CN113074717B - 获取科学卫星观测指向的方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种获取科学卫星观测指向的方法，包括：操作S1：依据卫星本体坐标系定义，确认卫星载荷视场方向；操作S2：基于卫星姿态四元数，计算卫星姿态旋转矩阵；操作S3：计算卫星当前观测指向在天球上投影点的坐标；以及操作S4：计算卫星当前观测指向在天球上投影点的赤经、赤纬。能够缓解现有技术中无法准确地获取科学卫星观测指向等技术问题。

Description

获取科学卫星观测指向的方法

技术领域

本公开涉及卫星数据处理技术领域，尤其涉及一种获取科学卫星观测指向的方法。

背景技术

对地观测卫星的观测目标为地球，其观测指向为卫星星下点及其附近区域。基于卫星姿态数据、轨道数据，计算对地观测卫星观测指向已经是一个成熟的领域。如专利“一种航天器对地表定向目标姿态角计算方法”(申请公布号CN 108427427A)提出了一种基于地球椭球体模型、卫星姿轨数据，计算卫星对地球表面定向目标姿态角的方法。

区别于传统的对地观测卫星，科学卫星的观测对象一般为宇宙中遥远的天体目标、宇宙粒子辐射等，卫星姿态模式通常采用对日定向、惯性空间定向等方式。如图1所示，空间科学领域一般采用天球坐标系描述其观测目标位置。天球是一个假想的球体，理论上半径任意大小，天球坐标系原点为天球球心，通常为地球质心。在宇宙大尺度体系中，与卫星到宇宙目标之间的距离相比，卫星与地球之间的距离可以忽略，进而将卫星与地球看作一个整体。因此，科学卫星观测指向为天球球心到观测方向在天球上的投影点的矢量，与卫星轨道位置无关，仅与卫星姿态密切相关。因此，传统的对地观测卫星指向计算方法不适用于计算科学卫星的观测指向。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种基于姿态四元数获取科学卫星观测指向的方法，以解决现有技术中无法准确地获取科学卫星观测指向的技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种获取科学卫星观测指向的方法，包括：

操作S1：依据卫星本体坐标系定义，确认卫星载荷视场方向；

操作S2：基于卫星姿态四元数，计算卫星姿态旋转矩阵；

操作S3：计算卫星当前观测指向在天球上投影点的坐标；以及

操作S4：计算卫星当前观测指向在天球上投影点的赤经、赤纬。

在本公开实施例中，定义卫星本体坐标系原点为O，X轴垂直于星箭分离面、指向载荷视场方向；Y轴指向太阳翼展开方向；Z轴按右旋正交系与X轴、Y轴组成的平面垂直。

在本公开实施例中，所述姿态四元数表达为(q0，q1，q2，q3)，其中，q0为姿态四元数的实部，q1、q2、q3为姿态四元数的虚部，满足范数为1。

在本公开实施例中，所述姿态旋转矩阵表示的是卫星本体坐标系与赤道地心惯性坐标系重合的初始姿态到当前姿态的转换关系，姿态旋转矩阵P为：

在本公开实施例中，操作S2中，针对星敏坐标系与卫星本体坐标系不同轴、姿态旋转矩阵以星敏坐标系为基准的情况，先完成卫星本体坐标系到星敏坐标系的转换，再完成到天球坐标系的姿态旋转转换。

在本公开实施例中，设定卫星初始姿态为与赤道地心惯性坐标系重合，其视场方向在天球上的投影点为A₀点；基于姿态四元数进行姿态旋转之后，在天球上的投影点为A点，则A点在赤道地心惯性坐标系中的坐标为：

A＝PA₀。

在本公开实施例中，由姿态旋转矩阵P计算A点坐标，公式如下：

其中，(x，y，z)为A点在赤道地心惯性坐标系中的坐标值，(x₀，y₀，z₀)为A₀点坐标值。

在本公开实施例中，基于天球半径任意大小的特征，通过归一化处理将卫星初始视场方向向量OA₀转化为单位向量，即A₀点坐标值为(1，0，0)，因此，卫星当前观测指向在天球上投影点的坐标值A(x，y，z)为：

在本公开实施例中，操作S4中，根据三角函数变换，可得：

其中，ψ，θ分别为卫星当前观测指向天球投影点的赤经、赤纬；PI为圆周率。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开获取科学卫星观测指向的方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)所需数据类型简单；

(2)避免了多次迭代等复杂计算，计算量小；

(3)能够满足科学卫星观测过程可视化表达与分析的应用需求。

附图说明

图1为天球坐标系描述科学卫星观测目标位置的原理示意图。

图2为本公开实施例定义的卫星本体坐标系的示意图。

图3为本公开实施例的科学卫星当前观测指向在天球上投影点的坐标示意图。

图4为本公开实施例的科学卫星当前观测指向在天球上投影点的赤经、赤纬示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种获取科学卫星观测指向的方法，基于卫星姿态四元数，通过卫星本体坐标系、天球坐标系的坐标变换，获取科学卫星观测指向的天区位置，为科学卫星观测过程可视化表达与分析提供支撑。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种获取科学卫星观测指向的方法，结合图2至图4所示，所述方法，包括：

操作S1：依据卫星本体坐标系定义，确认卫星载荷视场方向；

在本公开实施例中，如图2所示，定义卫星本体坐标系原点为O，X轴垂直于星箭分离面、指向载荷视场方向；Y轴指向太阳翼展开方向；Z轴按右旋正交系与X轴、Y轴组成的平面垂直。

操作S2：基于卫星姿态四元数，计算卫星姿态旋转矩阵；

姿态四元数是惯性导航技术中常用的数学工具，是一个超复数。姿态四元数表达为(q0，q1，q2，q3)，其中，q0为姿态四元数的实部，q1、q2、q3为姿态四元数的虚部，满足范数为1。那么卫星从初始姿态向当前姿态转换的旋转矩阵P为：

在本公开实施例中，姿态控制系统测量的是与卫星本体坐标系同轴的主星敏坐标系相对于赤道地心惯性坐标系的姿态偏离情况。因此，姿态旋转矩阵表示的是卫星本体坐标系与赤道地心惯性坐标系重合的初始姿态到当前姿态的转换关系。

针对卫星姿态控制系统星敏坐标系与卫星本体坐标系不同轴、姿态旋转矩阵以星敏坐标系为基准的情况，需要先完成卫星本体坐标系到星敏坐标系的转换，然后再用上述步骤完成到天球坐标系的转换。

操作S3：计算卫星当前观测指向在天球上投影点的坐标；

在本公开实施例中，卫星初始姿态为卫星本体坐标系与赤道地心惯性坐标系重合，如图3所示，其视场方向在天球上的投影点为A₀点；按照当前姿态四元数旋转之后，在天球上的投影点为A点，则A点在赤道地心惯性坐标系中的坐标为：

A＝PA₀；

由姿态旋转矩阵计算A点坐标，公式如下：

其中，(x，y，z)为A点在赤道地心惯性坐标系中的坐标值，(x0，y0，z0)为A₀点坐标值。

基于天球半径任意大小的特征，通过归一化处理将卫星初始方向向量OA₀转化为单位向量，即A₀点坐标值为(1，0，0)，因此，A点坐标值为：

以上为卫星当前观测指向在天球上投影点的坐标值A(x，y，z)。

针对卫星姿态控制系统参考坐标系为黄道坐标系等其他天球坐标系的情况，上述步骤计算结果为对应天球坐标系下的坐标值，可以直接采用对应的天球坐标系坐标值，也可以通过坐标系统转换的方式得到赤道地心惯性坐标系坐标值。

操作S4：计算卫星当前观测指向在天球上投影点的赤经、赤纬。

按照空间天文的惯例，在赤道地心惯性坐标系中，宇宙目标的位置通常用赤经、赤纬表示。赤道地心惯性坐标系原点为地球质心，主点为春分点。从春分点起沿天赤道逆时针向量到天球上一点的赤经圈与天赤道交点的弧长为经向坐标，称为赤经，对应图4中的角度ψ。与天赤道平行的小圆称为赤纬圈，赤纬在赤道以北为正，以南为负，对应图4中的角度θ。

根据三角函数变换，可得：

其中，ψ，θ分别为卫星当前观测指向天球投影点的赤经、赤纬；PI为圆周率。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开获取科学卫星观测指向的方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种获取科学卫星观测指向的方法，针对科学卫星观测指向计算问题，采用姿态四元数对应的姿态旋转矩阵，推导建立了科学卫星本体坐标系到天球坐标系的转换关系，实现了姿态四元数旋转矩阵在科学卫星观测指向计算问题中的应用。针对科学卫星对天观测的特点，根据“地球-卫星-宇宙空间”的几何位置关系，提出了上述获取科学卫星观测指向的方法，与传统的对地观测卫星指向计算方法相比，该方法所需的输入数据类型简单，仅基于姿态四元数即可完成；并且，该方法避免了多次迭代等复杂计算，运算量小；能够满足科学卫星观测过程可视化表达与分析的应用需求。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种获取科学卫星观测指向的方法，包括：

操作S1：依据卫星本体坐标系定义，确认卫星载荷视场方向；

操作S2：基于卫星姿态四元数，计算卫星姿态旋转矩阵；

操作S3：计算卫星当前观测指向在天球上投影点的坐标；以及

操作S4：计算卫星当前观测指向在天球上投影点的赤经、赤纬；

操作S1中，定义卫星本体坐标系原点为O，X轴垂直于星箭分离面、指向载荷视场方向；Y轴指向太阳翼展开方向；Z轴按右旋正交系与X轴、Y轴组成的平面垂直；

操作S2中，卫星姿态四元数表达为(q0，q1，q2，q3)，其中，q0为姿态四元数的实部，q1、q2、q3为姿态四元数的虚部，满足范数为1，姿态旋转矩阵表示的是卫星本体坐标系与赤道地心惯性坐标系重合的初始姿态到当前姿态的转换关系，姿态旋转矩阵P为：

操作S3中，设定卫星初始姿态为与赤道地心惯性坐标系重合，其视场方向在天球上的投影点为A₀点；基于姿态四元数进行姿态旋转之后，在天球上的投影点为A点，则A点在赤道地心惯性坐标系中的坐标为：

A＝PA₀；由姿态旋转矩阵P计算A点坐标，公式如下：

其中，(x，y，z)为A点在赤道地心惯性坐标系中的坐标值，(x₀，y₀，z₀)为A₀点坐标值；

操作S4中，根据三角函数变换，可得投影点的赤经ψ、赤纬θ：

其中，ψ，θ分别为卫星当前观测指向天球投影点的赤经、赤纬；PI为圆周率。

2.根据权利要求1所述的获取科学卫星观测指向的方法，操作S2中，针对星敏坐标系与卫星本体坐标系不同轴、姿态旋转矩阵以星敏坐标系为基准的情况，先完成卫星本体坐标系到星敏坐标系的转换，再完成到天球坐标系的姿态旋转转换。

3.根据权利要求1所述的获取科学卫星观测指向的方法，基于天球半径任意大小的特征，通过归一化处理将卫星初始视场方向向量OA₀转化为单位向量，即A₀点坐标值为(1，0，0)，因此，卫星当前观测指向在天球上投影点的坐标值A(x，y，z)为：

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