CN111523209B - 一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法 - Google Patents

一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，属于在轨绝对辐射定标领域；步骤一、测量辐射基准卫星和待定标卫星在空间直角坐标系OXYZ下的空间位置矢量；步骤二、计算辐射基准卫星在大地坐标系BLH中的经纬度R′REF和待定标卫星在大地坐标系BLH中的经纬度R′RS；步骤三、计算卫星对地面定标场地D的观测角度α；筛选出满足定标条件的辐射基准卫星和待定标卫星的经纬度；步骤四、进一步筛选出满足定标条件的辐射基准卫星和待定标卫星经纬度；步骤五、预设辐射基准卫星和待定标卫星经过相同地面定标场地D的次数；对辐射基准卫星和待定标卫星的轨道参数进行调整；本发明通过最小二乘法实现了对辐射基准卫星的轨道进行优化设计。

Description

一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法
技术领域
本发明属于在轨绝对辐射定标领域，涉及一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法。
背景技术
遥感数据辐射精度在逐渐增加的遥感定量应用需求下变得更加重要，进一步提高辐射定标精度的要求已经得到广泛认可。轨道规划是在轨交叉辐射定标的前提，针对以提高辐射定标精度为目标来增加待定标载荷及基准载荷交叉定标频次的需求也随之明显。
陆地观测卫星的幅宽窄、重访周期长特点制约基准载荷与待定标载荷交叉定标的观测机会，以交叉定标为目的的联合观测数据比对过程在时间、空间方面存在严重不一致性，定标精度难以进一步提高。同时，现有常用交叉定标方法是利用现有在轨遥感卫星作为参考载荷对待定标载荷进行在轨辐射定标，现有参考载荷的固有定标精度的提高存在局限性。以高精度辐射基准卫星作为交叉定标的参考卫星的新型交叉定标方法正逐步应用于陆地资源卫星在轨交叉定标过程中，优化设计基准卫星轨道有利于提高在轨交叉定标频次，保证陆地资源卫星在轨辐射定标精度。但是目前，并没有一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，通过最小二乘法实现了对辐射基准卫星的轨道进行优化设计。
本发明解决技术的方案是：
一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，包括如下步骤：
步骤一、已知辐射基准卫星的运动轨道和待定标卫星的运动轨道；建立空间直角坐标系OXYZ；测量30s时间内，辐射基准卫星在空间直角坐标系OXYZ下的空间位置矢量RREF和待定标卫星在空间直角坐标系OXYZ下的空间位置矢量RRS；
步骤二、建立大地坐标系BLH；利用空间直角坐标系与大地坐标系经纬度转换方法，计算辐射基准卫星在大地坐标系BLH中的经纬度R′REF和待定标卫星在大地坐标系BLH中的经纬度R′RS；
步骤三、已知地面定标场地D的经纬度坐标；测量得到待定标卫星在大地坐标系BLH中的坐标；计算卫星对地面定标场地D的观测角度α；根据卫星的观测角度α，从辐射基准卫星空间向量R′REF的经纬度和待定标卫星空间向量R′RS的经纬度中，初步筛选出满足定标条件的辐射基准卫星的经纬度和待定标卫星的经纬度；
步骤四、设定联合观测时间间隔约束条件，进一步筛选出满足定标条件的辐射基准卫星经纬度和待定标卫星经纬度；
步骤五、预设辐射基准卫星和待定标卫星沿各自卫星轨道运行一周，经过相同地面定标场地D的次数；根据次数对辐射基准卫星和待定标卫星的轨道参数进行调整。
在上述的一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，所述步骤一中，空间直角坐标系OXYZ的建立方法为：
O点为地球质心；Z轴为指向参考椭球的北极；X轴为指向起始子午面与赤道的交点；Y轴为赤道面上按右手系与X轴成90°夹角。
在上述的一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，所述步骤一中，辐射基准卫星的空间位置矢量RREF为：
Figure BDA0002444285120000021
式中，XREF为辐射基准卫星在X方向的空间位置矢量；
YREF为辐射基准卫星在Y方向的空间位置矢量；
ZREF为辐射基准卫星在Z方向的空间位置矢量；
待定标卫星的空间位置矢量RRS为：
Figure BDA0002444285120000031
式中，XRS为待定标卫星在X方向的空间位置矢量；
YRS为待定标卫星在Y方向的空间位置矢量；
ZRS为待定标卫星在Z方向的空间位置矢量。
在上述的一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，所述步骤二中，大地坐标系BLH的建立方法为：
纬度L为空间的点在参考椭球面的法线与赤道面的夹角；经度B为空间的点在参考椭球的自转轴所在面与参考椭球的起始子午面的夹角；大地高程H为空间的点沿参考椭球的法线方向与参考椭球的距离。
在上述的一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，所述步骤二中，辐射基准卫星的经纬度R′REF的计算方法为：
Figure BDA0002444285120000032
式中，BREF为辐射基准卫星的经度；
LREF为辐射基准卫星的纬度；
HREF为辐射基准卫星的海拔高度；
Figure BDA0002444285120000033
/>
其中，N为卯酉圈的半径；
e为地球椭球的第一偏心率；e2＝(a2-b2)/a2；
a为地球椭球的长半轴；
b为地球椭球的短半轴；
待定标卫星的经纬度R′RS的计算方法为：
Figure BDA0002444285120000041
式中，BRS为待定标卫星的经度；
LRS为待定标卫星的纬度；
HRS为待定标卫星的海拔高度；
Figure BDA0002444285120000042
在上述的一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，所述步骤三中，卫星对地面定标场地D的观测角度α的计算方法为：
Figure BDA0002444285120000043
Figure BDA0002444285120000044
β＝arccos(sinφDsinφS+cosφDcosφScosΔλ)
式中，α为卫星对地面定标场的观测角度；
β为卫星指向地心方向与地面定标场地D指向地心方向的夹角；
φD为地面定标场地D的纬度；
λD为地面定标场地D的经度；
φS为卫星星下点的纬度；卫星星下点为卫星-地心连线与地表的交点；
λS为卫星星下点的经度；
rS为卫星到地心的距离；rS＝rE+h
rE为地球半径；
h为卫星轨道高度；
Δλ为地面卫星星下点与定标场D的经度差；Δλ＝λD-λS。
在上述的一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，所述步骤三中，筛选出满足定标条件的辐射基准卫星经纬度和待定标卫星经纬度的具体方法为：
计算辐射基准卫星对地面定标场D的观测角度为α1和待定标卫星对地面定标场D的观测角度为α2；设定卫星的最大观测角度为αmax；当α1≤αmax，且α2≤αmax时，辐射基准卫星的经纬度和待定标卫星的经纬度满足标定条件。
在上述的一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，所述步骤四中，联合观测时间间隔约束条件的设定方法为：
辐射基准卫星和待定标卫星先后过境同一地面定标场的时间间隔为5-15min。
在上述的一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，所述步骤五中，调整的轨道参数包括轨道半径、轨道倾角、升交点赤经、偏心率、近地点俯角和平近点角。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明适用于现有陆地资源卫星交叉频次要求，利用全球可用定标场地进行联合观测轨道规划，并优化出辐射基准卫星的最佳轨道参数；；
(2)本发明中的辐射基准卫星的轨道规划可增加交叉定标联合观测频次，确保在轨辐射定标精度。
附图说明
图1为本发明载荷轨道优化流程图；
图2为本发明卫星的观测角度示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
针对现有在轨绝对定标精度不高、交叉辐射定标联合观测频次不足的现状，本发明提供一种适用于陆地资源卫星在轨交叉辐射定标的辐射基准卫星轨道优化设计方法，建立了基于SGP4模型的卫星轨道，结合定标联合观测约束条件，精确计算定标交叉点信息，包含辐射基准卫星和待定标卫星的过境时间和经纬度信息。
如图1所示，陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，具体包括如下步骤：
步骤一、已知辐射基准卫星的运动轨道和待定标卫星的运动轨道；建立空间直角坐标系OXYZ；空间直角坐标系OXYZ的建立方法为：O点为地球质心；Z轴为指向参考椭球的北极；X轴为指向起始子午面与赤道的交点；Y轴为赤道面上按右手系与X轴成90°夹角。测量30s时间内，辐射基准卫星在空间直角坐标系OXYZ下的空间位置矢量RREF和待定标卫星在空间直角坐标系OXYZ下的空间位置矢量RRS；辐射基准卫星的空间位置矢量RREF为：
Figure BDA0002444285120000061
式中，XREF为辐射基准卫星在X方向的空间位置矢量；
YREF为辐射基准卫星在Y方向的空间位置矢量；
ZREF为辐射基准卫星在Z方向的空间位置矢量；
待定标卫星的空间位置矢量RRS为：
Figure BDA0002444285120000062
式中，XRS为待定标卫星在X方向的空间位置矢量；
YRS为待定标卫星在Y方向的空间位置矢量；
ZRS为待定标卫星在Z方向的空间位置矢量。
步骤二、建立大地坐标系BLH；大地坐标系BLH的建立方法为：
纬度L为空间的点在参考椭球面的法线与赤道面的夹角；经度B为空间的点在参考椭球的自转轴所在面与参考椭球的起始子午面的夹角；大地高程H为空间的点沿参考椭球的法线方向与参考椭球的距离。利用空间直角坐标系与大地坐标系经纬度转换方法，利用WGS84空间直角坐标系下辐射基准卫星的空间位置矢量RREF和待定标卫星的空间位置矢量RRS，分别计算大地坐标系下辐射基准卫星和待定标卫星的经纬度R′REF和R′RS。其中，辐射基准卫星的经纬度R′REF的
计算方法为：
Figure BDA0002444285120000071
式中，BREF为辐射基准卫星的经度；
LREF为辐射基准卫星的纬度；
HREF为辐射基准卫星的海拔高度；
Figure BDA0002444285120000072
其中，N为卯酉圈的半径；
e为地球椭球的第一偏心率；e2＝(a2-b2)/a2；
a为地球椭球的长半轴；
b为地球椭球的短半轴；
待定标卫星的经纬度R′RS的计算方法为：
Figure BDA0002444285120000081
式中，BRS为待定标卫星的经度；
LRS为待定标卫星的纬度；
HRS为待定标卫星的海拔高度；
Figure BDA0002444285120000082
步骤三、已知地面定标场地D的经纬度坐标；测量得到待定标卫星在大地坐标系BLH中的坐标；计算卫星对地面定标场地D的观测角度α；根据卫星的观测角度α，从辐射基准卫星空间向量R′REF的经纬度和待定标卫星空间向量R′RS的经纬度中，初步筛选出满足定标条件的辐射基准卫星的经纬度和待定标卫星的经纬度；如图2所示，S为卫星位置；D为地面定标场地；卫星对地面定标场地D的观测角度α的计算方法为：
Figure BDA0002444285120000083
Figure BDA0002444285120000084
β＝arccos(sinφDsinφS+cosφDcosφScosΔλ)
式中，α为卫星对地面定标场的观测角度；
β为卫星指向地心方向与地面定标场地D指向地心方向的夹角；
φD为地面定标场地D的纬度；
λD为地面定标场地D的经度；
φS为卫星星下点的纬度；卫星星下点为卫星-地心连线与地表的交点；
λS为卫星星下点的经度；
rS为卫星到地心的距离；rS＝rE+h
rE为地球半径；
h为卫星轨道高度；
Δλ为地面卫星星下点与定标场D的经度差；Δλ＝λD-λS。
筛选出满足定标条件的辐射基准卫星经纬度和待定标卫星经纬度的具体方法为：计算辐射基准卫星对地面定标场D的观测角度为α1和待定标卫星对地面定标场D的观测角度为α2；设定卫星的最大观测角度为αmax；当α1≤αmax，且α2≤αmax时，辐射基准卫星的经纬度和待定标卫星的经纬度满足标定条件。
步骤四、设定联合观测时间间隔约束条件，进一步筛选出满足定标条件的辐射基准卫星经纬度和待定标卫星经纬度；联合观测过程中，为保证交叉定标大气传输路径的相同，辐射基准卫星和待定标卫星观测过程中应在地面定标场地相同方向。当计算得到的辐射基准卫星和待定标卫星对地面定标场地的观测角度不超过卫星的最大观测角度的前提下，所筛选出的辐射基准卫星和待定标卫星的空间位置矢量满足联合观测角度差异约束条件。联合观测时间间隔约束条件的设定方法为：辐射基准卫星和待定标卫星先后过境同一地面定标场的时间间隔为5-15min。当辐射基准卫星载荷与待定标卫星载荷进行联合观测时，两颗卫星无法保证同一时刻过境选定的地面定标场地，假定在联合观测时间间隔内，地面定标场地目标特性和空间环境未发生变化的情况下，满足交叉定标的联合观测条件。因此，当辐射基准卫星载荷与待定标卫星载荷联合观测的过境时间满足时间间隔约束条件，并形成联合观测交叉点信息，包含辐射基准卫星与待定标卫星的过境时间和星下点的经纬度信息。
步骤五、预设辐射基准卫星和待定标卫星沿各自卫星轨道运行一周，经过相同地面定标场地D的次数；根据次数对辐射基准卫星和待定标卫星的轨道参数进行调整。调整的轨道参数包括轨道半径、轨道倾角、升交点赤经、偏心率、近地点俯角和平近点角。
本发明提供的一种适用于陆地资源卫星在轨交叉辐射定标的轨道规划及辐射基准卫星轨道优化方法，建立了基于SGP4解析轨道模型的辐射基准卫星和待定标卫星的轨道，结合定标联合观测时间间隔约束条件和观测角度差异约束条件，能够计算得到满足交叉定标要求的交叉点信息。在满足现有陆地资源卫星定标联合观测机会要求的前提下，通过最小二乘法在各项轨道参数可调节的范围内对基准载荷的轨道进行优化设计。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、已知辐射基准卫星的运动轨道和待定标卫星的运动轨道；建立空间直角坐标系OXYZ；测量30s时间内，辐射基准卫星在空间直角坐标系OXYZ下的空间位置矢量RREF和待定标卫星在空间直角坐标系OXYZ下的空间位置矢量RRS；
步骤二、建立大地坐标系BLH；利用空间直角坐标系与大地坐标系经纬度转换方法，计算辐射基准卫星在大地坐标系BLH中的经纬度R′REF和待定标卫星在大地坐标系BLH中的经纬度R′RS；
步骤三、已知地面定标场地D的经纬度坐标；测量得到待定标卫星在大地坐标系BLH中的坐标；计算卫星对地面定标场地D的观测角度α；根据卫星的观测角度α，从辐射基准卫星空间向量R′REF的经纬度和待定标卫星空间向量R′RS的经纬度中，初步筛选出满足定标条件的辐射基准卫星的经纬度和待定标卫星的经纬度；
步骤四、设定联合观测时间间隔约束条件，进一步筛选出满足定标条件的辐射基准卫星经纬度和待定标卫星经纬度；
联合观测时间间隔约束条件的设定方法为：
辐射基准卫星和待定标卫星先后过境同一地面定标场的时间间隔为5-15min；
步骤五、预设辐射基准卫星和待定标卫星沿各自卫星轨道运行一周，经过相同地面定标场地D的次数；根据次数对辐射基准卫星和待定标卫星的轨道参数进行调整。
2.根据权利要求1所述的一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，其特征在于：所述步骤一中，空间直角坐标系OXYZ的建立方法为：
O点为地球质心；Z轴为指向参考椭球的北极；X轴为指向起始子午面与赤道的交点；Y轴为赤道面上按右手系与X轴成90°夹角。
3.根据权利要求2所述的一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，其特征在于：所述步骤一中，辐射基准卫星的空间位置矢量RREF为：
Figure FDA0004167254670000021
式中，XREF为辐射基准卫星在X方向的空间位置矢量；
YREF为辐射基准卫星在Y方向的空间位置矢量；
ZREF为辐射基准卫星在Z方向的空间位置矢量；
待定标卫星的空间位置矢量RRS为：
Figure FDA0004167254670000022
式中，XRS为待定标卫星在X方向的空间位置矢量；
YRS为待定标卫星在Y方向的空间位置矢量；
ZRS为待定标卫星在Z方向的空间位置矢量。
4.根据权利要求3所述的一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，其特征在于：所述步骤二中，大地坐标系BLH的建立方法为：
纬度L为空间的点在参考椭球面的法线与赤道面的夹角；经度B为空间的点在参考椭球的自转轴所在面与参考椭球的起始子午面的夹角；大地高程H为空间的点沿参考椭球的法线方向与参考椭球的距离。
5.根据权利要求4所述的一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，其特征在于：所述步骤二中，辐射基准卫星的经纬度RR′EF的计算方法为：
Figure FDA0004167254670000031
式中，BREF为辐射基准卫星的经度；
LREF为辐射基准卫星的纬度；
HREF为辐射基准卫星的海拔高度；
Figure FDA0004167254670000032
其中，N为卯酉圈的半径；
e为地球椭球的第一偏心率；e2＝(a2-b2)/a2；
a为地球椭球的长半轴；
b为地球椭球的短半轴；
待定标卫星的经纬度RR′S的计算方法为：
Figure FDA0004167254670000033
式中，BRS为待定标卫星的经度；
LRS为待定标卫星的纬度；
HRS为待定标卫星的海拔高度；
Figure FDA0004167254670000034
6.根据权利要求5所述的一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，其特征在于：所述步骤三中，卫星对地面定标场地D的观测角度α的计算方法为：
Figure FDA0004167254670000041
/>
Figure FDA0004167254670000042
β＝arccos(sinφDsinφS+cosφDcosφScosΔλ)
式中，α为卫星对地面定标场的观测角度；
β为卫星指向地心方向与地面定标场地D指向地心方向的夹角；
φD为地面定标场地D的纬度；
λD为地面定标场地D的经度；
φS为卫星星下点的纬度；卫星星下点为卫星-地心连线与地表的交点；
λS为卫星星下点的经度；
rS为卫星到地心的距离；rS＝rE+h
rE为地球半径；
h为卫星轨道高度；
Δλ为地面卫星星下点与定标场D的经度差；Δλ＝λD-λS。
7.根据权利要求6所述的一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，其特征在于：所述步骤三中，筛选出满足定标条件的辐射基准卫星经纬度和待定标卫星经纬度的具体方法为：
计算辐射基准卫星对地面定标场D的观测角度为α1和待定标卫星对地面定标场D的观测角度为α2；设定卫星的最大观测角度为αmax；当α1≤αmax，且α2≤αmax时，辐射基准卫星的经纬度和待定标卫星的经纬度满足标定条件。
8.根据权利要求7所述的一种陆地资源卫星定标轨道规划及基准载荷轨道优化方法，其特征在于：所述步骤五中，调整的轨道参数包括轨道半径、轨道倾角、升交点赤经、偏心率、近地点俯角和平近点角。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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一种快速预测卫星过顶的简易模型;于文浩;张云;杨树瑚;洪中华;韩彦岭;;全球定位系统(第04期) *
基准星辐射定标的轨道预报研究;陈轩;齐文雯;徐鹏;;光学学报(第03期) *

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