CN115622594A - 一种基于传感器视角的卫星通信点波束覆盖边缘计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于传感器视角的卫星通信点波束覆盖边缘计算方法，涉及卫星通信仿真技术领域。本发明中从传感器的视角出发，根据卫星传感器姿态和卫星姿态准确的计算出卫星通信点波束的对地覆盖边缘，本发明能够根据传感器的指向建立波束边缘单位观测矢量，通过一系列的坐标系转换后联合直线方程和地球椭球体方程快速计算得到卫星通信点波束覆盖边缘的空间直角坐标，本发明的计算方法可接入实时的卫星遥测数据，根据卫星的天线指向方位角和俯仰角以及卫星姿态数据直接计算出卫星点波束边缘与地球交点的经纬度。

Description

一种基于传感器视角的卫星通信点波束覆盖边缘计算方法

技术领域

本发明涉及卫星通信仿真技术领域，尤其涉及一种基于传感器视角的卫星通信点波束覆盖边缘计算方法。

背景技术

卫星通信点波束具有覆盖范围更小、功率更强、抗干扰能力强等特点，可以实现较高的数据传输速率，其被广泛应用于通信卫星的通信波束设计。卫星通信点波束对地覆盖区域是卫星传感器形成的锥状波束与地球表面相交的区域，其覆盖位置和大小与卫星传感器波束半角、传感器姿态和卫星姿态相关。

在现有的点波束覆盖区域计算方法文献(李德治，窦朝晖，吕波等.卫星点波束覆盖区域算法研究[J].载人航天，2009，15(4))中是已知波束指向中心点求解波束覆盖边缘点，该计算方法没有考虑传感器姿态和卫星姿态的影响。在文献(薛永娇，王德民，齐春东等.载荷侧摆条件下卫星点波束覆盖区域算法研究[J].电子技术应用，2015，41(3))中建立以星下点为原点的站心坐标系，利用站心坐标系中波束的旋转角确定唯一的圆锥母线作为波束中心线，进而得到卫星波束中心与地球的交点，最终确定卫星覆盖范围，该计算方法可计算得到波束中心点和覆盖边缘点，同样没有考虑卫星传感器姿态和卫星姿态的影响。在专利(中国人民解放军海军工程大学.卫星通信点波束覆盖区域计算方法：中国,104348539[P].2015-02-11)中采用向量积公式求解覆盖边缘点，该方法计算时需按经纬度将地球划分为若干个点，需遍历卫星可视范围内的所有点进行计算，步进越小计算量越大，并且没有考虑卫星传感器姿态和卫星姿态的影响。

鉴于以上情况，本专利提出一种基于传感器视角的卫星通信点波束覆盖边缘计算方法，将传感器坐标系中的波束覆盖边缘观测矢量转换为地心地固坐标系中的矢量进行计算，考虑了卫星传感器姿态和卫星姿态的影响，能够实时准确的计算出点波束的覆盖边缘区域，在卫星点波束覆盖特性分析中具有较高的使用价值。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决上述问题，而提出的一种基于传感器视角的卫星通信点波束覆盖边缘计算方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于传感器视角的卫星通信点波束覆盖边缘计算方法，包括以下步骤：

S1：建立传感器波束边缘单位观测矢量；以波束指向建立坐标系，坐标原点定义为传感器中心，X轴为传感器波束指向，Y轴垂直于X轴，向上为正，Z轴与X、Y轴所成平面符合右手定则，传感器中心原点为O₁，M为波束边缘任意一点，对矢量O₁M进行归一化得到波束边缘单位观测矢量V_unit；

S2：坐标系转换；进行波束边缘点坐标计算之前需将波束边缘单位观测矢量V_unit转换至地心地固坐标系，在同一个坐标系下进行波束边缘点坐标计算，坐标系包括波束坐标系、传感器坐标系、卫星本体坐标系、卫星轨道坐标系、地心惯性坐标系和地心地固坐标系；

S3：波束边缘点坐标计算；经过坐标转换得到地心地固坐标系下的波束边缘单位观测矢量：

V_ecr＝R_eiR_ioR_obR_bsR_sdV_unit

波束边缘单位观测矢量经过卫星所在的位置，且波束边缘单位观测矢量V_ecr和卫星位置矢量S_ecr为已知量：

V_ecr＝[v₁,v₂,v₃]^T

S_ecr＝[s₁,s₂,s₃]^T

与波束边缘单位观测矢量共线的直线上一点的坐标为(X,Y,Z)，与波束边缘单位观测矢量共线的直线方程为：

(X,Y,Z)为地固坐标系下地球上任一点的坐标，则地球椭球体方程式为：

其中a为地球的长半轴,b为地球的短半轴，联合上述直线方程和地球椭球体方程式可计算出与波束边缘单位观测矢量共线的直线与地球表面交点的空间直角坐标(X,Y,Z)，将单位观测矢量V_unit绕X轴按步进

旋转N次求解出卫星通信点波束覆盖边缘的空间直角坐标，最后将空间直角坐标(X,Y,Z)转换成大地坐标系下的经纬度和高程以便于绘图显示。

优选地，波束指向坐标系到传感器坐标系的转换矩阵R_sd由传感器的方位角

和俯仰角

得到，通过欧拉旋转矩阵

将波束指向坐标系转换为传感器坐标系，

为绕Z轴旋转

度的旋转关系，

为绕Y轴旋转

度的旋转关系。

优选地，传感器坐标系到卫星本体系的转换矩阵R_bs由传感器安装时与卫星的相对关系决定，通过欧拉旋转矩阵

转换为卫星本体坐标系，

为绕X轴旋转

度的旋转关系。

优选地，卫星本体坐标系至卫星轨道坐标系的转换矩阵R_ob由当前的卫星姿态得到，卫星滚动角roll、俯仰角pitch，偏航角yaw构成欧拉旋转矩阵为R_z(yaw)R_x(roll)R_y(pitch)。

优选地，卫星轨道坐标系到地心惯性坐标系的转换矩阵R_io由当前卫星星历计算得到，卫星星历包括卫星位置矢量和速度矢量。

优选地，地心惯性坐标系到地心地固坐标系的转换矩阵R_ei由极移矩阵EP、地球旋转矩阵ER、章动矩阵NR和岁差矩阵PR共同计算得到。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明能够根据传感器的指向建立波束边缘单位观测矢量，通过一系列的坐标系转换后联合直线方程和地球椭球体方程快速计算得到卫星通信点波束覆盖边缘的空间直角坐标。

2、本发明考虑了卫星传感器姿态和卫星姿态的影响，计算精度高，在卫星点波束指向调整规划和卫星点波束实时覆盖区域展示方面具有良好的应用前景。

3、本发明的计算方法可接入实时的卫星遥测数据，根据卫星的天线指向方位角和俯仰角以及卫星姿态数据直接计算出卫星点波束边缘与地球交点的经纬度。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例提供的基于传感器视角的卫星通信点波束覆盖边缘示意图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：

一种基于传感器视角的卫星通信点波束覆盖边缘计算方法，包括以下步骤：

S1：建立传感器波束边缘单位观测矢量；以波束指向建立坐标系，坐标原点定义为传感器中心，X轴为传感器波束指向，Y轴垂直于X轴，向上为正，Z轴与X、Y轴所成平面符合右手定则，传感器中心原点为O₁，M为波束边缘任意一点，对矢量O₁M进行归一化得到波束边缘单位观测矢量V_unit，V为传感器视角的波束边缘观测矢量V＝[v₁,v₂,v₃]^T，设|O₁C|＝d，圆锥截面圆半径|CM|＝r，则O₁M＝[d,r,0]^T，观测矢量V表达式如下：

归一化：

另

可得传感器视角的波束边缘单位观测矢量：

其中

为波束半角，θ为波束边缘单位观测矢量绕X轴的旋转角度；

S2：坐标系转换；进行波束边缘点坐标计算之前需将波束边缘单位观测矢量V_unit转换至地心地固坐标系，在同一个坐标系下进行波束边缘点坐标计算，坐标系包括波束坐标系、传感器坐标系、卫星本体坐标系、卫星轨道坐标系、地心惯性坐标系和地心地固坐标系；

S3：波束边缘点坐标计算；经过坐标转换得到地心地固坐标系下的波束边缘单位观测矢量：

V_ecr＝R_eiR_ioR_obR_bsR_sdV_unit

波束边缘单位观测矢量经过卫星所在的位置，且波束边缘单位观测矢量V_ecr和卫星位置矢量S_ecr为已知量：

V_ecr＝[v₁,v₂,v₃]^T

S_ecr＝[s₁,s₂,s₃]^T

与波束边缘单位观测矢量共线的直线上一点的坐标为(X,Y,Z)，与波束边缘单位观测矢量共线的直线方程为：

(X,Y,Z)为地固坐标系下地球上任一点的坐标，则地球椭球体方程式为：

其中a为地球的长半轴,b为地球的短半轴，联合上述直线方程和地球椭球体方程式可计算出与波束边缘单位观测矢量共线的直线与地球表面交点的空间直角坐标(X,Y,Z)，取其中离卫星较近的交点，将单位观测矢量V_unit绕X轴按步进

旋转N次求解出卫星通信点波束覆盖边缘的空间直角坐标，最后将空间直角坐标(X,Y,Z)转换成大地坐标系下的经纬度和高程L、B、H。

其中a为地球椭球的长半径，e为椭球第一偏心率。

具体的，如图1所示，波束指向坐标系到传感器坐标系的转换矩阵R_sd由传感器的方位角

和俯仰角

得到，通过欧拉旋转矩阵

将波束指向坐标系转换为传感器坐标系，

为绕Z轴旋转

度的旋转关系，

为绕Y轴旋转

度的旋转关系。

具体的，如图1所示，传感器坐标系到卫星本体系的转换矩阵R_bs由传感器安装时与卫星的相对关系决定，通过欧拉旋转矩阵

转换为卫星本体坐标系，

为绕X轴旋转

度的旋转关系。

具体的，如图1所示，卫星本体坐标系至卫星轨道坐标系的转换矩阵R_ob由当前的卫星姿态得到，卫星滚动角roll、俯仰角pitch，偏航角yaw构成欧拉旋转矩阵为R_z(yaw)R_x(roll)R_y(pitch)。

R_ob＝R_z(yaw)R_x(roll)R_y(pitch)

具体的，如图1所示，卫星轨道坐标系到地心惯性坐标系的转换矩阵R_io由当前卫星星历计算得到，卫星星历包括卫星位置矢量和速度矢量，卫星位置矢量和速度矢量由轨道六根数推算得到。

具体的，如图1所示，地心惯性坐标系到地心地固坐标系的转换矩阵R_ei由极移矩阵EP、地球旋转矩阵ER、章动矩阵NR和岁差矩阵PR共同计算得到，其中地球旋转矩阵ER由格林尼治恒星时角GAST计算得出。

R_ei＝EP·ER·NR·PR

本发明中从传感器的视角出发，根据卫星传感器姿态和卫星姿态准确的计算出卫星通信点波束的对地覆盖边缘，本发明能够根据传感器的指向建立波束边缘单位观测矢量，通过一系列的坐标系转换后联合直线方程和地球椭球体方程快速计算得到卫星通信点波束覆盖边缘的空间直角坐标，本发明的计算方法可接入实时的卫星遥测数据，根据卫星的天线指向方位角和俯仰角以及卫星姿态数据直接计算出卫星点波束边缘与地球交点的经纬度。

实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于传感器视角的卫星通信点波束覆盖边缘计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立传感器波束边缘单位观测矢量；以波束指向建立坐标系，坐标原点定义为传感器中心，X轴为传感器波束指向，Y轴垂直于X轴，向上为正，Z轴与X、Y轴所成平面符合右手定则，传感器中心原点为O₁，M为波束边缘任意一点，对矢量O₁M进行归一化得到波束边缘单位观测矢量V_unit；

S2：坐标系转换；进行波束边缘点坐标计算之前需将波束边缘单位观测矢量V_unit转换至地心地固坐标系，在同一个坐标系下进行波束边缘点坐标计算，坐标系包括波束坐标系、传感器坐标系、卫星本体坐标系、卫星轨道坐标系、地心惯性坐标系和地心地固坐标系；

S3：波束边缘点坐标计算；经过坐标转换得到地心地固坐标系下的波束边缘单位观测矢量：

V_ecr＝R_eiR_ioR_obR_bsR_sdV_unit

波束边缘单位观测矢量经过卫星所在的位置，且波束边缘单位观测矢量V_ecr和卫星位置矢量S_ecr为已知量：

V_ecr＝[v₁,v₂,v₃]^T

S_ecr＝[s₁,s₂,s₃]^T

与波束边缘单位观测矢量共线的直线上一点的坐标为(X,Y,Z)，与波束边缘单位观测矢量共线的直线方程为：

(X,Y,Z)为地固坐标系下地球上任一点的坐标，则地球椭球体方程式为：

其中a为地球的长半轴,b为地球的短半轴，联合上述直线方程和地球椭球体方程式可计算出与波束边缘单位观测矢量共线的直线与地球表面交点的空间直角坐标(X,Y,Z)，将单位观测矢量V_unit绕X轴按步进

旋转N次求解出卫星通信点波束覆盖边缘的空间直角坐标，最后将空间直角坐标(X,Y,Z)转换成大地坐标系下的经纬度和高程以便于绘图显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于传感器视角的卫星通信点波束覆盖边缘计算方法，其特征在于，波束指向坐标系到传感器坐标系的转换矩阵R_sd由传感器的方位角

和俯仰角

得到，通过欧拉旋转矩阵

将波束指向坐标系转换为传感器坐标系，

为绕Z轴旋转

度的旋转关系，

为绕Y轴旋转

度的旋转关系。

3.根据权利要求1所述的一种基于传感器视角的卫星通信点波束覆盖边缘计算方法，其特征在于，传感器坐标系到卫星本体系的转换矩阵R_bs由传感器安装时与卫星的相对关系决定，通过欧拉旋转矩阵

转换为卫星本体坐标系，

为绕X轴旋转

度的旋转关系。

4.根据权利要求1所述的一种基于传感器视角的卫星通信点波束覆盖边缘计算方法，其特征在于，卫星本体坐标系至卫星轨道坐标系的转换矩阵R_ob由当前的卫星姿态得到，卫星滚动角roll、俯仰角pitch，偏航角yaw构成欧拉旋转矩阵为R_z(yaw)R_x(roll)R_y(pitch)。

5.根据权利要求1所述的一种基于传感器视角的卫星通信点波束覆盖边缘计算方法，其特征在于，卫星轨道坐标系到地心惯性坐标系的转换矩阵R_io由当前卫星星历计算得到，卫星星历包括卫星位置矢量和速度矢量。

6.根据权利要求1所述的一种基于传感器视角的卫星通信点波束覆盖边缘计算方法，其特征在于，地心惯性坐标系到地心地固坐标系的转换矩阵R_ei由极移矩阵EP、地球旋转矩阵ER、章动矩阵NR和岁差矩阵PR共同计算得到。

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