的纬度，φ为卫星姿态偏航机动导引律。

在第二方面的一种实施方式中，所述卫星用于遍历凝视纬度范围在0°-±30°之间的地球静止轨道(The geostationary orbit，GEO)上的卫星。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于(1)仅通过简单结构设计就能实现对地气光较好的抑制效果，操作简单，节省成本；(2)不需要根据地气光影响计算开关机时间，极大降低因地气光影响造成的卫星运控管理工作量；(3)本申请可根据需求的凝视纬度调整卫星运行轨道，使得卫星几乎整轨可执行同步带观测任务，提高卫星同步带凝视遍历观测效能。

附图说明

通过结合附图对于本申请的实施方式进行描述，可以更好地理解本申请，在附图中：

图1为根据本申请的一个实施例的卫星运行示意图；

图2为根据本申请的一个实施例的安装有挡板的卫星光学观测模块的结构示意图。

具体实施方式

本申请涉及一种同步带目标光学观测卫星的地气光抑制系统，以及一种同步带目标光学观测卫星的地气光抑制方法。

本申请使用的“模块”、“系统”等术语旨在包括与计算机相关的实体，例如但不限于硬件、固件、软硬组合、软件或者执行中的软件。例如，模块可以是，但并不仅限于：处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行程序、执行的线程、程序和/或计算机。举例来说，计算设备上运行的应用程序和此计算设备都可以是模块。一个或多个模块可以位于执行中的一个进程和/或线程内。

术语“包含”，“包括”，“具有”以及它们的派生词不排除任何其它的组分、步骤或过程的存在，且与这些其它的组分、步骤或过程是否在本申请中披露无关。为消除任何疑问，除非明确说明，否则本申请中所有使用术语“包含”，“包括”，或“具有”的组合物可以包含任何附加的添加剂、辅料或化合物。相反，除了对操作性能所必要的那些，术语“基本上由……组成”将任何其他组分、步骤或过程排除在任何该术语下文叙述的范围之外。术语“由……组成”不包括未具体描述或列出的任何组分、步骤或过程。除非明确说明，否则术语“或”指列出的单独成员或其任何组合。

术语定义

如本文所使用，术语“地气光”是指地球-大气系统向宇宙空间释放的各类辐射。

如本文所使用，术语“太阳同步轨道”是指的就是卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，轨道的倾角(轨道平面与赤道平面的夹角)接近90度，卫星要在两极附近通过，因此又称之为近极地太阳同步卫星轨道。

如本文所使用，术语“地球静止轨道”是指卫星或人造卫星垂直于地球赤道上方的正圆形地球同步轨道。地球静止轨道属于地球同步轨道的一种。

首先，设置坐标系，如图1所示：

A.J2000惯性坐标系

坐标系原点为地球质心。x轴指向2000年1月1日12:00:00时刻的春分点、z轴沿该时刻的地球自转轴，y轴与x、z轴右手正交。

B.卫星本体坐标系

坐标系原点为卫星质心。z’(主轴)由卫星质心指向地心、y’轴(光学观测模块视轴)指向卫星星体的正前方向，x’轴与y’、z’轴右手正交。在卫星保持相机轴线指向地心的严格对地定向姿态时，卫星星体坐标系与轨道坐标系完全重合。

本申请提供一种同步带目标光学观测卫星的地气光抑制方法，所述方法包括：

(1)在卫星的光学观测模块安装挡板，所述挡板用于降低来自地球的地气光对所述光学观测模块的影响；

(2)设定所述卫星轨道选择晨昏太阳同步轨道，并保持姿态对地定向；以及

(3)根据所述卫星的运行轨道、运行速度和需要凝视的纬度，创建所述卫星的姿态机动规律模型以实现对所述需要凝视的纬度的遍历观测，所述姿态机动规律模型如公式(1)所示：

其中：

上述公式中

分别为卫星的位置和速度，θ为凝视的纬度，φ为卫星姿态偏航机动导引律。

图2为根据本申请的一个实施例的安装有挡板200的卫星光学观测模块100的结构示意图，如图2所示，在光学观测模块100的地面设计研制阶段，为光学观测模块100设计并安装一块挡板200，用于降低来自地球的地气光对光学观测模块的影响。在不局限的实施方式中，挡板200的材料选自钛合金。

在一种实施方式中，挡板200平面和光学观测模块100视轴的夹角在150°-180°之间。在一种具体的实施方式中，挡板200平面和光学观测模块100视轴平行。

在一种实施方式中，光学观测模块100包括观测相机，挡板200通过支架300固定或可旋转的耦接于观测相机的镜头110。

在一种实施方式中，所述挡板200的形状选自矩形、圆形、梯形或任何可以起到遮挡地气光作用的形状。

在一种实施方式中，为尽可能降低来自地球的地气光对光学观测模块100的影响，且不采用过大的挡板200增加卫星重量，所述挡板的面积与所述光学观测模块口径面积的比例为2：1。

在卫星安装集成阶段，将光学观测模块100安装于图1所示的卫星上，且与卫星的主轴z’垂直，即光学观测模块100的视轴与卫星的y’轴平行，挡板200与卫星的z’轴垂直。

在卫星运行期间，卫星轨道选择晨昏太阳同步轨道,姿态保持对地定向，挡板200设置于光学观测模块100和地平面之间。在一些实施方式中，卫星的主轴指向地心，挡板200和地平面平行。

本申请仅通过简单结构设计就能实现对地气光较好的抑制效果，操作简单，节省成本。且卫星姿态保持对地定向(主轴一直指向地心)，故挡板始终挡在地平面和光学观测模块之间，降低地气光对光学观测模块的影响，不需要根据地气光影响计算开关机时间，极大降低因地气光影响造成的卫星运控管理工作量。

在执行任务期间，如图1所示，卫星需要凝视的纬度范围在0°-±30°之间的地球静止轨道(The geostationary orbit，GEO)上的卫星。其中，卫星按照姿态机动规律模型运行，以实现对需要凝视的纬度的遍历观测，该姿态机动规律模型如公式(1)所示：

其中：

上述公式中

分别为卫星的位置和速度，θ为凝视的纬度，φ为卫星姿态偏航机动导引律。

本申请的姿态机动规律模型可根据需求的凝视纬度调整卫星运行轨道，使得卫星几乎整轨可执行同步带观测任务，提高卫星同步带凝视遍历观测效能。相较于现有技术，卫星仅改变主轴(z’)角度，而不改变x’和y’轴，使得姿态机动规律模型的数据量和计算量大大减小，降低了卫星运控管理工作量，降低了成本。

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 (8)

1.一种同步带目标光学观测卫星的地气光抑制系统，所述系统包括：

卫星，轨道选择晨昏太阳同步轨道，并保持姿态对地定向；

光学观测模块，安装于所述卫星，与所述卫星的本体正Z轴垂直；以及

挡板，安装于所述光学观测模块，在所述卫星运行期间，所述挡板设置于所述光学观测模块和地平面之间，

其中，所述卫星按照姿态机动规律模型运行，以实现对需要凝视的纬度的遍历观测，所述姿态机动规律模型如公式(1)所示：

其中：

上述公式中

分别为卫星的位置和速度，θ为凝视的纬度，φ为卫星姿态偏航机动导引律；

其中，所述挡板平面和所述光学观测模块视轴的夹角在0°-10°之间，且所述挡板的面积与所述光学观测模块口径面积的比例为2：1。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述卫星的主轴保持指向地心。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学观测模块包括观测相机，所述挡板固定或可旋转的耦接于所述观测相机的镜头。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述挡板平面和所述光学观测模块视轴平行。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述挡板的形状选自矩形、圆形、梯形或不规则形状，所述挡板的材料选自钛合金，表面喷涂SB-3黑漆。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述需要凝视的纬度范围在0°到±30°之间。

7.一种利用如权利要求1～6任一所述系统进行的同步带目标光学观测卫星的地气光抑制方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)在卫星的光学观测模块安装挡板，所述挡板用于降低来自地球的地气光对所述光学观测模块的影响；

(2)设定所述卫星轨道选择晨昏太阳同步轨道，并保持姿态对地定向；以及

(3)根据所述卫星的运行轨道、运行速度和需要凝视的纬度，创建所述卫星的姿态机动规律模型以实现对所述需要凝视的纬度的遍历观测，所述姿态机动规律模型如公式(1)所示：

其中：

上述公式中

分别为卫星的位置和速度，θ为凝视的纬度，φ为卫星姿态偏航机动导引律。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述卫星用于遍历凝视纬度范围在0°到±30°之间的地球静止轨道上的卫星。

Images