CN112948741B - 一种深空探测器可见弧段计算方法及系统 - Google Patents

一种深空探测器可见弧段计算方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种深空探测器可见弧段计算方法及系统，包括如下步骤：步骤一：根据地面测站和探测器运动轨迹，计算探测器相对地面测站的矢量；步骤二：计算地面测站可见经度区间；步骤三：计算地面测站可见时长和对应的时段。本发明利用深空探测器距离远特点，给出深空探测可见弧段有效算法，计算过程简单，易于编程实现，可以帮助探测器总体人员全面地掌握探测器可见弧段，提高对探测任务的整体把握能力。可提供各地面测站可见弧段变化趋势，更有利于制定观测计划，具有较高的工程实用价值。

Description

一种深空探测器可见弧段计算方法及系统
技术领域
本发明涉及空间探测器领域，具体地，涉及一种深空探测器可见弧段计算方法及系统。
背景技术
探测器可见性弧段分析是掌握深空探测器与每个测站的可见时段及其变化规律，是测站任务计划、大系统联动及数据处理等工作的依据，也是探测任务中的关键阶段(如主发动机点火、姿态机动、科学数据传输)成功实施的基本条件。
探测器可见性计算与分析是深空任务分析及观测计划编排中非常基础的内容。目前针对近地轨道卫星可见性开展了较为充分研究，系统性研究了LEO卫星与地面测站的可见性分析，开展了天基HEO、GEO卫星对空间目标的可见性分析研究，提出一种可见弧段的简单快速的求解策略。对于深空探测器的可见性分析，目前尚缺乏研究。在实际工作中，通常依赖STK等国外成熟软件进行相关分析，但由于深空探测器飞行时间跨度大，导致计算量耗时超长、绘图效率低、信息效果差，这给实际工作带来问题。
为了帮助地面卫星任务管理人员和探测器总体人员全面地掌握探测可见弧段，有效制定观测计划，并提供各地面测站可见弧段变化趋势，提高对探测任务的整体把握能力，本发明提供一种深空探测器可见弧段计算方法。该方法计算简单，易于操作实施，适用于卫星和地面自主任务规划。该计算方法适用于深空探测器。
目前，卫星可见弧段计算方法研究不多，普遍采用卫星工具包STK，用计算量大的数值迭代的传统方法。
经检索可知：宫长辉，宋屹旻，刘欣在《导弹与航天运载技术》(2018年第3期2018-6-10)的文章《一种天基测控中可见性分析的计算方法》中，是针对天基测控中的可见性分析，考虑地球遮挡的问题和选星算法。不涉及本发明内容。
张柯，白燕在《电子设计工程》(第25卷第15期)的文章中《基于STK的新一代北斗导航卫星可见性仿真分析》，与丁国鹏，凌丽，郑伟波，张涛，李勉洪在“一种基于STK模型的空间目标可见性分析的方法”(CN104036081A)中，计算可见时间是通过STK软件完成的，均不涉及可见时段的计算方法。
唐荣富，易东云，罗强，张栋在《系统仿真学报》中的《LEO卫星可见性的快速仿真算法》中利用LEO卫星运动特点，引入“可视球冠”变轨交圆补偿算法，主要针对LEO圆卫星，且方法不适用深空探测器。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种深空探测器可见弧段计算方法及系统。
根据本发明提供的一种深空探测器可见弧段计算方法，包括如下步骤：
步骤一：根据地面测站和探测器运动轨迹，计算探测器相对地面测站的矢量；
步骤二：计算地面测站可见经度区间；
步骤三：计算地面测站可见时长和对应的时段。
优选地，所述步骤一包括：
根据地面测站的地心经纬度为[αs,δs]，计算地面测站相对地心的位置矢量为
Figure BDA0002934789460000021
由探测器轨道参数或星历计算出探测器相对地心的位置矢量为
Figure BDA0002934789460000022
探测器相对测站的位置矢量为
Figure BDA0002934789460000023
且
Figure BDA0002934789460000024
则有
Figure BDA0002934789460000025
计算出探测器
Figure BDA0002934789460000026
在地心赤道坐标系下的赤经赤纬[λc,βc]，δc≈βc；
根据时间计算出恒星时SGMT，求得探测器
Figure BDA0002934789460000027
在地心固连坐标系下的经纬度[αc,δc]，从而计算出探测器
Figure BDA0002934789460000028
在地心固连坐标系下的经纬度[αc,δc]。
优选地，经度αc与赤经λc的关系为：λc＝αc+SGMT。
优选地，所述步骤二包括：
令地面测站的地心经纬度为[αs,δs]，地面测站天线最小高度角为δ0；
定义
Figure BDA0002934789460000029
为
Figure BDA00029347894600000210
在地面测站当地水平面上的投影，即
Figure BDA00029347894600000211
δ为
Figure BDA00029347894600000212
与
Figure BDA00029347894600000213
夹角，根据高度角与空间矢量关系及可见条件δ≥δ0，应有不等式：
Figure BDA00029347894600000214
根据球面三角形关系：
A＝[cos(90°-δ0)-sinδSsinδC]/cosδScosδC
得到满足测控条件的可见经度宽度Δα为：
Figure BDA0002934789460000031
可得探测器可见，应满足测控条件的经度区间如下：
αsv∈[αs-Δα,αs+Δα]。
优选地，所述步骤三包括：
根据地球自转一周，则探测器经度变化为[0,360]，由可见经度宽度Δα，计算一天内可见时长
Figure BDA0002934789460000032
设定太阳矢量在地固坐标系经度αΘ与本初子午线λ＝0°的相对位置关系：当其地面测站的经度αS＝αΘ时，测站地方时LMT＝12h，为正午时刻；
对于满足测控弧段的经度区间，即αsv∈[αc-Δα,αc+Δα]，对应地方时LMTV范围为：
LMTV∈[(αC-Δα-αΘ)/15°+12h,(αC+Δα-αΘ)/15°+12h]
地方时LMT计算方法如下：
LMT＝UT+λS/15°
得到满足观测条件的世界时UTSV计算方法如下：
UTSV∈[(αC-Δα-αΘ-λS)/15°+12h,(αC+Δα-αΘ-λS)/15°+12h]
其中αΘ为太阳矢量在地心固连坐标系下的经度，根据时间太阳经度的计算方法如下：
Figure BDA0002934789460000033
其中J为一年当中的天数，SGMT为计算时刻的恒星时。
优选地，计算地面测站可见经度区间包括利用地面站可见条件及球面三角形关系，计算出可见经度宽度Δα；且利用地面测站站址[αs,δs]，求该地面测站可见经度区间αsv∈[αs-Δα,αs+Δα]。
优选地，计算地面测站可见时长和对应的时段包括：
利用地面测站可见经度宽度Δα，根据地球自转特点，计算出可见时长
Figure BDA0002934789460000041
且通过太阳矢量经度αΘ和探测器矢量经度αc关系，计算出地面测站可见时长对应的可见地方时：
LMTV∈[(αC-Δα-αΘ)/15°+12h,(αC+Δα-αΘ)/15°+12h]；
或者根据地面测站所在时区对应的经度λs，计算出地面测站可见时长对应的可见世界时：UTSV∈[(αC-Δα-αΘ-λS)/15°+12h,(αC+Δα-αΘ-λS)/15°+12h]。
根据本发明提供的一种深空探测器可见弧段计算系统，包括如下模块：
矢量计算模块：根据地面测站和探测器运动轨迹，计算探测器相对地面测站的矢量；
可见经度计算模块：计算地面测站可见经度区间；
可见时长及时段计算模块：计算地面测站可见时长和对应的时段。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明利用地球自旋和深空探测器与地面站距离远的特点，通过地面站和探测器相对几何位置关系和可见条件，给出地面测站可见经度区间，利用球面三角形关系直接计算出一天内地面站可见时长及对应的可见时段。
2、本发明利用深空探测器距离远特点，给出深空探测可见弧段有效算法，计算过程简单，易于编程实现，可以帮助探测器总体人员全面地掌握探测器可见弧段，提高对探测任务的整体把握能力。
3、本发明可提供各地面测站可见弧段变化趋势，更有利于制定观测计划，具有较高的工程实用价值。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的步骤流程图。
图2为发明实施步骤具体流程示意图。
图3为地面测站和探测器位置矢量关系图。
图4为地面经度可见区间示意图。
图5为探测器矢量经度和太阳经度关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
由于深空探测器飞行时间跨度大，传统通过数值迭代方法进行地面测站可见弧段的方法计算量耗时超长、绘图效率低、不利于可见弧段变化规律分析，这给实际工作带来问题。本发明利用深空探测器距离远特点，给出深空探测可见弧段有效算法，计算过程简单，易于编程实现，可以帮助探测器总体人员全面地掌握探测器可见弧段，提高对探测任务的整体把握能力；可提供各地面测站可见弧段变化趋势，更有利于制定观测计划，具有较高的工程实用价值。
具体如图1至图5所示，根据本发明提供的一种深空探测器可见弧段计算方法及系统。所述方法包括以下步骤：步骤一：根据地面测站和探测器运动轨迹，计算出探测器相对地面测站的矢量；步骤二：计算地面测站可见经度区间；步骤三：计算地面测站可见时长和对应的时段。
具体包括如下步骤：
1、计算出探测器相对地面测站的矢量
Figure BDA0002934789460000051
令地面测站相对地心的位置矢量为
Figure BDA0002934789460000052
探测器相对地心的位置矢量为
Figure BDA0002934789460000053
探测器相对测站的位置矢量为
Figure BDA0002934789460000054
其中有
Figure BDA0002934789460000055
由于探测器地心距远大于测站地心距，即
Figure BDA0002934789460000056
因此有
Figure BDA0002934789460000057
可计算出探测器
Figure BDA0002934789460000058
在地心赤道坐标系下的赤经赤纬[λc,βc]。根据时间计算出恒星时SGMT，求得探测器
Figure BDA0002934789460000059
在地心固连坐标系下的经纬度[αc,δc]。其经度αc与赤经λc的关系如下：λc＝αc+SGMT。赤纬与地理纬度的差异在于地球自转轴的岁差章动和极移量，差异在0.1度以内，即δc≈βc。
2、计算地面测站满足可见条件的经度区间。令地面测站的地心经纬度为[αs,δs]，地面测站天线最小高度角为δ0。定义
Figure BDA00029347894600000510
为
Figure BDA00029347894600000511
在地面测站当地水平面上的投影，即
Figure BDA00029347894600000512
δ为
Figure BDA00029347894600000513
与
Figure BDA00029347894600000514
夹角，根据高度角与空间矢量关系及可见条件δ≥δ0，应有不等式：
Figure BDA00029347894600000515
即：
Figure BDA0002934789460000061
根据球面三角形关系:
A＝[cos(90°-δ0)-sinδSsinδC]/cosδScosδC (3)
得到满足测控条件的可见经度宽度Δα为：
Figure BDA0002934789460000062
可得探测器可见，应满足测控条件的经度区间如下：
αsv∈[αs-Δα,αs+Δα]
3、计算出地面测站可见时长ΔT和对应的可见时段。根据地球自转一周，则探测器经度变化为[0,360]。由可见经度宽度Δα，可以计算一天内可见时长
Figure BDA0002934789460000063
设定太阳矢量在地固坐标系经度αΘ与本初子午线λ＝0°的相对位置关系，见附图4。当其地面测站的经度αS＝αΘ时，测站地方时LMT＝12h，为正午时刻。因此对于满足测控弧段的经度区间，即αsv∈[αc-Δα,αc+Δα]，对应地方时LMTV范围应为：
LMTV∈[(αC-Δα-αΘ)/15°+12h,(αC+Δα-αΘ)/15°+12h]
而地方时LMT与世界时UT的关系与地面测站所处地理经度有关，其中λs为地面测站所在时区对应的经度，计算方法如下：
LMT＝UT+λS/15°
最终得到满足观测条件的世界时UTSV计算方法如下：
UTSV∈[(αC-Δα-αΘ-λS)/15°+12h,(αC+Δα-αΘ-λS)/15°+12h]
其中αΘ为太阳矢量在地心固连坐标系下的经度，可根据时间太阳经度的计算方法如下：
Figure BDA0002934789460000064
其中J为一年当中的天数。如1月1日对应J＝1，2月1日对应J＝32。SGMT为计算时刻的恒星时。
本发明方法仿真算例如下：
以2007年7月1日8:00:00UTC某高度为11000km的火星探测器为例，计算10天以内的佳木斯站可见弧段，具体结果见表1。本发明方法计算结果与STK的结果(见表2)相比，可见时长相差不大于2min，可见开始时刻和可见结束时刻相差不超过2min。
表1可见弧段计算结果(本发明方法)
日期 可见开始时刻 可见结束时刻 可见时长(h)
1 17:02:52.8 第二天04:44:49.2 11.699
2 17:00:50.4 第二天04:44:45.6 11.732
3 16:58:44.4 第二天04:44:42.0 11.765
4 16:56:42.0 第二天04:44:34.8 11.798
5 16:54:39.6 第二天04:44:31.2 11.830
6 16:52:40.8 第二天04:44:24.0 11.863
7 16:50:38.4 第二天04:44:16.8 11.895
8 16:48:36.0 第二天04:44:09.6 11.926
9 16:46:37.2 第二天04:44:02.4 11.957
10 16:44:38.4 第二天04:43:55.2 11.988
表2可见弧段计算结果(STK)
日期 可见开始时刻 可见结束时刻 可见时长(h)
1 17:03:52.453 第二天04:46:07.450 11.704
2 17:01:40.643 第二天04:45:55.756 11.738
3 16:59:29.352 第二天04:45:44.128 11.771
4 16:57:18.896 第二天04:45:32.049 11.804
5 16:55:09.028 第二天04:45:18.901 11.836
6 16:52:59.320 第二天04:45:04.968 11.868
7 16:50:49.909 第二天04:44:50.951 11.900
8 16:48:41.307 第二天04:44:36.779 11.932
9 16:46:33.532 第二天04:44:21.704 11.963
10 16:44:26.048 第二天04:44:05.513 11.994
本发明还提供一种深空探测器可见弧段计算系统，包括如下模块：
矢量计算模块：根据地面测站和探测器运动轨迹，计算探测器相对地面测站的矢量；
可见经度计算模块：计算地面测站可见经度区间；
可见时长及时段计算模块：计算地面测站可见时长和对应的时段。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种深空探测器可见弧段计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：根据地面测站和探测器运动轨迹，计算探测器相对地面测站的矢量；
步骤二：计算地面测站可见经度区间；
步骤三：计算地面测站可见时长和对应的时段；
所述步骤一包括：
根据地面测站的地心经纬度为[αs,δs]，计算地面测站相对地心的位置矢量为
Figure FDA0003934411220000011
由探测器轨道参数或星历计算出探测器相对地心的位置矢量为
Figure FDA0003934411220000012
探测器相对测站的位置矢量为
Figure FDA0003934411220000013
且
Figure FDA0003934411220000014
则有
Figure FDA0003934411220000015
计算出探测器
Figure FDA0003934411220000016
在地心赤道坐标系下的赤经赤纬[λc,βc]，δc≈βc；
根据时间计算出恒星时SGMT，求得探测器
Figure FDA0003934411220000017
在地心固连坐标系下的矢量经纬度[αc,δc]；
利用地面测站可见经度宽度Δα，根据地球自转特点，计算出可见时长；且通过太阳矢量在地固坐标系经度αΘ和探测器矢量经度αc关系，计算出地面测站可见时长对应的可见地方时；或者根据地面测站所在时区对应的经度λs，计算出地面测站可见时长对应的可见世界时。
2.根据权利要求1所述的深空探测器可见弧段计算方法，其特征在于，经度αc与赤经λc的关系为：λc＝αc+SGMT。
3.根据权利要求1所述的深空探测器可见弧段计算方法，其特征在于，所述步骤二包括：
令地面测站的地心经纬度为[αs,δs]，地面测站天线最小高度角为δ0；
定义
Figure FDA0003934411220000018
为
Figure FDA0003934411220000019
在地面测站当地水平面上的投影，即
Figure FDA00039344112200000110
δ为
Figure FDA00039344112200000111
与
Figure FDA00039344112200000112
夹角，根据高度角与空间矢量关系及可见条件δ≥δ0，应有不等式：
Figure FDA00039344112200000113
根据球面三角形关系：
A＝[cos(90°-δ0)-sinδSsinδc]/cosδScosδc
得到满足测控条件的可见经度宽度Δα为：
Figure FDA0003934411220000021
可得探测器可见，应满足测控条件的经度区间如下：
αsv∈[αs-Δα,αs+Δα]。
4.根据权利要求1所述的深空探测器可见弧段计算方法，其特征在于，所述步骤三包括：
根据地球自转一周，则探测器经度变化为[0,360]，由可见经度宽度Δα，计算一天内可见时长
Figure FDA0003934411220000022
设定太阳矢量在地固坐标系经度αΘ与本初子午线λ＝0°的相对位置关系：当其地面测站的地心经度αs＝αΘ时，测站地方时LMT＝12h，为正午时刻；
对于满足测控弧段的经度区间，即αsv∈[αc-Δα,αc+Δα]，对应地方时LMTV范围为：
LMTV∈[(αc-Δα-αΘ)/15°+12h,(αc+Δα-αΘ)/15°+12h]
地方时LMT计算方法如下：
LMT＝UT+λs/15°
得到满足观测条件的世界时UTSV计算方法如下：
UTSV∈[(αc-Δα-αΘ-λs)/15°+12h,(αc+Δα-αΘ-λs)/15°+12h]
其中αΘ为太阳矢量在地心固连坐标系下的经度，根据时间太阳经度的计算方法如下：
Figure FDA0003934411220000023
其中J为一年当中的天数，SGMT为计算时刻的恒星时。
5.根据权利要求1所述的深空探测器可见弧段计算方法，其特征在于，计算地面测站可见经度区间包括利用地面站可见条件及球面三角形关系，计算出可见经度宽度Δα；且利用地面测站的地心经纬度[αs,δs]，求该地面测站可见经度区间αsv∈[αs-Δα,αs+Δα]。
6.根据权利要求1所述的深空探测器可见弧段计算方法，其特征在于，计算地面测站可见时长和对应的时段包括：
利用地面测站可见经度宽度Δα，根据地球自转特点，计算出可见时长
Figure FDA0003934411220000031
且通过太阳矢量在地固坐标系经度αΘ和探测器在地心固连坐标系下的矢量经度αc关系，计算出地面测站可见时长对应的可见地方时：
LMTV∈[(αc-Δα-αΘ)/15°+12h,(αc+Δα-αΘ)/15°+12h]；
或者根据地面测站所在时区对应的经度λs，计算出地面测站可见时长对应的可见世界时：UTSV∈[(αc-Δα-αΘ-λs)/15°+12h,(αc+Δα-αΘ-λs)/15°+12h]。
7.一种深空探测器可见弧段计算系统，其特征在于，包括如下模块：
矢量计算模块：根据地面测站和探测器运动轨迹，计算探测器相对地面测站的矢量；
可见经度计算模块：计算地面测站可见经度区间；
可见时长及时段计算模块：计算地面测站可见时长和对应的时段；
矢量计算模块包括：
根据地面测站的地心经纬度为[αs,δs]，计算地面测站相对地心的位置矢量为
Figure FDA0003934411220000032
由探测器轨道参数或星历计算出探测器相对地心的位置矢量为
Figure FDA0003934411220000033
探测器相对测站的位置矢量为
Figure FDA0003934411220000034
且
Figure FDA0003934411220000035
则有
Figure FDA0003934411220000036
计算出探测器
Figure FDA0003934411220000037
在地心赤道坐标系下的赤经赤纬[λc,βc]，δc≈βc；
根据时间计算出恒星时SGMT，求得探测器
Figure FDA0003934411220000038
在地心固连坐标系下的矢量经纬度[αc,δc]；
利用地面测站可见经度宽度Δα，根据地球自转特点，计算出可见时长；且通过太阳矢量在地固坐标系经度αΘ和探测器在地心固连坐标系下的矢量经度αc关系，计算出地面测站可见时长对应的可见地方时；或者根据地面测站所在时区对应的经度λs，计算出地面测站可见时长对应的可见世界时。
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