CN111123980A - 一种卫星飞临时刻与拍摄范围的计算方法 - Google Patents

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CN111123980A CN201911409020.3A CN201911409020A CN111123980A CN 111123980 A CN111123980 A CN 111123980A CN 201911409020 A CN201911409020 A CN 201911409020A CN 111123980 A CN111123980 A CN 111123980A
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杨波
唐浩
杨刚
朱安超
陈添
孔令川
桂杨
杨彩琳
王雄
许斌
潘定洲
黄熙贤
曹云成
陈章林
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Guiyang Obit Aerospace Technology Co Ltd
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Guiyang Obit Aerospace Technology Co Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/10—Simultaneous control of position or course in three dimensions
    • G05D1/101—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft

Abstract

本发明公开了一种卫星飞临时刻与拍摄范围的计算方法，根据卫星星历的结构，首行数据为卫星名称；后面两行存储了卫星相关数据用于确定给定历元时刻下绕地运行空间目标的轨道根数；根据两行根数的第一行平均运动的一阶时间导数，使用这个数据计算卫星在轨道上的具体位置；平均运动的二阶时间导数，用来计算每一天平均运动的变化带来的轨道位移，使用该参数，能预测卫星的在轨位置，进而能进行飞临时刻模拟；人造地球卫星运转周期T秒与圆轨道半径或椭圆轨道半长轴R米之间的关系计算轨道周期和长半轴，进而计算轨道速度。

Description

一种卫星飞临时刻与拍摄范围的计算方法
技术领域
本发明属于卫星轨道计算领域，具体涉及一种卫星飞临时刻与拍摄范围的计 算方法。
背景技术
为解决卫星轨道可视化，面向各行业定制应用并快速分发卫星数据而提出的 问题，卫星轨迹(卫星轨道)是一个很复杂的系统，涉及到天体参数、卫星参数 也很多。包括飞行速度、低轨道、高轨道、顺行轨道、逆行轨道、赤道轨道、地 球同步轨道等等。过去通常技术门槛比较高，面向行业的应用难以快速解决卫星 数据来源与定制；现有技术中行业应用的卫星数据定制需向相关部门申请，由国 家相关部门定向提供，难以普及面向更多行业。
发明内容
发明目的：本发明提供一种可对任意时刻卫星飞临位置进行模拟并确定拍摄 范围的卫星飞临时刻与拍摄范围的计算方法。
技术方案：一种卫星飞临时刻与拍摄范围的计算方法，包括以下步骤：
步骤1，根据卫星星历的结构，首行数据为卫星名称；后面两行存储了卫星 相关数据用于确定给定历元时刻下绕地运行空间目标的轨道根数；根据两行根数 的第一行平均运动的一阶时间导数，使用这个数据计算卫星在轨道上的具体位置；
步骤2，平均运动的二阶时间导数，用来计算每一天平均运动的变化带来的 轨道位移，使用该参数，能预测卫星的在轨位置，进而能进行飞临时刻模拟；
步骤3，人造地球卫星运转周期T秒与圆轨道半径或椭圆轨道半长轴R米之间 的关系计算轨道周期和长半轴，进而计算轨道速度。
具体地，所述计算卫星在轨道坐标系中的位置，首先建立一个轨道坐标系， 该坐标系的坐标原点位于地心，X”、Y”位于轨道平面上，Z”轴和轨道平面 的法线矢量
Figure DA00023494640065312
重合，轨道坐标系是一个右手坐标系。计算步骤如下：
步骤1，用下式计算平近点角M
M＝n(t-t0)
其中，t为卫星过近地点的时刻；n为卫星的平均角速度，用下式计算：
Figure BDA0002349464000000011
a为轨道椭圆的长半径，μ＝GM＝3.986005x 1014m3/s2；G为引力常数， M为地球质量；
步骤2，代入开普勒方程反复迭代，直至|Ei+1-Ei|πε时为止；当偏心率很 小时，迭代法的收敛速度很快
步骤3，计算卫星至地心的距离r
r＝a(1-ecosE)
步骤4，计算真近点角θ
Figure BDA0002349464000000021
步骤5，计算卫星在轨道坐标系中的坐标
X”＝r·cosθ
Y”＝r·sinθ
Z”＝0。
具体地，所述跳过步骤3、4直接计算：
Figure BDA0002349464000000022
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：根据卫星星历的结构，在 一定精度范围内估算出目标在轨道上任意一点的位置和速度，以做到绕地球运行 物体的轨道及卫星飞临时刻进行可视化，并根据模型对任意时刻卫星飞临位置进 行模拟。
附图说明
图1是模拟卫星飞临时刻示意图。
图2是遥感数据影像图。
图3为卫星飞临时刻实时数据。
图4为卫星飞临时刻模拟搜索数据。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
如图1-4所示，一种卫星飞临时刻与拍摄范围的计算方法，包括以下步骤：
步骤1，根据卫星星历的结构，首行数据为卫星名称；后面两行存储了卫星 相关数据用于确定给定历元时刻下绕地运行空间目标的轨道根数；根据两行根数 的第一行平均运动的一阶时间导数，使用这个数据计算卫星在轨道上的具体位置；
步骤2，平均运动的二阶时间导数，用来计算每一天平均运动的变化带来的 轨道位移，使用该参数，能预测卫星的在轨位置，进而能进行飞临时刻模拟；
步骤3，人造地球卫星运转周期T秒与圆轨道半径或椭圆轨道半长轴R米之间 的关系计算轨道周期和长半轴，进而计算轨道速度。
.获取卫星参数(两行根数解读)
.以“贵阳1号卫星参数为例”
."ZHUHAI-1OHS-04"
."1 43443U 18040E 19362.45492119.00000588 00000-0 31591-4 0 9991"
."2 43443 97.3555 75.5435 0003564 324.4492 166.7245 15.1862490192750"
其中，首行为标题行(卫星名称)
第一行，如下表所示，
Figure BDA0002349464000000031
Figure BDA0002349464000000032
Figure BDA0002349464000000041
Figure BDA0002349464000000051
所述计算卫星在轨道坐标系中的位置，首先建立一个轨道坐标系，该坐标系 的坐标原点位于地心，X”、Y”位于轨道平面上，Z”轴和轨道平面的法线矢 量
Figure BDA0002349464000000066
重合，轨道坐标系是一个右手坐标系。计算步骤如下：
步骤1，用下式计算平近点角M
M＝n(t-t0)
其中，t为卫星过近地点的时刻；n为卫星的平均角速度，用下式计算：
Figure BDA0002349464000000061
a为轨道椭圆的长半径，μ＝GM＝3.986005x 1014m3/s2；G为引力常数， M为地球质量；
步骤2，代入开普勒方程反复迭代，直至|Ei+1-Ei|πε时为止；当偏心率很 小时，迭代法的收敛速度很快
步骤3，计算卫星至地心的距离r
r＝a(1-ecosE)
步骤4，计算真近点角θ
Figure BDA0002349464000000062
步骤5，计算卫星在轨道坐标系中的坐标
X”＝r·cosθ
Y”＝r·sinθ
Z”＝0。
或跳过步骤3、4直接计算：
Figure BDA0002349464000000063
轨道坐标和大地坐标的换算
将上式化算到大地坐标系中去，一是用地心空间直角坐标系
Figure BDA0002349464000000064
来表示点 的位置，二是用经纬度和大地高(B,L,H)来表示点的位置，只要确定椭球 体的参数和定位，
Figure BDA0002349464000000065
和(B,L,H)之间就可以换算。
轨道坐标系只需经三次旋转即可和大地坐标系
Figure BDA0002349464000000071
重合。首先绕Z”轴 反时针旋转一个ω角，使X”旋至X'(指向升交点)。再绕X'反时针旋转 i角，这样Z”与
Figure BDA0002349464000000072
重合；最后绕
Figure BDA0002349464000000073
反时针旋转一个Ω-aG,这两个坐标系 就重合了。
这两个坐标系就重合了，aG角(P25，图2-1中θ角)是X轴与春分点 X方向的夹角，即为格林尼治恒星时角G。于是有
Figure BDA0002349464000000074
其中：
Figure BDA0002349464000000075
Figure BDA0002349464000000076
Figure BDA0002349464000000077
地心坐标系与地理经纬度坐标系间转换
Figure BDA0002349464000000078
Figure BDA0002349464000000079
Figure BDA00023494640000000710
Figure BDA00023494640000000711
Figure BDA00023494640000000712
Figure BDA00023494640000000713
或写成：
Figure BDA0002349464000000081
Figure BDA0002349464000000082
Figure BDA0002349464000000083
Figure BDA0002349464000000084
Figure BDA0002349464000000085
e2＝(a2-b2)/a2
e'2＝(a2-b2)/b2
Figure BDA0002349464000000086
java中具体实现SGP4模型的卫星轨道计算
1.准备2.代码
轨道数据优化
制定定时任务，每天00:00计算，根据墨卡托坐标系计算前后半月(合计一 月数据)数据存入数据库，前端得到点线面JSON数据可以绘制出完整卫星轨迹 曲线，并且可提供前后半月卫星轨迹搜索功能。所能表示的地球范围为经度[-180, 180]，纬度[-90,90]，为了计算每周准确经度范围取[-175,175]，与临界值不 要太近。

Claims (3)

1.一种卫星飞临时刻与拍摄范围的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据卫星星历的结构，首行数据为卫星名称；后面两行存储了卫星相关数据用于确定给定历元时刻下绕地运行空间目标的轨道根数；根据两行根数的第一行平均运动的一阶时间导数，使用这个数据计算卫星在轨道上的具体位置；
步骤2，平均运动的二阶时间导数，用来计算每一天平均运动的变化带来的轨道位移，使用该参数，能预测卫星的在轨位置，进而能进行飞临时刻模拟；
步骤3，人造地球卫星运转周期T秒与圆轨道半径或椭圆轨道半长轴R米之间的关系计算轨道周期和长半轴，进而计算轨道速度。
2.根据权利要求1所述的一种卫星飞临时刻与拍摄范围的计算方法，其特征在于：所述计算卫星在轨道坐标系中的位置，首先建立一个轨道坐标系，该坐标系的坐标原点位于地心，X”、Y”位于轨道平面上，Z”轴和轨道平面的法线矢量
Figure DA00023494639965309
重合，轨道坐标系是一个右手坐标系。计算步骤如下：
步骤1，用下式计算平近点角M
M＝n(t-t0)
其中，t为卫星过近地点的时刻；n为卫星的平均角速度，用下式计算：
Figure FDA0002349463990000012
a为轨道椭圆的长半径，μ＝GM＝3.986005x1014m3/s2；G为引力常数，M为地球质量；
步骤2，代入开普勒方程反复迭代，直至|Ei+1-Ei|πε时为止；当偏心率很小时，迭代法的收敛速度很快
步骤3，计算卫星至地心的距离r
r＝a(1-ecosE)
步骤4，计算真近点角θ
Figure FDA0002349463990000013
步骤5，计算卫星在轨道坐标系中的坐标
X”＝r·cosθ
Y”＝r·sinθ
Z”＝0。
3.根据权利要求2所述的一种卫星飞临时刻与拍摄范围的计算方法，其特征在于：所述跳过步骤3、4直接计算：
Figure FDA0002349463990000021
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