CN113486447B - 一种星间日凌时间预测方法、装置及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及卫星应用技术领域,具体为一种星间日凌时间预测方法、装置及电子设备;所述方法包括输入卫星的轨道六根数及其测量时间,基于开普勒定律和二体力学模型求解出各卫星在地心赤道坐标系下的位置矢量;根据太阳的赤经和赤纬计算出太阳在地心赤道坐标系下的位置矢量;根据各卫星位置矢量计算出信号接收卫星指向信号发送卫星的相对位置矢量;根据太阳位置矢量和信号接收卫星位置矢量计算信号接收卫星指向太阳的相对位置矢量;计算相对位置矢量之间的夹角,当夹角小于星上激光通信终端接收系统视场角时,该夹角为日凌角度,其对应的时刻为日凌时间;本发明能为星上通信系统提供可靠的日凌预测时间。
Description
技术领域
本发明涉及卫星应用技术领域,具体为一种星间日凌时间预测方法、装置及电子设备。
背景技术
卫星通信具有覆盖广、建网速度快和不受距离限制等优点,在当今这个高速发展的信息时代,卫星通信具有不可替代的作用。为实现全球覆盖,星网由数量庞大的卫星构成,每颗卫星搭载数个激光通信终端,从而实现数据信息的全球不间断获取和转发。
将激光束作为载波,在链路的瞄准、捕获和跟踪过程中,对信标光的捕获识别尤为重要。目前已有的大多数光通信终端基于CCD探测成像的这种探测机制容易受到太空中背景噪声的影响。在背景噪声中,太阳和恒星的背景光是背景噪声的主要来源。
在星间激光链路保持过程中,可能会遭遇日光入射激光通信终端和太阳背景噪声的干扰,轻则导致光探测器噪声过大或过饱和,致使终端跟踪精度下降、跟踪目标脱靶和通信误码率上升;严重则导致光探测器损坏;即激光通信终端日凌现象。太阳背景光对卫星通信系统的稳定性影响很大,为确保通信系统的正常运行,卫星通信终端要提前进行日凌规避,日凌时间的提前预测以及仿真验证具有重要意义。
发明内容
基于现有技术存在问题,本发明提出了一种星间日凌时间预测方法、装置及电子设备,本发明可以在星上资源有限的前提下,将卫星轨道运行数据以及日凌数据提前由地面注入轨道,同时,基于USAP平台对日凌时间的进行仿真验证,并将验证结果反馈,能够增强本发明所预测出的日凌时间的准确性和可靠性。
在本发明的第一方面,本发明提供了一种星间日凌时间预测方法,所述方法包括:
输入卫星的轨道六根数及其测量时间,基于开普勒定律和二体力学模型求解出各卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量;
根据太阳的赤经和赤纬计算出太阳在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量;
根据各卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量,计算出信号接收卫星指向信号发送卫星在每一时刻的相对位置矢量;
根据太阳在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量和信号接收卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量,计算出信号接收卫星在每一时刻指向太阳的相对位置矢量;
计算出两个相对位置矢量之间的夹角,即得到太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角;
当太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角小于星上激光通信终端接收系统视场角时,该夹角为星间激光链路的日凌角度,其对应的时刻为日凌时间。
优选的,还包括在USAP平台搭建出链路卫星通信场景,在该通信场景中插入太阳、信号发送卫星和信号接收卫星;其中每个卫星上搭载有传感器;在所述USAP平台中输入卫星的轨道六根数及其测量时间,以及传感器角度指向参数;基于所述传感器角度指向参数对信号接收卫星的传感器进行调整,并得到信号接收卫星的对日可见性报告;导出所述对日可见性报告在每一时刻的角度变化关系,将所述日凌角度与所述角度变化关系进行对比,输出两者中相似度最高的日凌角度作为优化预测出的日凌角度,并确定其对应的时刻作为优化预测后的日凌时间。
在本发明的第二方面,本发明提供了一种星间日凌时间预测方法装置,所述装置包括:
卫星数据采集模块,用于采集卫星的轨道六根数及其测量时间;
第一计算模块,用于根据开普勒定律和二体力学模型求解出各卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量;
第二计算模块,用于根据太阳的赤经和赤纬计算出太阳在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量;
第三计算模块,用于根据各卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量,计算出信号接收卫星指向信号发送卫星在每一时刻的相对位置矢量;
第四计算模块,用于根据太阳在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量和信号接收卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量,计算出信号接收卫星在每一时刻指向太阳的相对位置矢量;
第五计算模块,用于计算出两个相对位置矢量之间的夹角,即得到太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角;
日凌角度判断模块,用于判断太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角与星上激光通信终端接收系统视场角的大小;
日凌时间预测模块,预测出该夹角小于星上激光通信终端接收系统视场角时,该夹角对应的时刻为日凌时间。
在本发明的第三方面,本发明还提供了一种电子设备,包括:
一个或多个处理器;
存储器,用于存储一个或多个程序;
当所述一个或多个程序或所述一个或多个处理器执行,使得所述一个或多个处理器实现如本发明第一方面所述的一种星间日凌时间预测方法。
本发明的有益效果:
本发明能为星上通信系统提供可靠的日凌预测时间,在星上资源有限的前提下,将卫星轨道运行数据以及日凌数据提前由地面计算好并注入轨道。将预测出的日凌时间与USAP平台的仿真分析结果互为印证,并用仿真分析结果优化预测出的日凌时间,从而能够为后续开展星间链路的通信工作提供有力保障,具有很强的实用价值。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种星间日凌时间预测方法流程图;
图2是本发明实施例中的指向矢量与夹角示意图;
图3是本发明优选实施例中的一种星间日凌时间预测方法流程图;
图4是本发明实施例中的USAP平台的仿真结果图;
图5是本发明实施例中一种星间日凌时间预测方法装置架构图;
图6是本发明实施例中的一种电子设备结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例中的一种星间日凌时间预测方法流程图,如图1所示,所述方法包括:
101、输入卫星的轨道六根数及其测量时间,基于开普勒定律和二体力学模型求解出各卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量;
在本发明实施例中,所述轨道六根数包括:轨道半长轴a,椭圆轨道偏心率e,近地点幅角ω,轨道倾角i,升交点赤经和平近点角M。
本发明中,将卫星与卫星之间的运动以及太阳与卫星之间的运动设置为二体模型,并基于开普勒定律进行运动,基于上述前提下:
设卫星s1和卫星s2轨道高度相同和升交点赤经相同,真近点角相差一定角度。真近点角之差决定了信号接收卫星s1和信号发射卫星s2在运动过程中将保持一定的相位角。卫星s1和卫星s2的极坐标方程为:
其中,
式中,a,e,i,Ω,ω,f分别为轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角和真近点角。E为偏近点角,M为平近点角。平近点角M为时间的函数,与卫星运动的平均角度率有关。
将卫星运行轨道默认为近圆轨道,所述卫星具有相同的轨道倾角和轨道高度,平近点角M为时间的函数,所述t时刻的卫星平近点角M的表达式为:
M=n(t-τ)
其中,τ为卫星过拱点时刻,n为卫星运动平均角速率。为简化计算,本发明默认卫星过拱点时刻为0。
在二体模型中,不考虑修正项,则卫星运动的平均角速率仅与地球质量和轨道高度有关。卫星的位置坐标与偏近点角E有关,偏近点角E与平近点角M的关系式为:E-esinE=M;通过牛顿迭代法计算求解偏近点角E。将卫星轨道半长轴、偏心率e、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角和偏近点角数据代入卫星在地心赤道坐标系下的极坐标方程,即可得到卫星在每一时刻下的位置矢量。
102、根据太阳的赤经和赤纬计算出太阳在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量;
太阳在地心赤道坐标系中的位置矢量与每一时刻的太阳赤经和赤纬有关,先计算出太阳在每一时刻下的赤经和赤纬,将赤经、赤纬和日地平均距离的数值代入太阳在地心赤道坐标系下的位置矢量方程中,即可得到太阳在每一时刻的位置坐标;太阳在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量公式为:
103、根据各卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量,计算出信号接收卫星指向信号发送卫星在每一时刻的相对位置矢量;
考虑到太阳光线对信号接收卫星的干扰,在星间链路的动态分析过程中,将建立链路的两颗卫星记为卫星s1和卫星s2,并设光信号由卫星s2传输至卫星s1。忽略瞄准误差时,可近似认为卫星s2与卫星s1的连线矢量与卫星s1的天线矢量平行。将信号接收卫星s1作为矢量的出发点,计算指向矢量。分别计算信号接收卫星指向信号发送卫星的矢量,
104、根据太阳在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量和信号接收卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量,计算出信号接收卫星在每一时刻指向太阳的相对位置矢量;
105、计算出两个相对位置矢量之间的夹角,即得到太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角θ;
计算所得的两个矢量之间的夹角θ如图2所示,可看作太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角,这个角度等效条件是基于近似认为卫星s2与卫星s1的连线矢量与卫星s1的天线矢量平行。
106、当太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角小于星上激光通信终端接收系统视场角时,该夹角为星间激光链路的日凌角度,其对应的时刻为日凌时间。
在上述过程中已经计算了每一时刻的夹角,通过判断夹角与星上激光通信终端接收系统视场角的关系,能够确定该夹角即为日凌角度,从而确定该日凌角度所对应的时刻即为日凌时间。
图3是本发明优选实施例中的一种星间日凌时间预测方法流程图,如图3所示,所述方法包括:
201、输入卫星的轨道六根数及其测量时间,基于开普勒定律和二体力学模型求解出各卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量;
202、根据太阳的赤经和赤纬计算出太阳在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量;
203、根据各卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量,计算出信号接收卫星指向信号发送卫星在每一时刻的相对位置矢量;
204、根据太阳在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量和信号接收卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量,计算出信号接收卫星在每一时刻指向太阳的相对位置矢量;
205、计算出两个相对位置矢量之间的夹角,即得到太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角;
206、当太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角小于星上激光通信终端接收系统视场角时,该夹角为星间激光链路的日凌角度,其对应的时刻为日凌时间;
207、在USAP平台中输入卫星的轨道六根数及其测量时间,导出得到信号接收卫星的对日可见性报告,得到每一时刻的角度变化关系;根据该角度变化关系优化预测步骤206的日凌时间。
具体的,USAP软件是一款由北京中电普信有限公司开发的用于航天产业设计和分析的工具软件,具有强大的数据分析和仿真能力,提供逼真的二维和三维显示图景,与美国的卫星仿真工具包(STK)具有相似的功能和用途。
在本发明的优选实施例中,本发明在USAP平台搭建出链路卫星通信场景,在该通信场景中插入太阳、信号发送卫星和信号接收卫星;其中每个卫星上搭载有传感器;在所述USAP平台中设置卫星的初始轨道运行参数和仿真时间,以及传感器指向类型和张角等,传感器的指向类型设置为“targeted”,即设置信号接收卫星的传感器固定指向信号发送卫星,以此来模拟星上两个卫星终端之间相互对准的过程,传感器张角设置为日凌规避角度;在终端彼此对准的过程中,将信号接收卫星的传感器建立对日指向,以此来模拟通信过程中太阳光的入射情况,可得到信号接收卫星的对日可见性报告;当太阳光入射角度小于传感器张角,即意味着太阳光入射通信终端,对通信产生干扰,此时平台将导出一组时间,此时间为日凌时间,将平台输出的仿真时间与通过步骤101~106或者步骤201~206计算得到的时间进行对比,若结果一致,输出对应的日凌时间即为最终的预测日凌时间。
图4是本发明实施例中的USAP平台的仿真结果与通过步骤101~106或者步骤201~206计算得到的日凌在每一时刻下的角度变化的对比关系图,图4的上方为从USAP平台导出的日凌时间,图4的下方为用步骤101~106或者步骤201~206计算得到的在每一时刻下太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角。从图4中可以看到,从步骤101~106或者步骤201~206计算中得到的当夹角小于日凌角度时会输出一个时间段,此时间段正好对应USAP平台输出的日凌时间。
图5是本发明实施例中一种星间日凌时间预测方法装置架构图,如图5所示,所述装置包括:
301、卫星数据采集模块,用于采集卫星的轨道六根数及其测量时间;
302、第一计算模块,用于根据开普勒定律和二体力学模型求解出各卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量;
303、第二计算模块,用于根据太阳的赤经和赤纬计算出太阳在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量;
304、第三计算模块,用于根据各卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量,计算出信号接收卫星指向信号发送卫星在每一时刻的相对位置矢量;
305、第四计算模块,用于根据太阳在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量和信号接收卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量,计算出信号接收卫星在每一时刻指向太阳的相对位置矢量;
306、第五计算模块,用于计算出两个相对位置矢量之间的夹角,即得到太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角;
307、日凌角度判断模块,用于判断太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角与星上激光通信终端接收系统视场角的大小;
308、日凌时间预测模块,预测出该夹角小于星上激光通信终端接收系统视场角时,该夹角对应的时刻为日凌时间。
图6是本发明实施例中的一种电子设备结构图,如图6所示,所述电子设备包括:
存储器403和处理器401,存储器403与处理器401之间通过总线302连接;该存储器403中存储有计算机程序,该处理器401被设置为通过计算机程序执行上述任一项方法实施例中的步骤。
可选地,在本实施例中,上述电子设备可以位于计算机网络的多个网络设备中的至少一个网络设备。
可选地,在本实施例中,上述处理器可以被设置为通过计算机程序执行以下步骤:
输入卫星的轨道六根数及其测量时间,基于开普勒定律和二体力学模型求解出各卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量;
根据太阳的赤经和赤纬计算出太阳在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量;
根据各卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量,计算出信号接收卫星指向信号发送卫星在每一时刻的相对位置矢量;
根据太阳在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量和信号接收卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量,计算出信号接收卫星在每一时刻指向太阳的相对位置矢量;
计算出两个相对位置矢量之间的夹角,即得到太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角;
当太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角小于星上激光通信终端接收系统视场角时,该夹角为星间激光链路的日凌角度,其对应的时刻为日凌时间。
可选地,本领域普通技术人员可以理解,图6所示的结构仅为示意,电子设备也可以是智能手机(如Android手机、iOS手机等)、平板电脑、掌上电脑以及移动互联网设备(Mobile Internet Devices,MID)、PAD等终端设备。图6其并不对上述电子装置电子设备的结构造成限定。例如,电子设备还可包括比图6中所示更多或者更少的组件(如网络接口等),或者具有与图6所示不同的配置。
其中,存储器403可用于存储软件程序以及模块,如本发明实施例中的星间日凌时间预测方法和装置对应的程序指令/模块,处理器401通过运行存储在存储器403内的软件程序以及模块,从而执行各种功能应用以及数据处理,即实现上述的星间日凌时间预测方法。存储器403可包括高速随机存储器,还可以包括非易失性存储器,如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中,存储器403可进一步包括相对于处理器401远程设置的存储器,这些远程存储器可以通过网络连接至终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。其中,存储器403具体可以但不限于用于一种星间日凌时间预测方法中卫星的轨道六根数及其测量时间等信息。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”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发明和简化描述,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发明的限制。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种星间日凌时间预测方法,其特征在于,其基于USAP平台,所述方法包括:
输入卫星的轨道六根数及其测量时间,基于开普勒定律和二体力学模型求解出各卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量;
根据太阳的赤经和赤纬计算出太阳在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量;
根据各卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量,计算出信号接收卫星指向信号发送卫星在每一时刻的相对位置矢量;
根据太阳在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量和信号接收卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量,计算出信号接收卫星在每一时刻指向太阳的相对位置矢量;
计算出两个相对位置矢量之间的夹角,即得到太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角;
当太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角小于星上激光通信终端接收系统视场角时,该夹角为星间激光链路的日凌角度,其对应的时刻为日凌时间;
在USAP平台搭建出链路卫星通信场景,在该通信场景中插入太阳、信号发送卫星和信号接收卫星;其中每个卫星上搭载有传感器;在所述USAP平台中输入卫星的轨道六根数及其测量时间,以及传感器角度指向类型和张角;传感器的指向类型设置为“targeted”,即设置信号接收卫星的传感器固定指向信号发送卫星,以此来模拟星上两个卫星终端之间相互对准的过程,传感器张角设置为日凌规避角度;基于所述传感器角度指向张角对信号接收卫星的传感器进行调整,当太阳光入射角度小于传感器张角,所述USAP平台将导出一组时间,并得到信号接收卫星的对日可见性报告;导出所述对日可见性报告在每一时刻的角度变化关系,将所述日凌角度与所述角度变化关系进行对比,输出两者中相似度最高的日凌角度作为优化预测出的日凌角度,并确定其对应的时刻作为优化预测后的日凌时间。
6.一种星间日凌时间预测方法装置,其特征在于,其基于USAP平台,所述装置包括:
卫星数据采集模块,用于采集卫星的轨道六根数及其测量时间;
第一计算模块,用于根据开普勒定律和二体力学模型求解出各卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量;
第二计算模块,用于根据太阳的赤经和赤纬计算出太阳在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量;
第三计算模块,用于根据各卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量,计算出信号接收卫星指向信号发送卫星在每一时刻的相对位置矢量;
第四计算模块,用于根据太阳在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量和信号接收卫星在地心赤道坐标系下每一时刻的位置矢量,计算出信号接收卫星在每一时刻指向太阳的相对位置矢量;
第五计算模块,用于计算出两个相对位置矢量之间的夹角,即得到太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角;
日凌角度判断模块,用于判断太阳入射光线与信号接收卫星天线中心轴的夹角与星上激光通信终端接收系统视场角的大小;
日凌时间预测模块,预测出该夹角小于星上激光通信终端接收系统视场角时,该夹角对应的时刻为日凌时间;
在USAP平台搭建出链路卫星通信场景,在该通信场景中插入太阳、信号发送卫星和信号接收卫星;其中每个卫星上搭载有传感器;在所述USAP平台中输入卫星的轨道六根数及其测量时间,以及传感器角度指向类型和张角;传感器的指向类型设置为“targeted”,即设置信号接收卫星的传感器固定指向信号发送卫星,以此来模拟星上两个卫星终端之间相互对准的过程,传感器张角设置为日凌规避角度;基于所述传感器角度指向张角对信号接收卫星的传感器进行调整,当太阳光入射角度小于传感器张角,所述USAP平台将导出一组时间,并得到信号接收卫星的对日可见性报告;导出所述对日可见性报告在每一时刻的角度变化关系,将所述日凌角度与所述角度变化关系进行对比,输出两者中相似度最高的日凌角度作为优化预测出的日凌角度,并确定其对应的时刻作为优化预测后的日凌时间。
7.一种电子设备,其特征在于,包括:
一个或多个处理器;
存储器,用于存储一个或多个程序;
当所述一个或多个程序或所述一个或多个处理器执行,使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1~5任一所述的一种星间日凌时间预测方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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CN202110780022.4A CN113486447B (zh) | 2021-07-09 | 2021-07-09 | 一种星间日凌时间预测方法、装置及电子设备 |
Applications Claiming Priority (1)
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