CN111483615A - 一种量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法，科学应用系统制订科学实验计划，包括参与该科学实验的地面光学站配置，地面光学站地理坐标等参数，以及量子卫星过境科学实验计划中涉及的地面光学站的出入境时刻预报数据；量子卫星包括卫星平台，卫星平台承载密钥通信机、纠缠源、纠缠发射机等光学载荷；本发明的涉及的卫星对地面光学站指向得上注姿态导引律包括两部分：第一姿态导引律及第二姿态导引律，以第二姿态导引律在前，第一姿态导引律在后的次序无缝组合后形成卫星对地面光学站指向的上注姿态导引律。通过卫星平台在轨偏航姿态机动的策略，可以解决量子卫星科学实验中遇到的量子卫星光学器件保持特定需求的偏振态问题。

Description

一种量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法

技术领域

本发明涉及量子卫星技术领域，特别涉及一种量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法。

背景技术

量子科学实验卫星在星地量子通信实验时，需要卫星平台对特定地面光学站进行姿态指向，在此基础上，载荷利用自身的转动机构及算法在有限的机动范围内完成对地面站高精度的指向，从而确保量子科学实验卫星开展有效星地通信。量子通信使用量子偏振态来携带信息，地面光学站与量子卫星之间通过共享相同的参考系来比对量子偏振态，从而实现量子通信。量子卫星载荷在轨测试过程中，若载荷单机内部光学组件的偏振特性没有达到预期值范围内，则无法确保科学实验获取有效的实验数据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法，以解决量子卫星载荷在轨测试中存在的量子偏振态特性无法满足开展有效科学实验要求的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法，所述量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法涉及地面测控中心、多个地面测控站、科学应用系统，以及量子卫星，其中：

所述科学应用系统提供参与该科学实验的地面光学站配置、以及地面光学站的地理位置，以及所述量子卫星过境地面光学站的出入境时刻预报数据信息；

所述量子卫星包括卫星平台，以及所述卫星平台所承载的密钥通信机、纠缠源、纠缠发射机、科学实验控制与处理机；

所述地面测控中心根据所述地面光学站配置、地面光学站的地理位置，以及所述量子卫星过境地面光学站出入境时刻预报数据信息，根据注入姿态导引律算法，生成地面上注姿态导引律数据，并发送至所述地面测控站；

通过卫星系统约定的上注指令将所述地面上注姿态导引律数据上注给正在过境地面测控站的量子卫星，从而完成一个完整的地面上注姿态导引律数据操作流程；

在量子卫星的星务计算机上预先储备下次量子科学实验所需的卫星对地面光学站指向姿态数据，确保满足量子通信所需要的光学器件的偏振态特性。

可选的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，所述科学应用系统还提供所述科学实验的跟踪开始时间和跟踪结束时间；

所述地面上注姿态导引律数据包括第一姿态导引律和第二姿态导引律；在第二姿态导引律的控制下，所述卫星平台对所述地面光学站进行预指向，在第一姿态导引律的控制下，所述卫星平台对所述地面光学站进行跟踪指向。

可选的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，

所述卫星平台采用所述第一姿态导引律对所述地面光学站进行跟踪指向的开始时间为第一开始时间，所述第一开始时间比所述跟踪开始时间提前300秒；

所述卫星平台采用所述第一姿态导引律对所述地面光学站进行跟踪指向的结束时间为第一结束时间，所述第一结束时间为所述跟踪结束时间；

所述第一开始时间和所述第一结束时间之间，各个姿态数据的时间间隔为1.5秒。

可选的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，

所述卫星平台采用所述第二姿态导引律对所述地面光学站进行预指向的开始时间为第二开始时间，所述第二开始时间比所述第一开始时间提前600秒；

所述卫星平台采用所述第二姿态导引律对所述地面光学站进行预指向的结束时间为第二结束时间，所述第二结束时间为所述第一开始时间；

所述第二开始时间和所述第二结束时间之间，各个姿态数据的时间间隔为1.5秒。

可选的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，计算所述第一姿态导引律包括：

建立以所述卫星平台所在位置为起点，指向所述地面光学站几何中心的矢量作为第一单位矢量；

使所述第一单位矢量叉乘VVLH坐标系下的X轴矢量，获取第二单位矢量，其中，所述VVLH坐标系下的X轴矢量为：

X_VVLH＝(-R×V)×(-R)，

其中，R为量子卫星在地心系下的位置矢量，V为量子卫星在地心系下的速度矢量；

通过所述第二单位矢量与所述第一单位矢量叉乘，获取第三单位矢量；

根据所述第一单位矢量、第二单位矢量及第三单位矢量，获取卫星平台为坐标原点的对地面光学站指向的第一坐标系(x0，y0，z0)，其中，x0，y0，z0分别与所述第一单位矢量、所述第二单位矢量及所述第三单位矢量重合；

沿z0旋转45度，获取第二坐标系(x，y，z)，其中(x，y，z)与(x0，y0，z0)的转换关系如下：

可选的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，所述卫星平台采用第一姿态导引律对所述地面光学站进行指向包括：

所述第二坐标系(x，y，z)为带偏航姿态约束的卫星本体坐标系；

计算出所述第二坐标系(x，y，z)相对VVLH坐标系下的姿态四元数数据；所述地面测控中心将所述VVLH坐标系下的姿态四元数矢量数据按照约定格式加工后，生成第一姿态导引律数据。

可选的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，所述第二姿态导引律包括：

将所述第一开始时间所对应的VVLH坐标系下的姿态四元数矢量数据的三个值q1、q2、q3作为第二结束时间所对应的那一组第二姿态导引律数据点；

以该第二姿态导引律数据点，按照下列算法推算第二姿态导引律的其他数据点；

其中，qi(t)为前一个第二姿态导引律数据，qi为后一个第二姿态导引律数据；T为所述第二结束时间与所述第二开始时间之差，t为0s～600s的整数秒时间。

可选的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，将所述地面上注姿态导引律数据上注给正在过境地面测控站的量子卫星包括：

将所述第二姿态导引律数据放在所述第一姿态导引律数据前，得出卫星对地面光学站指向姿态上注导引律初级产品；

将所述卫星对地面光学站指向姿态导引律初级产品进行处理，转化成双精度型数据；将卫星对所述地面光学站指向姿态导引律初级产品进行处理，转化成整型数据：

GuidLaw＝round(Qguid*2³⁰)，

Qguid为所述卫星对地面光学站指向姿态上注导引律初级产品，GuidLaw为整型数据，即所述卫星对地面光学站指向姿态上注导引律终级产品；

所述卫星对地面光学站指向上注导引律终级产品注入到卫星平台的星务软件，所述星务软件将所述整型数据除以2³⁰，恢复出所述地面光学站指向上注导引律的数据原值。

在本发明提供的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，科学应用系统向地面测控中心提供科学实验计划，包括参与该科学实验的地面光学站配置，地面光学站地理坐标，以及所述量子卫星过境地面光学站的出入境时刻预报数据，地面测控中心计算出第一姿态导引律和第二姿态导引律，并由地面测控站向量子卫星上注第一姿态导引律和第二姿态导引律，卫星平台采用第二姿态导引律对地面光学站进行指向，完成卫星对地面光学站预指向任务；卫星平台采用第一姿态导引律对地面光学站进行指向，完成卫星对地面光学站跟踪任务；第二姿态导引律在前，第一姿态导引律在后依次组合成卫星对地面光学站指向的上注姿态导引律，其中导引律已经考虑了姿态偏航机动约束，这样的导引律可以使光学载荷的量子偏振态满足科学实验需求；进一步的，避免了载荷单机内部光学组件的偏振特性没有达到预期值范围的情况，也防止载荷单机自身的转动机构及算法在有限的机动范围内无法实现对地面站高精度的指向，或载荷单机转动机构超机动范围摆动，影响载荷单机的使用寿命的风险。

本发明解决了量子卫星在轨测试、在轨实验中对卫星平台提出的姿态指向新需求，经过多次在轨测试、实验，量子卫星均成功指向指定的地面光学站，星上载荷测试指标正常，方案合理、有效。基于本发明思路，经适当修改约束条件后，对于其他卫星(无论是在轨或在研)的姿态控制策略同样可以适用，具有一定的借鉴价值。

附图说明

图1是本发明一实施例量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

发明人发现，在量子卫星载荷在轨测试过程中，若载荷单机内部光学组件的偏振特性没有达到预期值范围内，就需要卫星平台姿态调整一定的角度α，以保证载荷器件获得期待的偏振特性，这里α取+45度或-45度，以确保科学实验获取更有效的实验数据。

从卫星可靠性角度出发，为了确保载荷单机的使用寿命，科学用户对卫星平台设计方提出了新需求，即在既定的对地面站指向姿态上，根据不同科学实验任务需求，卫星平台姿态需要偏航+45度或-45度，这就是本发明将要重点讨论的特定约束条件下所述卫星对地面光学站指向姿态实现方法。本发明主要给出一种量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法。

本发明的核心思想在于提供一种量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法，以解决量子卫星入轨初期载荷在轨测试无法获取有效实验数据的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法，所述量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法包括地面测控中心、科学应用系统及量子卫星，其中：所述科学应用系统用于提供科学实验计划，包括参与该科学实验的地面光学站配置，地面光学站地理坐标，以及所述量子卫星过境地面光学站的出入境时刻预报数据；所述量子卫星包括卫星平台，以及所述卫星平台所承载的密钥通信机、纠缠源、纠缠发射机、科学实验控制与处理机；所述地面测控中心根据所述科学实验计划，计算第一姿态导引律，所述地面测控中心上注所述第一姿态导引律，所述卫星平台采用第一姿态对所述地面光学站进行指向，实现卫星对地面光学站的跟踪任务；所述地面测控中心根据所述科学实验计划计算第二姿态导引律，所述地面测控中心上注所述第二姿态导引律，所述卫星平台采用第二姿态导引律对所述地面光学站进行指向，完成卫星对地面光学站的预指向；所述第二姿态导引律在前，所述第一姿态导引律在后，依次组合成的上注姿态导引律数据，可以解决所述量子卫星光学载荷器件的量子偏振态问题。

<实施例一>

本实施例提供一种量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法，所述量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法涉及地面测控中心、科学应用系统及量子卫星，其中：所述科学应用系统用于提供科学实验计划，包括参与该科学实验的地面光学站配置，地面光学站地理坐标，以及所述量子卫星过境地面光学站的出入境时刻预报数据；所述量子卫星包括卫星平台，以及所述卫星平台所承载的密钥通信机、纠缠源、纠缠发射机、科学实验控制与处理机；所述地面测控中心根据所述科学实验计划，计算第一姿态导引律，所述地面测控中心上注所述第一姿态导引律，所述卫星平台采用第一姿态对所述地面光学站进行指向，实现卫星对地面光学站的跟踪任务；所述地面测控中心根据所述科学实验计划计算第二姿态导引律，所述地面测控中心上注所述第二姿态导引律，所述卫星平台采用第二姿态导引律对所述地面光学站进行指向，完成卫星对地面光学站的预指向；所述第二姿态导引律在前，所述第一姿态导引律在后，依次组合成的上注姿态导引律数据，可以解决所述量子卫星光学载荷器件的量子偏振态问题。

具体的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，所述科学应用系统还用于根据所述科学实验计划，提供所述科学实验的跟踪开始时间和跟踪结束时间。所述科学实验的跟踪开始时间ts和跟踪结束时间te均为北京时间，获取该实验的跟踪开始时间ts(北京时间)和跟踪结束时间te(北京时间)后，向前外推5分钟，得出第一导引律数据的开始时间是Ts1＝(ts-5min)，终止时间是Te1＝te，各自对应的星上积秒，起止星上秒值必须是整秒值。

进一步的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，所述卫星平台采用第一姿态导引律对所述地面光学站进行指向的开始时间为第一开始时间，所述第一开始时间比所述跟踪开始时间提前300秒，所述卫星平台采用第一姿态对所述地面光学站进行指向的结束时间为第一结束时间，所述第一结束时间为所述跟踪结束时间；所述第一开始时间和所述第一结束时间之间采样点的时间间隔为1.5秒。在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，所述卫星平台采用第二姿态导引律对所述地面光学站进行指向的开始时间为第二开始时间，所述第二开始时间比所述第一开始时间提前600秒，所述卫星平台采用第二姿态导引律对所述地面光学站进行指向的结束时间为第二结束时间，所述第二结束时间为所述第一开始时间；所述第二开始时间和所述第二结束时间之间的采样时间间隔为1.5秒。

另外，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，计算所述第一姿态导引律包括：为了满足载荷对卫星平台指向姿态的新需求，即45度偏航姿态约束下的对站指向姿态，这里提出了如下解决方案(以阿里地面光学站为例子)：建立以所述卫星平台所在位置为起点，指向所述地面光学站(即阿里站)的矢量作为第一单位矢量r；使所述第一单位矢量r叉乘VVLH坐标系下的X轴矢量，获取第二单位矢量Y_ali，

Y_ali＝r×X_VVLH，

其中，所述VVLH坐标系下的X轴矢量为：

X_VVLH＝(-R×V)×(-R)，

其中，R为该第一循环周期中量子卫星在地心系下的位置矢量，V为量子卫星在地心系下的速度矢量；通过所述第二单位矢量Y_ali与所述第一单位矢量r叉乘，获取第三单位矢量；根据所述第一单位矢量r、第二单位矢量Y_ali及第三单位矢量Y3，

Y3＝Y_ali×r，

获取所述卫星平台为坐标原点的对所述地面光学站指向的第一坐标系(x0，y0，z0)，其中，x0，y0，z0分别与所述第一单位矢量、所述第二单位矢量及所述第三单位矢量重合；沿z0旋转45度，获取第二坐标系(x，y，z)，其中(x，y，z)与(x0，y0，z0)的转换关系如下：

所述第二坐标系(x，y，z)，它可以满足载荷对卫星平台对地面站指向过程中的新需求。即选定参与实验的地面光学站后，根据地面计算得到对该地面站指向姿态导引律(已含卫星平台姿态偏航45度)，将地面光学站站指向姿态导引律中的四元数矢量部分的三个值，记为Q_dy，该数组为n行3列，相邻数据点的时间间隔周期是1.5s。

具体的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，所述卫星平台采用第一姿态导引律对所述地面光学站进行指向包括：所述第二坐标系(x，y，z)为带偏航姿态约束的卫星本体坐标系；所述地面测控中心计算出第一姿态导引律数据，所述第二坐标系(x，y，z)即为第一姿态导引律数据，其中，x、y、z分别对应VVLH坐标系下的姿态四元数矢量数据的三个值q1、q2、q3；所述地面测控中心将所述VVLH坐标系下的姿态四元数矢量数据按照约定格式加工后，生成卫星对地面光学站指向的姿态注入导引律数据包；所述地面光学站指向姿态注入导引律数据包经由所述地面测控中心上注至所述卫星平台；所述卫星平台实现带偏航姿态约束的对所述的地面光学站指向，以确保满足量子卫星在轨实验或相关测试需求。

进一步的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，所述地面控制中心计算所述第二姿态导引律包括：将所述第一开始时间所对应的VVLH坐标系下的姿态四元数矢量数据的三个值q1、q2、q3作为第二结束时间所对应的那一组第二姿态导引律数据点。

根据以下公式，可以自后向前地逐点计算得到第二姿态导引律的所有数据点；

其中，qi(t)为前一个第二姿态导引律数据，qi为后一个第二姿态导引律数据；T为所述第二结束时间与所述第二开始时间之差，t为0s～600s的整数秒时间。

第二姿态导引律的时间范围(Ts1-10min，Ts1)，通过上述公式计算第二姿态导引律数据，即取T＝600s，计算t(0～600s)时间范围内的导引律数据，间隔1.5s一个点，共400个点，得出所述第二姿态导引律数据Q_gd，400行3列。

另外，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，所述卫星平台采用第一姿态导引律对所述地面光学站进行指向包括：将所述第二导引律数据Q_gd放在所述第一导引律数据Q_dy前，得出卫星对地面光学站指向姿态上注导引律初级产品Qguid；将所述卫星对地面光学站指向姿态上注导引律初级产品Qguid的数据包进行处理，转化成双精度型数据；将所述卫星对地面光学站指向姿态上注导引律初级产品进行处理，转化成整型数据：

GuidLaw＝round(Qguid*2³⁰)，

其中，Qguid为所述卫星对地面光学站指向姿态上注导引律初级产品，GuidLaw为整型数据，即所述卫星对地面光学站指向姿态上注导引律终级产品；所述地面测控中心将所述卫星对地面光学站指向姿态上注导引律终级产品注入到卫星平台的星务软件，所述星务软件将所述整型数据除以2³⁰，从而恢复出所述卫星对地面光学站指向姿态上注导引律的数据原值。

由以上步骤计算得到第二姿态导引律、第一姿态导引律依次组合后的导引律数据，即卫星对地面光学站指向姿态上注导引律，所述导引律数据起始时间Ts＝ts-900s(15min)；所述导引律数据终止时间Te＝te；N组导引律数据，N＝(Te-Ts)/1.5s，每一组数据包括四元数矢量部分的三个值q1,q2,q3。

综上，上述实施例对量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

<实施例二>

本实施例还提供一种量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法，如图1所示，所述量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法涉及地面测控中心、科学应用系统及量子卫星，其中：所述科学应用系统用于提供科学实验计划，包括参与该科学实验的地面光学站配置，地面光学站地理坐标，以及所述量子卫星过境地面光学站的出入境时刻预报数据；所述量子卫星包括卫星平台，以及所述卫星平台所承载的密钥通信机、纠缠源、纠缠发射机、科学实验控制与处理机；所述地面测控中心根据所述科学实验计划，计算第一姿态导引律，所述地面测控中心上注所述第一姿态导引律，所述卫星平台采用第一姿态对所述地面光学站进行指向，实现卫星对地面光学站的跟踪任务；所述地面测控中心根据所述科学实验计划计算第二姿态导引律，所述地面测控中心上注所述第二姿态导引律，所述卫星平台采用第二姿态导引律对所述地面光学站进行指向，完成卫星对地面光学站的预指向；所述第二姿态导引律在前，所述第一姿态导引律在后，依次组合成的上注姿态导引律数据，可以解决所述量子卫星光学载荷器件的量子偏振态问题。进一步的，避免了载荷单机内部光学组件的偏振特性没有达到预期值范围的情况，也防止载荷单机自身的转动机构及算法在有限的机动范围内无法实现对地面站高精度的指向，或载荷单机转动机构超机动范围摆动，影响载荷单机的使用寿命的风险。

所述量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法包括地面测控中心、科学应用系统及量子卫星，其中：

所述科学应用系统提供科学实验计划，包括参与该科学实验的地面光学站配置，地面光学站地理坐标，以及所述量子卫星过境地面光学站的出入境时刻预报数据；

所述量子卫星包括卫星平台，所述卫星平台所承载的密钥通信机、纠缠源、纠缠发射机、科学实验控制与处理机；

所述地面测控中心根据所述科学实验计划，包括所述地面光学站配置，地面光学站地理坐标，以及所述卫星过境地面光学站出入境时刻预报数据，计算第一姿态导引律，所述卫星平台采用第一姿态导引律对所述地面光学站进行指向，完成卫星对地面光学站跟踪任务；

所述地面测控中心根据所述科学实验计划，包括所述地面光学站配置，地面光学站地理坐标，以及所述卫星过境地面光学站出入境时刻预报数据，计算第二姿态导引律，所述卫星平台采用第二姿态导引律对所述地面光学站进行指向，完成卫星对地面光学站的预指向；

所述第二姿态导引律在前，所述第一姿态导引律在后，依次无缝组合后，可以构成完整的卫星对地面光学站指向姿态，从而满足量子卫星科学实验对载荷偏振态的需求。

可选的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，所述科学应用系统还用于根据所述科学实验计划，包括所述地面光学站配置，地面光学站地理坐标，以及所述卫星过境地面光学站出入境时刻预报数据，获取所述科学实验的跟踪开始时间和跟踪结束时间。

可选的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，

所述卫星平台采用第一姿态导引律对所述地面光学站进行指向的开始时间为第一开始时间，所述第一开始时间比所述跟踪开始时间提前300秒，所述卫星平台采用第一姿态导引律对所述地面光学站进行指向的结束时间为第一结束时间，所述第一结束时间为所述跟踪结束时间；

所述第一开始时间和所述第一结束时间间隔为1.5秒。

可选的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，

所述卫星平台采用第二姿态导引律对所述地面光学站进行指向的开始时间为第二开始时间，所述第二开始时间比所述第一开始时间提前600秒，所述卫星平台采用第二姿态导引律对所述地面光学站进行指向的结束时间为第二结束时间，所述第二结束时间为所述第一开始时间；

所述第二开始时间和所述第二结束时间间隔为1.5秒。

可选的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，计算所述第一姿态导引律包括：

建立以所述卫星平台所在位置为起点，指向所述地面光学站的矢量作为第一单位矢量；

使所述第一单位矢量叉乘VVLH坐标系下的X轴矢量，获取第二单位矢量，其中，所述VVLH坐标系下的X轴矢量为：

X_VVLH＝(-R×V)×(-R)，

其中，R为量子卫星在地心系下的位置矢量，V为量子卫星在地心系下的速度矢量；

通过所述第二单位矢量与所述第一单位矢量叉乘，获取第三单位矢量；

根据所述第一单位矢量、第二单位矢量及第三单位矢量，获取卫星平台为坐标原点的对地面光学站指向的第一坐标系(x0，y0，z0)，其中，x0，y0，z0分别与所述第一单位矢量、所述第二单位矢量及所述第三单位矢量重合；

沿z0旋转45度，获取第二坐标系(x，y，z)，其中(x，y，z)与(x0，y0，z0)的转换关系如下：

可选的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，所述卫星平台采用第一姿态导引律对所述地面光学站进行指向包括：

所述第二坐标系(x，y，z)为带偏航姿态约束的卫星本体坐标系；

所述地面测控中心获取第一姿态导引律数据，所述第二坐标系(x，y，z)即为第一导引律数据，其中，x、y、z分别对应VVLH坐标系下的姿态四元数矢量数据的三个值q1、q2、q3；

所述卫星平台将所述VVLH坐标系下的姿态四元数矢量数据按照约定格式加工为卫星对地面光学站指向姿态注入导引律数据包；

所述卫星对地面光学站指向姿态注入导引律数据包经由所述地面测控中心上注至所述卫星平台；

所述卫星平台实现带偏航姿态约束的对地面光学站指向，以确保满足量子卫星在轨实验或相关测试需求。

可选的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，计算所述第二姿态导引律包括：

将所述第一开始时间所对应的VVLH坐标系下的姿态四元数矢量数据的三个值q1、q2、q3作为第二结束时间对应的那一组第二姿态导引律数据；

根据以下公式，可以自后向前地逐点计算得到第二姿态导引律数据；

其中，qi(t)为前一个第二姿态导引律数据，qi为后一个第二姿态导引律数据；T为所述第二结束时间与所述第二开始时间之差，t为0s～600s的整数秒时间。

可选的，在所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法中，所述卫星平台采用第一姿态对所述地面光学站进行指向包括：

将所述第二姿态导引律数据放在所述第一姿态导引律数据前，即可得到所述卫星对地面光学站指向的上注姿态导引律初级产品；

将所述卫星对地面光学站指向上注姿态导引律初级产品进行处理，转化成双精度型数据；

将所述地面光学站指向上注姿态导引律初级产品进行处理，转化成整型数据：

GuidLaw＝round(Qguid*2³⁰)，

Qguid为所述卫星对地面光学站指向上注姿态导引律初级产品，GuidLaw为整型数据，即所述卫星对地面光学站指向上注姿态导引律终级产品。

所述卫星对地面光学站指向姿态导引律终级产品注入到卫星平台的星务软件，所述星务软件将所述整型数据除以2³⁰，从而恢复出所述卫星对地面光学站指向上注姿态导引律的数据原值。

本发明还提供一种量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法，所述量子卫星对地面光学站指向姿态方法包括：

科学应用系统向地面测控中心提供科学实验计划，包括参与该科学实验的地面光学站配置，地面光学站地理坐标，以及所述量子卫星过境地面光学站的出入境时刻预报数据；

量子卫星平台承载密钥通信机、纠缠源、纠缠发射机、科学实验控制与处理机；

所述地面测控中心根据所述科学实验计划，包括所述地面光学站配置，地面光学站地理坐标，以及所述卫星过境地面光学站的出入境时刻预报数据，计算第一姿态导引律，所述地面测控中心上注所述第一姿态导引律，所述卫星平台采用第一姿态导引律对所述地面光学站进行指向，完成卫星对地面光学站跟踪任务；

所述地面测控中心根据所述科学实验计划，包括所述地面光学站配置，地面光学站地理坐标，以及所述卫星过境地面光学站出入境时刻预报数据，计算第二姿态导引律，所述地面测控中心上注所述第二姿态导引律，所述卫星平台采用第二姿态对所述地面光学站进行指向，完成卫星对地面光学站的预指向；

所述第二姿态导引律在前，所述第一姿态导引律在后，依次组合后，可以构成完整的卫星对地面光学站指向姿态上注导引律数据，从而满足量子卫星科学实验对载荷偏振态的需求。

本发明解决了量子卫星在轨测试、在轨实验中对卫星平台提出的姿态指向新需求，经过多次在轨测试、实验，量子卫星均成功指向指定的地面光学站，星上载荷测试指标正常，方案合理、有效。基于本发明思路，经适当修改约束条件后，对于其他卫星(无论是在轨或在研)的姿态控制策略同样可以适用，具有一定的借鉴价值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法，其特征在于，所述量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法涉及地面测控中心、多个地面测控站、科学应用系统，以及量子卫星，其中：

所述科学应用系统提供参与该科学实验的地面光学站配置、以及地面光学站的地理位置，以及所述量子卫星过境地面光学站的出入境时刻预报数据信息；

所述量子卫星包括卫星平台，以及所述卫星平台所承载的密钥通信机、纠缠源、纠缠发射机、科学实验控制与处理机；

所述地面测控中心根据所述地面光学站配置、地面光学站的地理位置，以及所述量子卫星过境地面光学站出入境时刻预报数据信息，根据注入姿态导引律算法，生成地面上注姿态导引律数据，并发送至所述地面测控站；

通过卫星系统约定的上注指令将所述地面上注姿态导引律数据上注给正在过境地面测控站的量子卫星，从而完成一个完整的地面上注姿态导引律数据操作流程；

在量子卫星的星务计算机上预先储备下次量子科学实验所需的卫星对地面光学站指向姿态数据，确保满足量子通信所需要的光学器件的偏振态特性。

2.如权利要求1所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法，其特征在于，所述科学应用系统还提供所述科学实验的跟踪开始时间和跟踪结束时间；

所述地面上注姿态导引律数据包括第一姿态导引律和第二姿态导引律；在第二姿态导引律的控制下，所述卫星平台对所述地面光学站进行预指向，在第一姿态导引律的控制下，所述卫星平台对所述地面光学站进行跟踪指向。

3.如权利要求2所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法，其特征在于，

所述卫星平台采用所述第一姿态导引律对所述地面光学站进行跟踪指向的开始时间为第一开始时间，所述第一开始时间比所述跟踪开始时间提前300秒；

所述卫星平台采用所述第一姿态导引律对所述地面光学站进行跟踪指向的结束时间为第一结束时间，所述第一结束时间为所述跟踪结束时间；

所述第一开始时间和所述第一结束时间之间，各个姿态数据的时间间隔为1.5秒。

4.如权利要求3所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法，其特征在于，

所述卫星平台采用所述第二姿态导引律对所述地面光学站进行预指向的开始时间为第二开始时间，所述第二开始时间比所述第一开始时间提前600秒；

所述卫星平台采用所述第二姿态导引律对所述地面光学站进行预指向的结束时间为第二结束时间，所述第二结束时间为所述第一开始时间；

所述第二开始时间和所述第二结束时间之间，各个姿态数据的时间间隔为1.5秒。

5.如权利要求4所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法，其特征在于，计算所述第一姿态导引律包括：

建立以所述卫星平台所在位置为起点，指向所述地面光学站几何中心的矢量作为第一单位矢量；

使所述第一单位矢量叉乘VVLH坐标系下的X轴矢量，获取第二单位矢量，其中，所述VVLH坐标系下的X轴矢量为：

X_VVLH＝(-R×V)×(-R)，

其中，R为量子卫星在地心系下的位置矢量，V为量子卫星在地心系下的速度矢量；

通过所述第二单位矢量与所述第一单位矢量叉乘，获取第三单位矢量；

根据所述第一单位矢量、第二单位矢量及第三单位矢量，获取卫星平台为坐标原点的对地面光学站指向的第一坐标系(x0，y0，z0)，其中，x0，y0，z0分别与所述第一单位矢量、所述第二单位矢量及所述第三单位矢量重合；

沿z0旋转45度，获取第二坐标系(x，y，z)，其中(x，y，z)与(x0，y0，z0)的转换关系如下：

6.如权利要求5所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法，其特征在于，所述卫星平台采用第一姿态导引律对所述地面光学站进行指向包括：

所述第二坐标系(x，y，z)为带偏航姿态约束的卫星本体坐标系；

计算出所述第二坐标系(x，y，z)相对VVLH坐标系下的姿态四元数数据；所述地面测控中心将所述VVLH坐标系下的姿态四元数矢量数据按照约定格式加工后，生成第一姿态导引律数据。

7.如权利要求6所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法，其特征在于，所述第二姿态导引律包括：

将所述第一开始时间所对应的VVLH坐标系下的姿态四元数矢量数据的三个值q1、q2、q3作为第二结束时间所对应的那一组第二姿态导引律数据点；

以该第二姿态导引律数据点，按照下列算法推算第二姿态导引律的其他数据点；

其中，qi(t)为前一个第二姿态导引律数据，qi为后一个第二姿态导引律数据；T为所述第二结束时间与所述第二开始时间之差，t为0s～600s的整数秒时间。

8.如权利要求7所述的量子卫星对地面光学站指向姿态实现方法，其特征在于，将所述地面上注姿态导引律数据上注给正在过境地面测控站的量子卫星包括：

将所述第二姿态导引律数据放在所述第一姿态导引律数据前，得出卫星对地面光学站指向姿态上注导引律初级产品；

将所述卫星对地面光学站指向姿态导引律初级产品进行处理，转化成双精度型数据；将卫星对所述地面光学站指向姿态导引律初级产品进行处理，转化成整型数据：

GuidLaw＝round(Qguid*2³⁰)，

Qguid为所述卫星对地面光学站指向姿态上注导引律初级产品，GuidLaw为整型数据，即所述卫星对地面光学站指向姿态上注导引律终级产品；

所述卫星对地面光学站指向上注导引律终级产品注入到卫星平台的星务软件，所述星务软件将所述整型数据除以2³⁰，恢复出所述地面光学站指向上注导引律的数据原值。

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