CN113091728B - 卫星对地面多目标访问窗口的获取方法及系统 - Google Patents

卫星对地面多目标访问窗口的获取方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种卫星对地面多目标访问窗口的获取方法及系统，包括如下步骤：目标位置转化步骤：目标地理经纬度转化地固系位置；地固坐标的距离矢量分量计算步骤：计算卫星与目标点的距离矢量在地固坐标系下的分量；载荷坐标的距离矢量分量计算步骤：计算卫星与目标点的距离矢量在载荷坐标系下的分量；目标访问窗口计算步骤：计算卫星对目标访问窗口。本发明提供了卫星对地面多目标访问窗口的获取方法，解决卫星对地面多目标的访问窗口的计算问题。提出一种仿真地面多目标成像过程的方法，通过多轮计算确定卫星对地面多目标的访问窗口。能够有效地仿真区域多目标的探测能力，解决卫星载荷视场、工作模式和区域多目标探测能力的匹配问题。

Description

卫星对地面多目标访问窗口的获取方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星姿态与轨道控制领域，具体地，涉及一种卫星对地面多目标访问窗口的获取方法及系统。
背景技术
随着遥感卫星领域的快速发展，当前空间对地遥感任务正在由广域战略普查型向特定区域方向战术详查型发展，要求卫星对地面多个关注的地点，具有快速判断访问窗口的能力。为了得到星上成像机构的开关机时间，必须结合卫星的载荷视场、工作模式、区域目标分布等预先计算卫星对地面多目标的访问窗口。
专利“基于地面目标点位置的卫星姿态角的计算方法”(专利号：CN106197434A)公开了一种根据地面目标点与在轨卫星的相对位置，计算卫星对目标点观测时卫星姿态旋转角的方法。该方法的对地观测计算局限于整星层面，没有考虑成像机构的具体参数，本发明优势在于考虑了成像载荷在星上的安装位置和误差，以及载荷的视场和对应的工作模式，对地面目标点的可见性仿真计算更接近实际情况，实用价值更强。
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卫星对地面多目标访问窗口的获取方法及系统。
根据本发明提供的一种卫星对地面多目标访问窗口的获取方法，包括如下步骤：
目标位置转化步骤：目标地理经纬度转化地固系位置；
地固坐标的距离矢量分量计算步骤：计算卫星与目标点的距离矢量在地固坐标系下的分量；
载荷坐标的距离矢量分量计算步骤：计算卫星与目标点的距离矢量在载荷坐标系下的分量；
目标访问窗口计算步骤：计算卫星对目标访问窗口。
优选地，目标位置转化步骤包括：根据地球的参数，对区域的每一个目标进行目标地理经纬度到地固坐标系位置的转化。
优选地，地固坐标的距离矢量分量计算步骤包括：根据当前在地固坐标系下卫星的轨道参数，获取目标与卫星的距离矢量在地固坐标系下的分量。
优选地，载荷坐标的距离矢量分量计算步骤包括：结合当前时刻、载荷安装矩阵，计算地固坐标系转化到载荷坐标系下的矩阵，通过矩阵转换，获取目标与卫星的距离矢量在载荷坐标系下的分量。
优选地，目标访问窗口计算步骤包括：结合载荷的视场，判断目标是否在载荷视场，最终计算出目标的访问时间窗口。
根据本发明提供的一种卫星对地面多目标访问窗口的获取系统，包括如下模块：
目标位置转化模块：目标地理经纬度转化地固系位置；
地固坐标的距离矢量分量计算模块：计算卫星与目标点的距离矢量在地固坐标系下的分量；
载荷坐标的距离矢量分量计算模块：计算卫星与目标点的距离矢量在载荷坐标系下的分量；
目标访问窗口计算模块：计算卫星对目标访问窗口。
优选地，目标位置转化模块包括：根据地球的参数，对区域的每一个目标进行目标地理经纬度到地固坐标系位置的转化。
优选地，地固坐标的距离矢量分量计算模块包括：根据当前在地固坐标系下卫星的轨道参数，获取目标与卫星的距离矢量在地固坐标系下的分量。
优选地，载荷坐标的距离矢量分量计算模块包括：结合当前时刻、载荷安装矩阵，计算地固坐标系转化到载荷坐标系下的矩阵，通过矩阵转换，获取目标与卫星的距离矢量在载荷坐标系下的分量。
优选地，目标访问窗口计算模块包括：结合载荷的视场，判断目标是否在载荷视场，最终计算出目标的访问时间窗口。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供了卫星对地面多目标访问窗口的获取方法，解决卫星对地面多目标的访问窗口的计算问题。
2、本发明有效地仿真卫星对地面多目标的成像过程，解决卫星对地面多目标的访问窗口的计算问题。
3、本发明考虑了成像过程中诸多因素，提出一种仿真地面多目标成像过程的方法，通过多轮计算确定卫星对地面多目标的访问窗口。
4、本发明能够有效地仿真区域多目标的探测能力，解决卫星载荷视场、工作模式和区域多目标探测能力的匹配问题。
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是卫星对地面多目标访问窗口的获取方法的流程示意图。
图2是卫星对地表多目标的观测示意图。
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。
如图1和图2所示，根据本发明提供的一种卫星对地面多目标访问窗口的获取方法及系统，包括如下步骤：
步骤S111：目标地理经纬度转化地固系位置；
在计算目标地理位置时，考虑地球椭球面模型，地球椭球面模型采用如下公式：
Figure BDA0002972440320000031
其中，r为目标在地固系下的位置矢量，rx,ry,rz分别表示在地固系下的X方向、Y方向、Z方向的位置矢量，I为目标的地理经度，μ为目标的地理纬度，h为目标的水平地高，λs和rs由以下公式表示：
λs＝arc tan((1-f)2tanμ)
Figure BDA0002972440320000032
其中，f为地球椭率，数值为
Figure BDA0002972440320000033
R为地球赤道半径，数值为6378137米。
步骤S112：计算卫星与目标点的距离矢量在地固坐标系下的分量；
通过卫星上装载的GPS接收机获取的实时的卫星地固坐标系的轨道卫星rsat,计算卫星与与目标点的距离矢量在地固坐标系下的分量，公式如下：
dr1＝[dx1,dy1,dz1]＝rsat-r
步骤S113：计算卫星与目标点的距离矢量在载荷坐标系下的分量；
通过地固坐标系到载荷坐标系的矩阵变换，计算出卫星与目标点的距离矢量在载荷坐标系下的分量，公式如下：
dr2＝[dx2,dy2,dz2]＝CEF*dr1
根据卫星轨道参数，时刻信息，计算地固系至载荷坐标系的转化矩阵：
CEF＝Ca,O*CO,I*INV(C′I,EF*CI,EF)*C′I,EF
其中CI,EF为J2000地心惯性坐标系到地固坐标系的变换矩阵；C′I,EF为CI,EF的逆矩阵；INV为矩阵的伪逆函数；CO,I为J2000地心惯性坐标系到轨道坐标系的变换矩阵；Ca,O为轨道坐标系到卫星天线坐标系的变换矩阵。
计算在卫星天线坐标系下的距离矢量drb：
Figure BDA0002972440320000041
(1)J2000地心惯性坐标系到地固坐标系的变换矩阵CI,EF
从J2000地心惯性系到地固坐标系的坐标变换矩阵可以表示为：
CI,EF＝(EP)(ER)(NR)(PR)
其中，PR、NR和EP分别为岁差旋转矩阵、章动旋转矩阵和极移矩阵，ER为恒星时旋转矩阵。
岁差旋转矩阵PR按下式计算：
Figure BDA0002972440320000042
其中：ζ＝2306".2181×TJC，z＝2306".2181×TJC，
Figure BDA0002972440320000043
(需转换成弧度代入上式)。TJC为2000年1月1日起的儒略世纪时。
章动旋转矩阵NR按下式计算：
记黄经的章动为ΔΛ和黄赤交角的章动为Δε，则：
NR＝Rx(-Δε)Ry(ΔΛsinε)Rz(-ΔΛcosε)
Figure BDA0002972440320000051
Figure BDA0002972440320000052
Figure BDA0002972440320000053
其中，平黄赤交角ε为：ε＝0.409051012143961rad。
ΔΛ＝-17".200sinΩm
Δε＝9".202cosΩm
其中，Ωm＝125°.044555556-1934°.1361850*TJC。
恒星时旋转矩阵ER按下式计算：
Figure BDA0002972440320000054
其中
Figure BDA0002972440320000055
为格林威治平恒星时，计算公式如下：
Figure BDA0002972440320000056
其中，Δμ＝ΔΛcosε，
Figure BDA0002972440320000057
为格林威治平恒星时，计算公式如下：
Figure BDA0002972440320000058
(2)J2000地心惯性坐标系到轨道坐标系的变换矩阵CO,I
采用卫星的开普勒轨道根数法进行坐标变换，可以表示为
Figure BDA0002972440320000059
其中，Ω、i和u分别是轨道的升交点赤经、轨道倾角和升交角距；Rx(·)、Ry(·)和Rz(·)是分别绕x、y和z轴旋转一定角度所对应的坐标变换矩阵，其定义为：
Figure BDA0002972440320000061
Figure BDA0002972440320000062
Figure BDA0002972440320000063
(3)轨道坐标系到卫星天线坐标系的变换矩阵Ca,O
考虑到卫星的姿态由a系相对于轨道坐标系的转动来定义，a系是由轨道坐标系按xyz转序旋转
Figure BDA0002972440320000064
θ和ψ得到，则有
Figure BDA0002972440320000065
其中，
Figure BDA0002972440320000066
θ和ψ分别为滚动、俯仰和偏航姿态角。
步骤S114：计算卫星对目标访问窗口。
根据卫星与目标点的距离矢量在载荷坐标系下的分量计算出卫星观测目标的距离角α和方位角β，计算公式如下：
Figure BDA0002972440320000067
Figure BDA0002972440320000068
卫星的载荷视场范围为距离角[αmin,αmax]和方位角[βmin,βmax]，判断每一时刻的距离角α和方位角β均同时在载荷视场范围内，则认定卫星可以对目标访问，否则判定为对目标不可访问。
在所述步骤S111中：根据地球的参数，对区域的每一个目标进行目标地理经纬度到地固坐标系位置的转化。
在所述步骤S112中：根据当前在地固坐标系下卫星的轨道参数，获取目标与卫星的距离矢量在地固坐标系下的分量。
在所述步骤S113中：结合当前时刻、载荷安装矩阵，计算地固坐标系转化到载荷坐标系下的矩阵，通过矩阵转换，获取目标与卫星的距离矢量在载荷坐标系下的分量。
在所述步骤S114中：结合载荷的视场，判断目标是否在载荷视场，最终计算出目标的访问时间窗口。
本发明还提供一种卫星对地面多目标访问窗口的获取系统，包括如下模块：
目标位置转化模块：目标地理经纬度转化地固系位置；
地固坐标的距离矢量分量计算模块：计算卫星与目标点的距离矢量在地固坐标系下的分量；
载荷坐标的距离矢量分量计算模块：计算卫星与目标点的距离矢量在载荷坐标系下的分量；
目标访问窗口计算模块：计算卫星对目标访问窗口。
其中：目标位置转化模块包括：根据地球的参数，对区域的每一个目标进行目标地理经纬度到地固坐标系位置的转化。地固坐标的距离矢量分量计算模块包括：根据当前在地固坐标系下卫星的轨道参数，获取目标与卫星的距离矢量在地固坐标系下的分量。载荷坐标的距离矢量分量计算模块包括：结合当前时刻、载荷安装矩阵，计算地固坐标系转化到载荷坐标系下的矩阵，通过矩阵转换，获取目标与卫星的距离矢量在载荷坐标系下的分量。目标访问窗口计算模块包括：结合载荷的视场，判断目标是否在载荷视场，最终计算出目标的访问时间窗口。
利用本发明提供的方法及系统可以有效地仿真卫星对地面多目标的成像过程，解决卫星对地面多目标的访问窗口的计算问题。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。
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 (10)

1.一种卫星对地面多目标访问窗口的获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
目标位置转化步骤：目标地理经纬度转化地固系位置；
地固坐标的距离矢量分量计算步骤：计算卫星与目标点的距离矢量在地固坐标系下的分量；
载荷坐标的距离矢量分量计算步骤：计算卫星与目标点的距离矢量在载荷坐标系下的分量；
目标访问窗口计算步骤：计算卫星对目标访问窗口；
在计算目标地理位置时，考虑地球椭球面模型，地球椭球面模型采用如下公式：
Figure FDA0003944579320000011
其中，r为目标在地固系下的位置矢量，rx,ry,rz分别表示在地固系下的X方向、Y方向、Z方向的位置矢量，Ι为目标的地理经度，μ为目标的地理纬度，h为目标的水平地高，λs和rs由以下公式表示：
λs＝arctan((1-f)2tanμ)
Figure FDA0003944579320000012
其中，f为地球椭率，R为地球赤道半径；
通过卫星上装载的GPS接收机获取的实时的卫星地固坐标系的轨道卫星rsat,计算卫星与目标点的距离矢量在地固坐标系下的分量，公式如下：
dr1＝[dx1,dy1,dz1]＝rsat-r
通过地固坐标系到载荷坐标系的矩阵变换，计算出卫星与目标点的距离矢量在载荷坐标系下的分量，公式如下：
dr2＝[dx2,dy2,dz2]＝CEF*dr1
根据卫星轨道参数，时刻信息，计算地固系至载荷坐标系的转化矩阵：
CEF＝Ca,O*CO,I*INV(CI′,EF*CI,EF)*CI′,EF
其中CI,EF为J2000地心惯性坐标系到地固坐标系的变换矩阵；CI′,EF为CI,EF的逆矩阵；INV为矩阵的伪逆函数；CO,I为J2000地心惯性坐标系到轨道坐标系的变换矩阵；Ca,O为轨道坐标系到卫星天线坐标系的变换矩阵；
根据卫星与目标点的距离矢量在载荷坐标系下的分量计算出卫星观测目标的距离角α和方位角β，计算公式如下：
Figure FDA0003944579320000021
Figure FDA0003944579320000022
卫星的载荷视场范围为距离角[αmin,αmax]和方位角[βmin,βmax]，判断每一时刻的距离角α和方位角β均同时在载荷视场范围内，则认定卫星可以对目标访问，否则判定为对目标不可访问。
2.根据权利要求1所述的卫星对地面多目标访问窗口的获取方法，其特征在于，目标位置转化步骤包括：根据地球的参数，对区域的每一个目标进行目标地理经纬度到地固坐标系位置的转化。
3.根据权利要求1所述的卫星对地面多目标访问窗口的获取方法，其特征在于，地固坐标的距离矢量分量计算步骤包括：根据当前在地固坐标系下卫星的轨道参数，获取目标与卫星的距离矢量在地固坐标系下的分量。
4.根据权利要求1所述的卫星对地面多目标访问窗口的获取方法，其特征在于，载荷坐标的距离矢量分量计算步骤包括：结合当前时刻、载荷安装矩阵，计算地固坐标系转化到载荷坐标系下的矩阵，通过矩阵转换，获取目标与卫星的距离矢量在载荷坐标系下的分量。
5.根据权利要求1所述的卫星对地面多目标访问窗口的获取方法，其特征在于，目标访问窗口计算步骤包括：结合载荷的视场，判断目标是否在载荷视场，最终计算出目标的访问时间窗口。
6.一种卫星对地面多目标访问窗口的获取系统，其特征在于，包括如下模块：
目标位置转化模块：目标地理经纬度转化地固系位置；
地固坐标的距离矢量分量计算模块：计算卫星与目标点的距离矢量在地固坐标系下的分量；
载荷坐标的距离矢量分量计算模块：计算卫星与目标点的距离矢量在载荷坐标系下的分量；
目标访问窗口计算模块：计算卫星对目标访问窗口；
在计算目标地理位置时，考虑地球椭球面模型，地球椭球面模型采用如下公式：
Figure FDA0003944579320000031
其中，r为目标在地固系下的位置矢量，rx,ry,rz分别表示在地固系下的X方向、Y方向、Z方向的位置矢量，Ι为目标的地理经度，μ为目标的地理纬度，h为目标的水平地高，λs和rs由以下公式表示：
λs＝arctan((1-f)2tanμ)
Figure FDA0003944579320000032
其中，f为地球椭率，R为地球赤道半径；
通过卫星上装载的GPS接收机获取的实时的卫星地固坐标系的轨道卫星rsat,计算卫星与目标点的距离矢量在地固坐标系下的分量，公式如下：
dr1＝[dx1,dy1,dz1]＝rsat-r
通过地固坐标系到载荷坐标系的矩阵变换，计算出卫星与目标点的距离矢量在载荷坐标系下的分量，公式如下：
dr2＝[dx2,dy2,dz2]＝CEF*dr1
根据卫星轨道参数，时刻信息，计算地固系至载荷坐标系的转化矩阵：
CEF＝Ca,O*CO,I*INV(CI′,EF*CI,EF)*CI′,EF
其中CI,EF为J2000地心惯性坐标系到地固坐标系的变换矩阵；CI′,EF为CI,EF的逆矩阵；INV为矩阵的伪逆函数；CO,I为J2000地心惯性坐标系到轨道坐标系的变换矩阵；Ca,O为轨道坐标系到卫星天线坐标系的变换矩阵；
根据卫星与目标点的距离矢量在载荷坐标系下的分量计算出卫星观测目标的距离角α和方位角β，计算公式如下：
Figure FDA0003944579320000033
Figure FDA0003944579320000034
卫星的载荷视场范围为距离角[αmin,αmax]和方位角[βmin,βmax]，判断每一时刻的距离角α和方位角β均同时在载荷视场范围内，则认定卫星可以对目标访问，否则判定为对目标不可访问。
7.根据权利要求6所述的卫星对地面多目标访问窗口的获取系统，其特征在于，目标位置转化模块包括：根据地球的参数，对区域的每一个目标进行目标地理经纬度到地固坐标系位置的转化。
8.根据权利要求6所述的卫星对地面多目标访问窗口的获取系统，其特征在于，地固坐标的距离矢量分量计算模块包括：根据当前在地固坐标系下卫星的轨道参数，获取目标与卫星的距离矢量在地固坐标系下的分量。
9.根据权利要求6所述的卫星对地面多目标访问窗口的获取系统，其特征在于，载荷坐标的距离矢量分量计算模块包括：结合当前时刻、载荷安装矩阵，计算地固坐标系转化到载荷坐标系下的矩阵，通过矩阵转换，获取目标与卫星的距离矢量在载荷坐标系下的分量。
10.根据权利要求6所述的卫星对地面多目标访问窗口的获取系统，其特征在于，目标访问窗口计算模块包括：结合载荷的视场，判断目标是否在载荷视场，最终计算出目标的访问时间窗口。
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