CN112857306A - 一种视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法 - Google Patents

一种视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法 Download PDF

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CN112857306A CN202011630433.7A CN202011630433A CN112857306A CN 112857306 A CN112857306 A CN 112857306A CN 202011630433 A CN202011630433 A CN 202011630433A CN 112857306 A CN112857306 A CN 112857306A
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Abstract

本发明公开了一种视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，包括：创建仿真场景；在创建的仿真场景中，建立视频卫星模型、地球模型、太阳模型和参考坐标系；根据视频卫星模型、地球模型和太阳模型之间的约束关系，获取不同时刻视频卫星模型不同视向点的位置信息；根据获取的不同时刻视频卫星模型不同视向点的位置信息，确定视向点本体质心到太阳模型质心的矢量
Figure DDA0002879938150000011
确定矢量
Figure DDA0002879938150000012
在参考坐标系的XOY面上的投影向量
Figure DDA0002879938150000013
计算得到任意视向点的连续太阳高度角Angle_Azim_Sun(t)。本发明对视频卫星成像过程中视向点和太阳之间的严格成像约束条件进行了建模，给出了视频卫星任意视向点连续成像时刻的太阳高度角。

Description

一种视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法
技术领域
本发明属于遥感卫星技术领域，尤其涉及一种视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法。
背景技术
遥感卫星接收到的遥感信息是太阳辐射经过大气后，经地球表面再次穿过大气传输到达遥感器的辐射。遥感卫星视向点的地球表面地物目标反射的太阳辐射信息经过大气的散射、吸收以及大气辐射、天空背景辐射、地表干扰背景辐射等影响因素作用后到达遥感卫星并被遥感卫星获取。而视向点的太阳高度角直接影响了遥感卫星获取这些遥感信息。
随着低轨视频卫星星座的快速发展，通过多星组网，对特定区域的重访周期的越来越高，单星视频成像时，为了保证视频影像的稳定，卫星多通过整星姿态机动使卫星视向点稳定不变，此时卫星视向点的太阳高度角随时间变化。
现有技术中，确定卫星的太阳高度角一般通过地面系统计算，但一般仅分析星下点太阳高度角，无法完成视频卫星姿态机动中视向点的太阳高度角计算，而且视频卫星成像时视向点太阳高度角随时间变化，原有太阳高度计算方法很少考虑太阳随时间的变化情况。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，特别是考虑视频卫星的成像特性，对视频卫星成像过程中视向点和太阳之间的严格成像约束条件进行了建模，给出了视频卫星任意视向点连续成像时刻的太阳高度角。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，包括：
创建仿真场景，自定义设置仿真场景开始时间、结束时间和时间间隔；
在创建的仿真场景中，建立视频卫星模型、地球模型、太阳模型和参考坐标系O-XYZ；
根据视频卫星模型、地球模型和太阳模型之间的约束关系，获取不同时刻视频卫星模型不同视向点的位置信息；其中，视向点的位置信息包括：视向点的经度、纬度和高程；
根据获取的不同时刻视频卫星模型不同视向点的位置信息，确定视向点本体质心到太阳模型质心的矢量
Figure BDA0002879938130000021
确定矢量
Figure BDA0002879938130000022
在参考坐标系的XOY面上的投影向量
Figure BDA0002879938130000023
计算得到任意视向点的连续太阳高度角Angle_Azim_Sun(t)：
Figure BDA0002879938130000024
在上述视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法中，参考坐标系O-XYZ的定义如下：原点O位于视向点质心，+X轴指向正北，+Y轴指向正西，+Z轴与+X轴和+Y轴满足右手正交关系，指向天顶。
在上述视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法中，建立视频卫星模型、地球模型和太阳模型，包括：根据视频卫星实际光学系统形式、遥感器光学系统参数和焦面探测的视向，建立视频卫星模型、地球模型和太阳模型。
在上述视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法中，视向点为视频卫星视向与地球模型的交汇点。
在上述视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法中，在根据视频卫星模型、地球模型和太阳模型之间的约束关系，获取不同时刻视频卫星模型不同视向点的位置信息之前，还包括：
根据视频卫星实际运行轨道，设置视频卫星模型的轨道参数；
根据视频卫星实际成像任务规划，设置视频卫星模型的姿态参数。
在上述视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法中，在确定视向点本体质心到太阳模型质心的矢量
Figure BDA0002879938130000025
之前，还包括：
根据获取的不同时刻视频卫星模型不同视向点的位置信息，确定视向点本体质心到视频卫星模型质心的矢量
Figure BDA0002879938130000031
确定矢量
Figure BDA0002879938130000032
与视向点天顶方向向量
Figure BDA0002879938130000033
之间的夹角Angle_InterPoint_Sun；其中，视向点天顶方向向量
Figure BDA0002879938130000034
为参考坐标系的+Z轴；
确定矢量
Figure BDA0002879938130000035
与视向点天顶方向向量
Figure BDA0002879938130000036
之间的夹角Angle_InterPoint_Sat；
根据夹角Angle_InterPoint_Sun和夹角Angle_InterPoint_Sat，判断当前时刻的视频卫星模型当前视向点的位置信息是否存在异常。
在上述视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法中，根据夹角Angle_InterPoint_Sun和夹角Angle_InterPoint_Sat，判断当前时刻的视频卫星模型当前视向点的位置信息是否存在异常，包括：
将夹角Angle_InterPoint_Sun和夹角Angle_InterPoint_Sat分别与设定角度阈值进行比较；
若夹角Angle_InterPoint_Sun或夹角Angle_InterPoint_Sat大于设定角度阈值，则确定当前时刻的视频卫星模型视向点的位置信息存在异常，读取下一时刻的视频卫星模型视向点的位置信息；
若夹角Angle_InterPoint_Sun和夹角Angle_InterPoint_Sat均不大于设定角度阈值，则确定当前时刻的视频卫星模型视向点的位置信息正常，并执行确定视向点本体质心到太阳模型质心的矢量
Figure BDA0002879938130000037
的步骤，并计算得到当前时刻视向点对应的太阳高度角。
在上述视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法中，设定角度阈值为90°。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，从视频卫星视向点太阳高度角获取原理出发，综合考虑视频卫星飞行时的不同视向、视向点变化、太阳位置随时间变化以及视向获取时地球自转、地球曲率、地形起伏等视向点地物影响，计算建模要素更全面。
(2)本发明公开了一种视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，以矢量建立的视向点连续太阳高度角确定模型为基础，综合考虑了视频遥感器在卫星本体上的安装关系、卫星轨道、卫星姿态、卫星工作模式等，通过简单的矢量关系建立太阳高度角确定模型，可广泛应用于视频卫星的太阳高度角计算与分析。
(3)本发明公开了一种视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，直接通过建立视向点与太阳的矢量与视频卫星视向矢量的矢量关系，进而将视频卫星任意视向点连续时刻的太阳高度角确定转换为简单的矢量与时间的函数计算，便于使用Matlab等数学软件快速建模分析视频卫星飞行过程中，视向点随卫星飞行而变化的问题，同时在时间域保证了视向点太阳高度角随视频卫星飞行变化，进一步提升了视向点太阳高度角的计算模型精度，从而为视频卫星方案设计和在轨测试期间的视频成像参数调整提供设计依据。
(4)本发明公开了一种视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，可结合视频卫星工程研制中卫星视频成像中姿态机动对视频成像质量影响分析需求，对视频卫星如视频凝视时卫星姿态机动、卫星侧摆、卫星俯仰和卫星侧摆俯仰中的视向点的太阳高度角进行计算，为视频卫星机动中成像姿态控制策略和星上成像参数的实时调整提供了一种新的验证手段。
附图说明
图1是本发明实施例中一种视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例中一种视频卫星视向与地球椭球的交会位置示意图；
图3是本发明实施例中一种视频卫星视向点矢量模型示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
本发明公开了一种视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，特别是针对视频卫星(搭载视频遥感器的光学卫星或搭载有视频成像雷达的卫星)，该方法给出了视频卫星任意视向点连续成像时刻的太阳高度角。
如图1，在本实施例中，该视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，包括：
步骤101，创建仿真场景，自定义设置仿真场景开始时间、结束时间和时间间隔。
在本实施例中，可以采用任意一种适当的仿真软件实现仿真场景的创建。
步骤102，在创建的仿真场景中，建立视频卫星模型、地球模型、太阳模型和参考坐标系O-XYZ。
在本实施例中，可以根据视频卫星实际光学系统形式、遥感器光学系统参数和焦面探测的视向，建立视频卫星模型、地球模型和太阳模型。
进一步的，参考坐标系O-XYZ的定义如下：原点O位于视向点质心，+X轴指向正北，+Y轴指向正西，+Z轴与+X轴和+Y轴满足右手正交关系，指向天顶。
步骤103，根据视频卫星模型、地球模型和太阳模型之间的约束关系，获取不同时刻视频卫星模型不同视向点的位置信息。
在本实施例中，视向点为视频卫星视向与地球模型的交汇点，视向点的位置信息包括：视向点的经度、纬度和高程。
步骤104，根据获取的不同时刻视频卫星模型不同视向点的位置信息，确定视向点本体质心到太阳模型质心的矢量
Figure BDA0002879938130000051
步骤105，确定矢量
Figure BDA0002879938130000052
在参考坐标系的XOY面上的投影向量
Figure BDA0002879938130000053
步骤106，计算得到任意视向点的连续太阳高度角Angle_Azim_Sun(t)：
Figure BDA0002879938130000054
在本实施例中，t表示成像时刻。
在本发明的一优选实施例中，在步骤103之前，还可以包括：
(1)根据视频卫星实际运行轨道，设置视频卫星模型的轨道参数。
例如，可以采用双行轨道根数或某一历元时刻的轨道瞬根或平根参数作为输入，根据需要和输入采用不同的轨道外推模型或算法，如合并简化通用摄动预报算法或高精度轨道外推算法，完成对视频卫星模型的轨道参数的设置。
(2)根据视频卫星实际成像任务规划，设置视频卫星模型的姿态参数。
例如，可以根据视频卫星实际姿态机动情况，确定姿态参数，进而实现对视频卫星模型的姿态参数的设置。其中，姿态参数的表示方法可以采用欧拉角、姿态四元数等；进一步的，可以结合实际情况，按时间分段设置视频卫星模型的轨道参数。
在本发明的一优选实施例中，在步骤104，确定视向点本体质心到太阳模型质心的矢量
Figure BDA0002879938130000061
之前，还可以包括：
根据获取的不同时刻视频卫星模型不同视向点的位置信息，确定视向点本体质心到视频卫星模型质心的矢量
Figure BDA0002879938130000062
确定矢量
Figure BDA0002879938130000063
与视向点天顶方向向量
Figure BDA0002879938130000064
之间的夹角Angle_InterPoint_Sun；确定矢量
Figure BDA0002879938130000065
与视向点天顶方向向量
Figure BDA0002879938130000066
之间的夹角Angle_InterPoint_Sat；根据夹角Angle_InterPoint_Sun和夹角Angle_InterPoint_Sat，判断当前时刻的视频卫星模型当前视向点的位置信息是否存在异常。其中，视向点天顶方向向量
Figure BDA0002879938130000067
为参考坐标系的+Z轴。
优选的，可以将将夹角Angle_InterPoint_Sun和夹角Angle_InterPoint_Sat分别与设定角度阈值(如90°)进行比较。其中，若夹角Angle_InterPoint_Sun或夹角Angle_InterPoint_Sat大于设定角度阈值，则确定当前时刻的视频卫星模型视向点的位置信息存在异常，读取下一时刻的视频卫星模型视向点的位置信息。若夹角Angle_InterPoint_Sun和夹角Angle_InterPoint_Sat均不大于设定角度阈值，则确定当前时刻的视频卫星模型视向点的位置信息正常，并执行确定视向点本体质心到太阳模型质心的矢量
Figure BDA0002879938130000071
的步骤，并计算得到当前时刻视向点对应的太阳高度角。
在上述实施例的基础上，下面结合一个具体实例对本发明所述的视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法进行说明。
在本实施例中，视频卫星的视向点为视频卫星视向在WGS84坐标系下的视向，考虑视频卫星的位置以及视频卫星视向与地球交会点的高程，就可以确定该视频卫星视向点为视频卫星视向与地球椭球的交会位置，如图2所示。
为了准确计算视向点的太阳高度角，需要根据视频卫星的工作特性，对视频卫星位置、视向点、成像时刻、地球和太阳位置整个链路进行仿真，根据观测时刻卫星轨道和姿态，计算出视频卫星视向点的经纬度和该视向点对应的太阳天顶角、太阳方位角等视频卫星观测几何参数，根据视向点位置和观测几何参数，建立视向点太阳高度角模型，进而确定视频卫星任意视向点连续成像时刻的太阳高度角。
如前所述，可以采用任意一种适当的建模软件完成对视频卫星位置、视向点、成像时刻、地球和太阳位置整个链路的仿真。在仿真完成后，可以采用STK、MATLAB进行坐标系和矢量的建立，以及矢量的计算，最终得到视频卫星任意视向点连续成像时刻的太阳高度角。
在本实施例中，可以使用MATLAB软件控制STK进行建模计算，采用向量建模获取视频卫星连续时刻不同视向点的观测几何参数、卫星轨道参数、地物目标位置等数据，通过矢量运算规律，计算得到视频卫星视向点连续时刻的太阳高度角。具体流程如下：
(一)全链路仿真
(1.1)创建仿真场景。
在本实施例中，可以使用仿真软件工具，根据实际仿真分析需要，自定义设置仿真场景开始时间、结束时间和时间间隔等，创建得到仿真场景。
(1.2)创建视频卫星模型、地球模型和太阳模型。
在本实施例中，可以在创建的仿真场景中，根据视频卫星实际光学系统形式、遥感器光学系统参数和焦面探测的视向，建立视频卫星模型、地球模型和太阳模型。
(1.3)设置视向点位置。
在本实施例中，可以根据观测区域需求和实际任务规划和仿真、计算、分析需要，自定义设置视向点的纬度、经度和高程数据。
(1.4)设置视频卫星的轨道参数和姿态参数。
在本实施例中，可以根据视频卫星实际运行轨道，设置视频卫星模型的轨道参数；根据视频卫星实际成像任务规划，设置视频卫星模型的姿态参数。
(二)视频卫星模型的视向点矢量设置
(2.1)视向点位置访问与参数获取。
2.11)访问视向点位置：根据步骤(一)的仿真结果(在仿真场景中，视频卫星模型、地球模型、太阳模型等不同对象之间的约束关系)，获取不同时刻视频卫星模型不同视向点在WGS84坐标系下的纬度和经度。
2.12)获取视向点的高程：利用视向点的纬度和经度从对应区域的数字高程模型数据中获取当前视向点的高程。
(2.2)视频卫星模型视向点观测几何参数建模与获取
在本实施例中，如图3所示，一个视向点位置可以创建视频卫星模型视向点观测参数模型，视向点即卫星视向与地球的交汇点的矢量，太阳光与视向点的矢量，详细步骤如下：
2.21)根据步骤2.11)和步骤2.12)确定的纬度、经度和高程，确定一个视向点InterPoint。
2.22)创建参考坐标系O-XYZ：参考坐标系O-XYZ的定义如下：原点O位于视向点质心，+X轴指向正北，+Y轴指向正西，+Z轴与+X轴和+Y轴满足右手正交关系，指向天顶。
2.23)创建起点为视向点InterPoint本体质心、终点为视频卫星模型本体质心的矢量
Figure BDA0002879938130000081
2.24)创建起点为视向点InterPoint本体质心、终点为太阳模型本体质心的矢量
Figure BDA0002879938130000091
2.25)确定矢量
Figure BDA0002879938130000092
在参考坐标系的XOY面上的投影向量
Figure BDA0002879938130000093
2.26)创建视向点天顶方向向量
Figure BDA0002879938130000094
即参考坐标系的+Z轴；并确定向量
Figure BDA0002879938130000095
与矢量
Figure BDA0002879938130000096
之间的夹角Angle_InterPoint_Sun。
2.27)确定向量
Figure BDA0002879938130000097
与矢量
Figure BDA0002879938130000098
之间的夹角Angle_InterPoint_Sat。
2.28)获得视频卫星成像时刻视向点的观测参数，模型如图3所示。
(三)连续成像时刻视向点的太阳高度角的计算
3.1)视频卫星成像时刻的视向点参数需要进行判读，若使用软件直接获取的以上角度值的值域为[0°，180°]，则可以根据视频卫星实际成像和卫星观测几何参数定义，分别对上述角度值进行如下判读：
若夹角Angle_InterPoint_Sun超过90°，则步骤2.28)中获取的观测参数均为异常值，直接读取下一时刻数据，执行后续数据判读。
若夹角Angle_InterPoint_Sat超过90，则步骤2.28)中获取的观测参数均为异常值，直接读取下一时刻数据，执行后续数据判读。
若夹角Angle_InterPoint_Sun和夹角Angle_InterPoint_Sat均未超过90°，则执行步骤3.2)
3.2)连续成像时刻视向点的太阳高度角计算
在本实施例中，在上述步骤(一)和步骤(二)的基础上，依次在仿真场景中按时间建立并获取不同成像时刻不同视向点的观测几何参数，使用矢量计算数学公式，逐次计算出不同视向点的太阳高度角。
3.21)从仿真场景中获取成像时刻，将成像时刻中的年、月、日等时间参数记为参数Para_Input(t)。
3.22)从仿真场景中获取视频卫星的观测几何参数，将太阳天顶角和方位角、卫星观测天顶角和方位角写入输入参数文件Para_Input中。
3.23)通过单个视向点对应的输入参数文件Para_Input，按成像时刻依次计算出不同视向点的太阳高度角。
Figure BDA0002879938130000101
综上所述，本发明公开了一种视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，特别是针对搭载视频遥感器的光学卫星或搭载有视频成像雷达的卫星，该方法给出了卫星任意视向点连续成像时刻的太阳高度角。本方法适用于具有不同类型的成像卫星，可指导不同研制阶段飞行器的相关设计和验证工作。
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。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，其特征在于，包括：
创建仿真场景，自定义设置仿真场景开始时间、结束时间和时间间隔；
在创建的仿真场景中，建立视频卫星模型、地球模型、太阳模型和参考坐标系O-XYZ；
根据视频卫星模型、地球模型和太阳模型之间的约束关系，获取不同时刻视频卫星模型不同视向点的位置信息；其中，视向点的位置信息包括：视向点的经度、纬度和高程；
根据获取的不同时刻视频卫星模型不同视向点的位置信息，确定视向点本体质心到太阳模型质心的矢量
Figure FDA0002879938120000011
确定矢量
Figure FDA0002879938120000012
在参考坐标系的XOY面上的投影向量
Figure FDA0002879938120000013
计算得到任意视向点的连续太阳高度角Angle_Azim_Sun(t)：
Figure FDA0002879938120000014
2.根据权利要求1所述的视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，其特征在于，参考坐标系O-XYZ的定义如下：原点O位于视向点质心，+X轴指向正北，+Y轴指向正西，+Z轴与+X轴和+Y轴满足右手正交关系，指向天顶。
3.根据权利要求1所述的视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，其特征在于，建立视频卫星模型、地球模型和太阳模型，包括：根据视频卫星实际光学系统形式、遥感器光学系统参数和焦面探测的视向，建立视频卫星模型、地球模型和太阳模型。
4.根据权利要求1所述的视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，其特征在于，视向点为视频卫星视向与地球模型的交汇点。
5.根据权利要求1所述的视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，其特征在于，在根据视频卫星模型、地球模型和太阳模型之间的约束关系，获取不同时刻视频卫星模型不同视向点的位置信息之前，还包括：
根据视频卫星实际运行轨道，设置视频卫星模型的轨道参数；
根据视频卫星实际成像任务规划，设置视频卫星模型的姿态参数。
6.根据权利要求1所述的视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，其特征在于，在确定视向点本体质心到太阳模型质心的矢量
Figure FDA0002879938120000021
之前，还包括：
根据获取的不同时刻视频卫星模型不同视向点的位置信息，确定视向点本体质心到视频卫星模型质心的矢量
Figure FDA0002879938120000022
确定矢量
Figure FDA0002879938120000023
与视向点天顶方向向量
Figure FDA0002879938120000024
之间的夹角Angle_InterPoint_Sun；其中，视向点天顶方向向量
Figure FDA0002879938120000025
为参考坐标系的+Z轴；
确定矢量
Figure FDA0002879938120000026
与视向点天顶方向向量
Figure FDA0002879938120000027
之间的夹角Angle_InterPoint_Sat；
根据夹角Angle_InterPoint_Sun和夹角Angle_InterPoint_Sat，判断当前时刻的视频卫星模型当前视向点的位置信息是否存在异常。
7.根据权利要求6所述的视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，其特征在于，根据夹角Angle_InterPoint_Sun和夹角Angle_InterPoint_Sat，判断当前时刻的视频卫星模型当前视向点的位置信息是否存在异常，包括：
将夹角Angle_InterPoint_Sun和夹角Angle_InterPoint_Sat分别与设定角度阈值进行比较；
若夹角Angle_InterPoint_Sun或夹角Angle_InterPoint_Sat大于设定角度阈值，则确定当前时刻的视频卫星模型视向点的位置信息存在异常，读取下一时刻的视频卫星模型视向点的位置信息；
若夹角Angle_InterPoint_Sun和夹角Angle_InterPoint_Sat均不大于设定角度阈值，则确定当前时刻的视频卫星模型视向点的位置信息正常，并执行确定视向点本体质心到太阳模型质心的矢量
Figure FDA0002879938120000031
的步骤，并计算得到当前时刻视向点对应的太阳高度角。
8.根据权利要求7所述的视频卫星任意视向点的连续太阳高度角确定方法，其特征在于，设定角度阈值为90°。
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