CN114741907B - 基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法 - Google Patents

基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，包括：基于地心角构建地心地固坐标系下的卫星载荷可见性几何模型；根据几何模型计算地面圆形区域半径对应的地心角
Figure 126965DEST_PATH_IMAGE002
；根据几何模型和卫星参数计算卫星圆锥载荷视场对应的地心角
Figure 919471DEST_PATH_IMAGE004
；计算不同时刻点对应的地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角
Figure 135427DEST_PATH_IMAGE006
；判断卫星对地面圆形区域的载荷可见性，若满足
Figure 468319DEST_PATH_IMAGE008
，则输出对应的时刻点集合。本发明利用地心角构建了卫星载荷可见性几何模型，通过几何关系可以快速计算卫星对地面圆形目标区域的可见性窗口时段，实现了卫星过境的快速预报，且计算少，计算速度较高；且无需获取卫星的具体载荷参数，适合在实际中使用。

Description

基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法
技术领域
本发明属于卫星过境预报技术领域，具体涉及一种基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法。
背景技术
在宇宙空间，有各种形状和不同大小的人造地球卫星在不停地运行，它们担负着侦察敌情、传送信息、探测地球资源等任务。卫星经过地面目标区域时，在视场约束下可以观测目标的时间范围称为可见时间窗口。它是卫星对地面目标执行观测任务的基础，任何观测任务都必须在可见窗口内执行，时间窗口计算具有重要的意义，可以为地面目标提供卫星过境时段。
目前，计算卫星观测区域目标的可见时间窗口还没有高效的通用算法，跟踪传播法是计算卫星可见性的传统方法，其利用较小的离散时间步长预报卫星轨道位置，并在每一个离散时间步长判断卫星对目标点的可见性，进而得到卫星对目标的可见时间窗口。
然而，上述方法计算量较大，导致其效率较低。此外，对于空间一些非合作卫星，由于其载荷参数难以获取，限制了该方法在实际中的应用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，包括：
S1：基于地心角构建地心地固坐标系下的卫星载荷可见性几何模型；其中，所述卫星载荷可见性几何模型为地心、地平面、卫星质心、卫星侧摆角、地面圆形区域半径对应的地心角、地心与卫星质心的连线、地面圆形区域的圆心位置与地心的连线、以及各个连线之间的夹角所形成的几何关系；
S2：根据所述几何模型计算地面圆形区域半径对应的地心角
Figure 985763DEST_PATH_IMAGE001
；
S3：根据所述几何模型和卫星参数计算卫星圆锥载荷视场对应的地心角
Figure 951445DEST_PATH_IMAGE002
；
S4：计算不同时刻点对应的地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角
Figure 8394DEST_PATH_IMAGE003
；
S5：判断卫星对地面圆形区域的载荷可见性，若满足
Figure 129890DEST_PATH_IMAGE004
，则输出对应的时刻点集合。
在本发明的一个实施例中，在步骤S2中，地面圆形区域半径对应的地心角
Figure 905079DEST_PATH_IMAGE005
的计算公式如下：
Figure 408873DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 585908DEST_PATH_IMAGE007
为地面圆区域的半径，
Figure 884165DEST_PATH_IMAGE008
为地球半径。
在本发明的一个实施例中，步骤S3包括：
S31：获取卫星的TLE根数以及卫星侧摆角
Figure 146650DEST_PATH_IMAGE009
，并根据卫星的TLE根数计算卫星空间位置信息；
S32：基于所述几何模型，利用卫星侧摆角
Figure 454135DEST_PATH_IMAGE009
和卫星空间位置信息计算卫星质心、卫星在地面载荷圆边界点连线与地心、卫星在地面载荷圆边界点连线形成的夹角
Figure 282413DEST_PATH_IMAGE010
；
S33：根据夹角
Figure 954834DEST_PATH_IMAGE010
计算卫星圆锥载荷视场对应的地心角
Figure 501353DEST_PATH_IMAGE011
。
在本发明的一个实施例中，所述卫星空间位置信息采用大地坐标系表示，其包括经度信息、纬度信息和高度信息。
在本发明的一个实施例中，在步骤S32中，卫星质心、卫星在地面载荷圆边界点连线与地心、卫星在地面载荷圆边界点连线形成的夹角
Figure 612529DEST_PATH_IMAGE012
的计算公式为：
Figure 492717DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 398356DEST_PATH_IMAGE014
为地球半径，
Figure 432171DEST_PATH_IMAGE015
为卫星空间位置信息中的高度信息，
Figure 19141DEST_PATH_IMAGE016
为卫星侧摆角。
在本发明的一个实施例中，在步骤S33中，卫星圆锥载荷视场对应的地心角
Figure 822012DEST_PATH_IMAGE017
的计算公式为：
Figure 898553DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 357347DEST_PATH_IMAGE016
为卫星侧摆角，
Figure 544746DEST_PATH_IMAGE019
为卫星质心、卫星在地面载荷圆边界点和地心的夹角。
在本发明的一个实施例中，步骤S4包括：
S41：将卫星空间位置信息和地面圆形区域的圆心位置信息由大地坐标系转换为地心地固坐标系表示；
S42：根据几何关系计算不同时刻点地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角
Figure 467703DEST_PATH_IMAGE020
。
在本发明的一个实施例中，在步骤S41中，进行坐标系转换的公式为：
Figure 652827DEST_PATH_IMAGE021
其中，x、y、z分别表示地心地固坐标系下的位置信息，
Figure 661235DEST_PATH_IMAGE022
为地球半径，
Figure 590008DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 361611DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 717637DEST_PATH_IMAGE025
分别表示大地坐标系下的高度信息、纬度信息和高度信息。
在本发明的一个实施例中，在步骤S42中，地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角
Figure 947762DEST_PATH_IMAGE026
的计算公式为：
Figure 680225DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 312195DEST_PATH_IMAGE028
分别表示卫星在地心地固坐标系下的位置信息，
Figure 839122DEST_PATH_IMAGE029
分别表示地面圆形区域的圆心在地心地固坐标系下的位置信息，
Figure 822122DEST_PATH_IMAGE030
表示为卫星空间位置信息中的高度信息，
Figure 92697DEST_PATH_IMAGE031
表示地面圆形区域的圆心的高度信息。
本发明的有益效果：
1、本发明利用地心角构建了卫星载荷可见性几何模型，通过几何关系可以快速计算卫星对地面圆形目标区域的可见性窗口时段，实现了卫星过境的快速预报，且计算量少，计算速度较高；
2、本发明提供的方法无需获取卫星的具体载荷参数，仅使用卫星的TLE根数以及卫星侧摆角即可实现载荷过境判断，适合在实际中使用。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法流程示意图；
图2是本发明实施例提供的地心地固坐标系下的卫星载荷可见性几何模型示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法流程示意图，其包括：
S1：基于地心角构建地心地固坐标系下的卫星载荷可见性几何模型。
具体的，该卫星载荷可见性几何模型为地心、地平面、卫星质心、卫星侧摆角、地面圆形区域半径对应的地心角、地心与卫星质心的连线、地面圆形区域的圆心位置与地心的连线、以及各个连线之间的夹角所形成的几何关系。请参见图2，图2是本发明实施例提供的地心地固坐标系下的卫星载荷可见性几何模型示意图，其中， O表示地心，O a 表示地面圆形区域的圆心，r表示地面圆形区域半径，D 1和D 2表示地面圆形区域边界点，S表示卫星质心，O s 表示卫星质心与地心O连线与地平面的交点， P 1和P 2表示载荷地面侦照范围的边界点，也即卫星圆锥载荷视场在地面的视场，
Figure 579174DEST_PATH_IMAGE032
表示卫星侧摆角，
Figure 604898DEST_PATH_IMAGE033
表示地面圆形区域半径对应的地心角，
Figure 747298DEST_PATH_IMAGE034
表示卫星圆锥载荷视场对应的地心角，
Figure 839142DEST_PATH_IMAGE035
表示地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角，R e 表示地球半径，R为卫星距离地心的距离。
S2：根据几何模型计算地面圆形区域半径对应的地心角
Figure 180125DEST_PATH_IMAGE036
。
具体的，根据图2中的几何关系，采用弧度公式可得：
Figure 376751DEST_PATH_IMAGE037
S3：根据几何模型和卫星参数计算卫星圆锥载荷视场对应的地心角
Figure 6447DEST_PATH_IMAGE038
。
S31：获取卫星的TLE根数以及卫星侧摆角
Figure 681142DEST_PATH_IMAGE039
，并根据卫星的TLE根数计算卫星空间位置信息。
TLE根数也即轨道根数，其又称轨道要素或者轨道参数，是用来描述卫星在其轨道运行状态的一组参数，可以通过公开的资料直接获得。此外，卫星的侧摆角信息也可以根据不同的卫星直接获得。
在本实施例中，可通过获取的卫星TLE根数来计算卫星的空间位置信息，其可以采用大地坐标系表示，具体包括经度信息、纬度信息和高度信息，分别记为
Figure 142210DEST_PATH_IMAGE040
。
需要说明的是，关于如何根据卫星的TLE根数计算卫星空间位置，可参考现有的相关技术，本实施例在此不做详细描述。
S32：基于上述几何模型，利用卫星侧摆角
Figure 447420DEST_PATH_IMAGE016
和卫星空间位置信息计算卫星质心、卫星在地面载荷圆边界点连线与地心、卫星在地面载荷圆边界点连线形成的夹角
Figure 361150DEST_PATH_IMAGE041
。
具体的，根据三角形性质可知，卫星质心、卫星在地面载荷圆边界点连线与地心、卫星在地面载荷圆边界点连线形成的夹角
Figure 777219DEST_PATH_IMAGE041
和侦察卫星载荷视场角
Figure 358373DEST_PATH_IMAGE042
满足下式：
Figure 631222DEST_PATH_IMAGE043
由于
Figure 229651DEST_PATH_IMAGE044
为钝角，因此可用下式求得：
Figure 246148DEST_PATH_IMAGE045
S33：根据夹角
Figure 681809DEST_PATH_IMAGE046
计算卫星圆锥载荷视场对应的地心角
Figure 125560DEST_PATH_IMAGE047
。
具体的，根据几何关系，卫星圆锥载荷视场对应的地心角
Figure 217144DEST_PATH_IMAGE047
为：
Figure 37332DEST_PATH_IMAGE048
S4：计算不同时刻点对应的地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角
Figure 265182DEST_PATH_IMAGE049
。
S41：将卫星空间位置信息和地面圆形区域的圆心位置信息由大地坐标系转换为地心地固坐标系表示。
具体的，在大地坐标系下，假设某一时刻t对应的地面圆形区域的圆心位置用经纬高表示为
Figure 145414DEST_PATH_IMAGE050
，卫星的位置信息表示为
Figure 458714DEST_PATH_IMAGE051
，则利用坐标转换公式将这两个位置信息采用地心地固坐标系表示为
Figure 817014DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 227267DEST_PATH_IMAGE053
，其中，转换公式如下：
Figure 950504DEST_PATH_IMAGE054
其中，x、y、z分别表示地心地固坐标系下的位置信息，
Figure 807558DEST_PATH_IMAGE055
为地球半径，
Figure 969549DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure 171992DEST_PATH_IMAGE057
、
Figure 394025DEST_PATH_IMAGE058
分别表示大地坐标系下的高度信息、纬度信息和经度信息。
S42：根据几何关系计算不同时刻点地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角
Figure 744235DEST_PATH_IMAGE059
。
具体的，在当前时刻t，根据图2所示的几何关系可得：
Figure 382021DEST_PATH_IMAGE060
其中，
Figure 501287DEST_PATH_IMAGE061
为地心到圆心矢量，
Figure 831905DEST_PATH_IMAGE062
为地心到卫星质心矢量。
则
Figure 669411DEST_PATH_IMAGE063
可表示为：
Figure 110888DEST_PATH_IMAGE064
对于不同的时刻
Figure 84660DEST_PATH_IMAGE065
，均可按照上述公式计算得到角度
Figure 580320DEST_PATH_IMAGE066
。
需要说明的是，由于卫星在不同时刻的空间位置信息不同，因此需要根据不同的位置信息得到不同时刻的角度
Figure 905123DEST_PATH_IMAGE066
。
S5：判断卫星对地面圆形区域的载荷可见性，若满足
Figure 884711DEST_PATH_IMAGE067
，则输出对应的时刻点集合。
具体的，将满足载荷可见的时刻点集合整理即可得到可见性时段。
本发明利用地心角构建了卫星载荷可见性几何模型，通过几何关系可以快速计算卫星对地面圆形目标区域的可见性窗口时段，实现了卫星过境的快速预报，且计算少，计算速度较高。此外，本发明提供的方法无需获取卫星的具体载荷参数，仅使用卫星的TLE根数以及卫星侧摆角即可实现载荷过境判断，适合在实际中使用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，包括：
S1：基于地心角构建地心地固坐标系下的卫星载荷可见性几何模型；其中，所述卫星载荷可见性几何模型为地心、地平面、卫星质心、卫星侧摆角、地面圆形区域半径对应的地心角、地心与卫星质心的连线、地面圆形区域的圆心位置与地心的连线、以及各个连线之间的夹角所形成的几何关系；
S2：根据所述几何模型计算地面圆形区域半径对应的地心角
Figure 387783DEST_PATH_IMAGE001
；
S3：根据所述几何模型和卫星参数计算卫星圆锥载荷视场对应的地心角
Figure 914711DEST_PATH_IMAGE002
；
S4：计算不同时刻点对应的地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角
Figure 491185DEST_PATH_IMAGE003
；
S5：判断卫星对地面圆形区域的载荷可见性，若满足
Figure 433865DEST_PATH_IMAGE004
，则输出对应的时刻点集合。
2.根据权利要求1所述的基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，在步骤S2中，地面圆形区域半径对应的地心角
Figure 654762DEST_PATH_IMAGE005
的计算公式如下：
Figure 352590DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 494990DEST_PATH_IMAGE007
为地面圆区域的半径，
Figure 834836DEST_PATH_IMAGE008
为地球半径。
3.根据权利要求1所述的基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，步骤S3包括：
S31：获取卫星的TLE根数以及卫星侧摆角
Figure 566031DEST_PATH_IMAGE009
，并根据卫星的TLE根数计算卫星空间位置信息；
S32：基于所述几何模型，利用卫星侧摆角
Figure 835426DEST_PATH_IMAGE009
和卫星空间位置信息计算卫星质心、卫星在地面载荷圆边界点连线与地心、卫星在地面载荷圆边界点连线形成的夹角
Figure 996280DEST_PATH_IMAGE010
；
S33：根据夹角
Figure 530030DEST_PATH_IMAGE010
计算卫星圆锥载荷视场对应的地心角
Figure 335306DEST_PATH_IMAGE011
。
4.根据权利要求3所述的基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，所述卫星空间位置信息采用大地坐标系表示，其包括经度信息、纬度信息和高度信息。
5.根据权利要求3所述的基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，在步骤S32中，卫星质心、卫星在地面载荷圆边界点连线与地心、卫星在地面载荷圆边界点连线形成的夹角
Figure 906096DEST_PATH_IMAGE012
的计算公式为：
Figure 288667DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 360528DEST_PATH_IMAGE014
为地球半径，
Figure 410524DEST_PATH_IMAGE015
为卫星空间位置信息中的高度信息，
Figure 27581DEST_PATH_IMAGE016
为卫星侧摆角。
6.根据权利要求3所述的基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，在步骤S33中，卫星圆锥载荷视场对应的地心角
Figure 163027DEST_PATH_IMAGE017
的计算公式为：
Figure 773000DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 812588DEST_PATH_IMAGE019
为卫星侧摆角，
Figure 318656DEST_PATH_IMAGE020
为卫星质心、卫星在地面载荷圆边界点和地心的夹角。
7.根据权利要求1所述的基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，步骤S4包括：
S41：将卫星空间位置信息和地面圆形区域的圆心位置信息由大地坐标系转换为地心地固坐标系表示；
S42：根据几何关系计算不同时刻点地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角
Figure 285606DEST_PATH_IMAGE021
。
8.根据权利要求7所述的基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，在步骤S41中，进行坐标系转换的公式为：
Figure 309057DEST_PATH_IMAGE022
其中，x、y、z分别表示地心地固坐标系下的位置信息，
Figure 802486DEST_PATH_IMAGE023
为地球半径，
Figure 620401DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 855073DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 682214DEST_PATH_IMAGE026
分别表示大地坐标系下的高度信息、纬度信息和高度信息。
9.根据权利要求8所述的基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，在步骤S42中，地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角
Figure 171096DEST_PATH_IMAGE027
的计算公式为：
Figure 443069DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 774824DEST_PATH_IMAGE029
分别表示卫星在地心地固坐标系下的位置信息，
Figure 530291DEST_PATH_IMAGE030
分别表示地面圆形区域的圆心在地心地固坐标系下的位置信息，
Figure 732733DEST_PATH_IMAGE031
表示为卫星空间位置信息中的高度信息，
Figure 298975DEST_PATH_IMAGE032
表示地面圆形区域的圆心的高度信息。
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