CN115688385A - 一种单一观测平台星敏感器观测模型构建方法 - Google Patents

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CN115688385A CN202211237132.7A CN202211237132A CN115688385A CN 115688385 A CN115688385 A CN 115688385A CN 202211237132 A CN202211237132 A CN 202211237132A CN 115688385 A CN115688385 A CN 115688385A
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Abstract

本发明公开了一种单一观测平台星敏感器观测模型构建方法，包括：在晨昏太阳同步轨道高度区间内，挑选任意轨道高度上的任意一个航天器作为观测平台，形成以地球同步轨道带90°‑i赤纬上任意点为圆心，基于所述观测平台上的星敏感器光轴指向，构建以能够覆盖到地球同步轨道带边界为半径的扫描圆，所述扫描圆上的观测平台为用于确保地球同步轨道带目标被全覆盖的单一观测平台星敏感器观测模型。本发明解决了星敏感器与航天器本体固连不能随动跟踪引起的观测效能低的问题；在不影响星敏感器对恒星成像的前提下调整星敏感器的安装指向，优化了低轨太阳同步轨道航天器对高轨空间碎片的观测能力，挖掘了在轨航天器的剩余价值，增强空间碎片预警与碰撞规避能力。

Description

一种单一观测平台星敏感器观测模型构建方法
技术领域
本发明属于航天技术领域中的空间态势感知细分技术领域，涉及一种单一观测平台星敏感器观测模型构建方法。
背景技术
随着太空博弈加剧，空间目标数量大幅增长，截至2021年底，已编目空间目标超2万个，航天器所面临潜在威胁随之增加。据统计，卫星交会事件每周多达1600次，2022年1月，俄罗斯废弃卫星残骸与清华科学卫星发生极危险交会，推算最近距离仅14.5米。包含报废、解体航天器在内的空间碎片给空间环境安全带来极大挑战，全面掌握空间态势，获取空间碎片的轨道位置信息尤为重要。空间态势感知(Space SituationalAwareness,SSA)系统是国家全面掌握空间态势的重要途径，在空间资源愈发紧张的21世纪，正发挥着越来越重要的作用。其中，天基空间态势感知系统不受地球曲率和大气的影响，尤其对于具有极高战略价值的地球同步轨道(Geosynchronous Orbit,GEO)空间环境的观测优势明显。传统的天基空间态势感知系统多由“专用型”监视航天器组成，建设成本高昂、用途单一。而星敏感器作为多数航天器必备的姿态传感器，可视为“兼用型”空间碎片感知传感器，从而进一步挖掘我国大量在轨航天器的剩余价值，在不必额外发射新的空间态势感知航天器的前提下，构建庞大的天基空间态势感知网。
基于星敏感器观测平台对GEO空间目标的观测方法，能够利用在轨航天器都装有星敏感器的庞大基数，利用星敏感器构建“兼用型”空间态势感知系统，从而以较低成本构建广域、快速、泛在的天基感知网络。
但发明人在研究的过程中发现，星敏感器固定在航天器的安装方式以及兼用性的属性，使得基于星敏感器的观测模式不能做到像SBSS等专用型观测航天器一样，通过调整星敏感器的安装平台或航天器的姿态指向，以跟踪观测特定的空间碎片或目标区域，而只能够被动地等待碎片进入视场，以自然交会的模式开展观测，星敏感器与航天器本体固连不能随动跟踪引起观测效能低，无法确保地球同步轨道带目标被全覆盖。故本发明从单一航天器观测平台入手，并分别研究了单一观测平台下视场大小、轨道高度、时间对覆盖度的影响，并建立了数学模型。本专利研究内容为后续构建多观测平台的泛在感知系统奠定了技术基础。
发明内容
针对星敏感器在空间态势感知领域的全新应用模式，为克服由于星敏感器与航天器本体固连和不能随动跟踪所引起的观测效能低的问题，本发明从单一观测平台入手，在考虑太阳光照约束的条件下，研究了一种单一观测平台星敏感器观测模型构建方法；本发明有针对性地选择运行在哪些轨道上的航天器作为观测平台，以及在不影响星敏感器对恒星成像的前提下调整星敏感器的安装指向，优化了低轨太阳同步轨道航天器对高轨(GEO轨道)目标(空间碎片)的观测能力。
本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：
本发明公开了一种单一观测平台星敏感器观测模型构建方法，该方法包括：
在晨昏太阳同步轨道高度区间内，挑选任意轨道高度上的任意一个航天器作为观测平台，形成以地球同步轨道带90°-i赤纬上任意点为圆心，基于所述观测平台上的星敏感器光轴指向，构建以能够覆盖到地球同步轨道带边界为半径的扫描圆，所述扫描圆上的观测平台为用于确保地球同步轨道带目标被全覆盖的单一观测平台星敏感器观测模型；
其中，i为观测平台所在晨昏太阳同步轨道的轨道倾角。
进一步的，所述星敏感器光轴指向包括仰角和方位角；
在单一观测平台轨道坐标系OsXoYoZo中，星敏感器的光轴Lobs与单一观测平台轨道子坐标系ZoOsYo平面的夹角为方位角Az，在单一观测平台轨道子坐标系ZoOsYo平面的投影与Yo轴负方向的夹角为仰角El，靠近Zo轴正向为负，反之为正。
更进一步的，最佳所述仰角为星敏感器对地球同步轨道带的全覆盖时长最短的临界值的仰角；最佳所述方位角为星敏感器对地球同步轨道带的全覆盖时长最短的临界值的方位角；所述星敏感器光轴指向中的仰角与方位角共同影响扫描圆的半径，仰角比方位角的影响更显著。
优选的，星敏感器光轴指向中的仰角El和方位角Az均不为0°时，基于所述观测平台上的星敏感器光轴指向，构建以能够覆盖到地球同步轨道带边界的半径为：
Figure BDA0003883569640000021
其中，Rs及
Figure BDA0003883569640000022
均为星敏感器光轴指向中的仰角El和方位角Az均不为0°时，由仰角El和方位角Az计算的扫描圆半径；
Figure BDA0003883569640000031
表示地球同步轨道带上E2点到D2点的距离；其中，D2为天球坐标系中X轴与天赤道的交点，E2为星敏感器光轴在XOEY平面上的投影与天赤道的交点；OE为地球质心；Rs1为方位角Az＝0°时，由仰角El计算的扫描圆半径；αs为观测平台轨道长半轴；αt为地球同步轨道带长半轴。
优选的，星敏感器光轴指向中的方位角Az＝0°，仰角El不为0时，基于所述观测平台上的星敏感器光轴指向，构建以能够覆盖到地球同步轨道带边界的半径为：
Figure BDA0003883569640000032
其中，Rs1及∠A1OEC1均为方位角Az＝0°时，仰角El不为0时，由仰角El计算的扫描圆半径；αs为观测平台轨道长半轴；αt为地球同步轨道带长半轴；∠A1OEB1表示以地球质心OE为顶点，A1OE与OEB1的夹角,A1为星敏感器光轴与地球同步轨道带的交点，B1为OsYo反向延长线与地球同步轨道带的交点。
优选的，星敏感器光轴指向中的仰角El＝0°，方位角Az不为0°时，基于所述观测平台上的星敏感器光轴指向，构建以能够覆盖到地球同步轨道带边界的半径为：
Figure BDA0003883569640000033
其中，Rs2与
Figure BDA0003883569640000034
均为仰角El＝0°，方位角Az不为0°时，由方位角Az计算的扫描圆半径；
Figure BDA0003883569640000035
表示地球同步轨道带上E2点到D2点的距离；
Figure BDA0003883569640000036
表示地球同步轨道带上E2点到C2点的距离；D2为天球坐标系中X轴与天赤道的交点；E2为星敏感器光轴在XOEY平面上的投影与天赤道的交点；OE为地球质心；C2为El＝0°时，星敏感器光轴指向与地球同步轨道带的交点；αt为地球同步轨道带长半轴；αs为观测平台轨道长半轴。
其中，所述地球同步轨道带，为以地球中心为球心，轨道高度36000km，赤纬由-15°到+15°所涵盖的球面环状切面；
地球同步轨道带扫描圆圆心赤纬的值在-14.89°～-6.67°之间；
所述轨道倾角i的变化范围在96.67°～104.89°之间。
进一步的，星敏感器在地球同步轨道带球面环状切面扫过的轨迹呈螺旋状。
更进一步的，所述单一观测平台星敏感器观测模型对地球同步轨道带目标覆盖时长的影响因素包括：星敏感器的视场大小、晨昏太阳同步轨道高度区间内的观测平台轨道高度以及观测时刻；
其中，敏感器的视场大小为n×n，n是以角度为单位的任意数值，不同星敏感器的视场大小不一，由光学系统设计决定；
晨昏太阳同步轨道高度区间为300km～2000km；
观测时刻对覆盖时长的影响主要是由于观测平台进入地影区导致的；在晨昏太阳同步轨道的观测模式下，地影的影响集中在地球同步轨道带的+15°边界附近，而地影对-15°边界没有影响；地影一年内两次穿越+15°边界，分别在秋分至冬至、冬至至次年春分两个时间段内。
其中，地影降低所述星敏感器单位时间内对地球同步轨道带的覆盖度；地影中心落在+15°边界上，太阳在南纬15°时，观测受影响最大。
进一步的，所述晨昏太阳同步轨道是太阳同步轨道位于地球晨昏线上的轨道，所述太阳同步轨道是航天器在受摄情况下，轨道面的进动角速度与平太阳的周年视运动速度相等的轨道；
所述单一观测平台为运行在晨昏太阳同步轨道的天基观测平台。
所述平太阳的周年视运动的周期为365.242平太阳日，当仅考虑地球非球形J2项摄动时，轨道倾角、偏心率和轨道长半轴满足如下关系：
Figure BDA0003883569640000041
其中，Re为地球平均半径；e为航天器轨道偏心率；i为航天器轨道倾角；α为航天器轨道半长轴；J2表示地球非球形的第二阶摄动。
进一步的，所述单一观测平台轨道高度为300km轨道的覆盖速度快。
本发明的有益效果是：
本发明公开了一种单一观测平台星敏感器观测模型构建方法，该方法针对低轨晨昏太阳同步轨道航天器作为观测平台对高轨GEO目标中轨道空间碎片的观测场景，在晨昏太阳同步轨道300km～2000km高度区间内，选任意轨道高度中的任意一个航天器作为观测平台，形成以地球同步轨道带90°-i赤纬上任意点为圆心，基于所述观测平台上的星敏感器光轴指向，构建以能够覆盖到地球同步轨道带边界为半径的扫描圆，所述扫描圆上的观测平台为用于确保地球同步轨道带目标被全覆盖的单一观测平台星敏感器观测模型。本发明是基于星敏感器的空间碎片泛在感知观测构型设计的基础性工作，有针对性地选择运行在哪些轨道上的航天器作为观测平台，为太阳同步轨道航天器观测平台的选择提供了理论依据，可根据此观测模型，在不影响星敏感器对恒星成像的前提下调整多个星敏感器的安装指向，从而建立了基于自然交会模式的扫描圆观测方式，为低轨太阳同步轨道航天器对高轨(GEO轨道)目标空间碎片的观测提供了新观测模式。依据此模式，使星敏感器在完成其固有定姿任务的同时，从所拍摄的星图中检测并提取空间碎片测量信息，显著提升星敏感器对空间碎片的泛在感知效能，以实现空间碎片的泛在感知。
“泛在”一词源于拉丁文“Ubiquitous”，意为“无所不在的”，星敏感器作为多数航天器必备的姿态传感器，若将其视为“兼用型”空间态势感知传感器，在本发明能够充分发挥我国在轨航天器资源量大的优势，在公开的模型基础上调整星敏感器安装角度，构建由太阳同步轨道对GEO轨道的观测构型，可进一步挖掘我国大量在轨航天器的剩余价值，尤其是拥有庞大数量的低轨航天器，把尽可能多的装有星敏感器的航天器作为观测平台，将天基观测系统的优势进一步扩大，无需额外发射专用的航天器，大幅提升我空间态势感知能力，显著增强空间碎片预警与碰撞规避能力，并为今后的航天任务规划设计提供具有可操作性和可兼顾性的建议。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1是太阳同步轨道轨道高度和轨道倾角关系示意图。
图2是星敏感器光轴指向定义示意图。
图3是仰角与方位角共同作用的扫描圆几何关系示意图。
图4是仅仰角对应的扫描圆几何关系示意图。
图5是仅方位角对应的扫描圆几何关系示意图。
图6是仰角扫描圆示意图。
图7是方位角扫描圆示意图。
图8是星敏感器与地球同步轨道带的相对运动轨迹示意图。
图9是1°×1°视场地球同步轨道带全覆盖时长示意图。
图10是2°×2°视场地球同步轨道带全覆盖时长示意图。
图11是轨道高度对全覆盖时长的影响示意图。
图12是不同观测时间对覆盖度的影响示意图。
图13是地球本影遮挡示意图。
图14是地球本影南北漂移示意图。
具体实施方式
实施例一
本发明实施例一提供了一种单一观测平台星敏感器观测模型构建方法，其中，星敏感器固定安装在观测平台上，该方法包括：
在晨昏太阳同步轨道高度区间内，挑选任意轨道高度上的任意一个航天器作为观测平台，形成以地球同步轨道带90°-i赤纬上任意点为圆心，基于所述观测平台上的星敏感器光轴指向，构建以能够覆盖到地球同步轨道带边界为半径的扫描圆，所述扫描圆上的观测平台为用于确保地球同步轨道带目标被全覆盖的单一观测平台星敏感器观测模型；
其中，i为观测平台所在晨昏太阳同步轨道的轨道倾角。
其中，运行在晨昏太阳同步轨道的天基观测平台具有良好的光照条件和观测时长，是单一平台进行空间碎片观测的首选轨道类型；本实施例中，所述单一观测平台为运行在晨昏太阳同步轨道的天基观测平台。其中，所述晨昏太阳同步轨道是太阳同步轨道位于地球晨昏线上的轨道，所述太阳同步轨道是航天器在受摄情况下，轨道面的进动角速度与平太阳的周年视运动速度相等的轨道。所述地球同步轨道带，为以地球中心为球心，轨道高度36000km，赤纬由-15°到+15°所涵盖的球面环状切面。
平太阳的周年视运动周期为365.242平太阳日，当仅考虑地球非球形J2项摄动时，轨道倾角、偏心率和轨道长半轴满足如下关系：
Figure BDA0003883569640000061
其中，Re为地球平均半径；e为航天器轨道偏心率；i为航天器轨道倾角；α为航天器轨道半长轴。J2表示地球非球形的第二阶摄动，是专属表达方式。
若观测平台为近圆轨道，则轨道倾角与轨道高度的关系如图1所示。在太阳同步轨道300km～2000km高度区间内，高度和轨道倾角的关系近似为线性，轨道倾角的变化范围较窄，为96.67°～104.89°之间，太阳同步轨道面在天球上投影的圆心位于南天区，即赤纬的值为90°-i，在-14.89°～-6.67°之间。其中，i为观测平台所在晨昏太阳同步轨道轨道倾角；固定安装的星敏感器随着观测平台在轨道上的运行，将在地球同步带上形成以-14.89°～-6.67°赤纬上某一点为圆心，半径为Rs的扫描圆。
所述扫描圆半径，用于决定扫描圆是否能够覆盖到地球同步轨道带的边界。
如图2所示，所述星敏感器光轴指向包括仰角和方位角：
在单一观测平台轨道坐标系OsXoYoZo中，星敏感器的光轴Lobs与单一观测平台轨道子坐标系ZoOsYo平面的夹角为方位角Az，在单一观测平台轨道子坐标系ZoOsYo平面的投影与Yo轴负方向的夹角为仰角El，靠近Zo轴正向为负，反之为正。
如图3所示，
Figure BDA0003883569640000071
对应于图4中的
Figure BDA0003883569640000072
在球面三角形
Figure BDA0003883569640000073
和
Figure BDA0003883569640000074
中，仰角El和方位角Az均不为0°时，由仰角El和方位角Az计算的扫描圆半径Rs为：
Figure BDA0003883569640000075
其中，
Figure BDA0003883569640000076
为仰角El和方位角Az均不为0°时，由仰角El和方位角Az计算的扫描圆半径；
Figure BDA0003883569640000077
为光轴指向；
Figure BDA0003883569640000078
为地球同步轨道带上E2点到D2点的距离；其中，D2为天球坐标系中X轴与天赤道的交点，E2为星敏感器光轴在XOEY平面上的投影与天赤道的交点；OE为地球质心；Rs1为方位角Az＝0°时，由仰角El计算的扫描圆半径；αs为观测平台轨道长半轴；αt为地球同步轨道带长半轴。
如图4所示，方位角Az＝0°时，由仰角El计算的扫描圆半径Rs1为：
则在ΔA1OsOE中，易得：
Figure BDA0003883569640000079
同理，在ΔB1OsOE中，有：
Figure BDA0003883569640000081
联合上式，得半径Rs1为：
Figure BDA0003883569640000082
其中，∠A1OEC1为方位角Az＝0°时，由仰角El计算的扫描圆半径；αs为观测平台轨道长半轴；αt为地球同步轨道带长半轴；∠A1OEB1表示以地球质心OE为顶点，A1OE与OEB1的夹角,A1为星敏感器光轴与地球同步轨道带的交点；B1为OsYo反向延长线与地球同步轨道带的交点；OE为地球质心，Os为观测平台质心；
Figure BDA0003883569640000083
为地球同步轨道带；OsA1为星敏感器光轴指向。
如图5所示，OsC2为星敏感器光轴指向，ZoOsYo为轨道坐标系中的平面，
Figure BDA0003883569640000084
为扫描圆半径，则在球面三角形ΔC2E2D2中；仰角El＝0°时，由方位角Az计算的扫描圆半径Rs2为：
Figure BDA0003883569640000085
其中，
Figure BDA0003883569640000086
为仰角El＝0°，方位角Az不为0°时，由方位角Az计算的扫描圆半径；
Figure BDA0003883569640000087
表示地球同步轨道带上E2点到D2点的距离；
Figure BDA0003883569640000088
表示地球同步轨道带上E2点到C2点的距离；D2为天球坐标系中X轴与天赤道的交点；E2为星敏感器光轴在XOEY平面上的投影与天赤道的交点；C2为El＝0°时，星敏感器光轴指向与地球同步轨道带的交点；αt为地球同步轨道带长半轴；αs为观测平台轨道长半轴。
仰角与方位角共同影响扫描圆的半径，但仰角的影响更显著。以轨道高度700km的太阳同步轨道为例，如图6-图7所示，图中显示了不同仰角及不同方位角扫描圆在天球上的投影，圆心在赤纬-8.2°上，在已知扫描圆半径的情况下，可由方位角Az＝0°时，由仰角El计算的扫描圆半径Rs1及仰角El＝0°时，由方位角Az计算的扫描圆半径Rs2计算能够覆盖天球北纬15°范围的最小仰角为13.8°，最小方位角为21.2°，对应图中最外环点划线所示扫描圆。
实际中，如图8所示，由于地球同步轨道带自身存在与观测轨道平面之间的相对运动，星敏感器在地球同步轨道带球面环状切面扫过的轨迹呈螺旋状。星敏感器视场对GEO带的覆盖是通过螺旋状的相对运动关系实现的，可以通过合理的设计观测平台轨道高度、星敏感器安装指向，尽可能使得多圈次的螺旋状扫描彼此不重复叠加，从而在较短的时间内实现对GEO带空间碎片的快速全覆盖。
以往天基感知系统多采用随动跟踪的观测模式，即通过二维转台控制传感器“跟着”目标观测，观测弧段长，效能高；但星敏感器作为“兼用型”传感器，不存在随动跟踪的可能，而是仅能以自然交会的方式对GEO带进行普扫。此时，挑选哪些轨道的平台作为观测平台，并如何在不影响星敏感器正常工作的情况下，通过调整安装指向，来获得良好的观测效能至关重要。通过本方案设计的扫描圆观测模型，可充分利用良好的光照观测条件，随GEO带的运动而形成螺旋状的观测形式，建立了星敏感器安装指向、观测平台轨道高度与观测覆盖百分比之间的对应关系，为下一步基于多星敏感器的泛在感知构型设计奠定了技术基础。
单一观测平台效能分析：
以下仿真中，设仿真起始时间为UTC 2020年3月21日00:00，为避免杂光对星敏感器成像的干扰，设星敏感器地球杂光抑制角为30°，月光抑制角为25°，当地球或月球与星敏感器主光轴之间的夹角小于以上角度时，星敏感器将中止成像。
图9-图10分别分析了在1°×1°、2°×2°视场条件下，不同的仰角设定所带来的不同全覆盖时长，从图10的子图窗中可以注意到：(1)由于每个扫描圆周期内都存在没有投影到地球同步轨道带上的轨迹，故曲线的上升并非是平滑的，而是阶梯状递增；(2)2°×2°视场的覆盖速度显著高于1°×1°视场，图9中，经过250小时后才可实现对地球同步轨道带的接近全覆盖，而图10中，该过程只需120小时；(3)在一个观测平台轨道周期内，扫描圆投影到地球同步轨道带上的轨迹越长，意味着全覆盖所需时间越短，观测效能越高。当仰角达到可覆盖至天球北纬15°的临界值时，星敏感器对地球同步轨道带的全覆盖时长最短，超过临界值的仰角对全覆盖时长的减少没有帮助，反而使得观测效能降低，临界仰角即是最优仰角，方位角同理。
观测平台轨道高度同样影响观测效能。针对不同的轨道高度，分别计算对应的太阳同步轨道轨道倾角和各自的最优仰角，以2°×2°视场为例，仿真验证不同轨道高度所对应的全覆盖时长，如图11所示。轨道高度越低轨道角速度越大，理论上低轨应拥有更短的覆盖时长，但结果并非如此。角速度引起覆盖特性的差别很小，如图11中子图窗所示，而观测轨道的回归特性影响很大。由于900km的轨道周期接近于一天14圈的回归轨道，其当圈扫描轨迹一部分与前一个GEO周期的轨迹重合，故一个自然日之后覆盖速度显著降低。相比而言，500km与800km轨道的覆盖速度较快。
如图13所示，夏至日时，地—日矢量与地球赤道面出现最大夹角(即黄赤交角，约23°26′)，此时地球本影对GEO碎片不会产生影响。随着地球公转，地—日矢量与地球赤道面夹角逐渐减小，地球本影会逐渐靠近GEO带。在秋分日，太阳位于地球赤道平面内，此时地球本影对GEO碎片的影响将会达到最大值，随后减小，地球本影向北漂移，周而复始，如图14所示。
不同观测时刻对覆盖时长的影响主要是由于空间碎片进入地影区导致的。结合图13、图14与如图5、图6不难理解，在太阳同步轨道的观测模式下，地影的影响集中在地球同步轨道带的+15°边界附近，而地影对-15°边界没有影响。地影一年内两次穿越+15°边界，分别在秋分至冬至、冬至至次年春分两个时间段内，具体而言，分别出现在10月至11月和次年的1月至2月。二者影响相似，本发明实施例仅举例分析其中1月至2月的时段。地影会降低星敏感器单位时间内对地球同步轨道带的覆盖度，且影响程度先增加后降低。当地影中心落在+15°边界上时，也即太阳在南纬15°时，观测受影响最大，24小时覆盖度降低13％左右，对应时段为2020年2月8日～2月9日之间。如图12所示，图12中曲线为以不同的标注日期为起点，递推24小时的地球同步轨道带覆盖度。
以上分析了所述单一观测平台星敏感器观测模型对地球同步轨道带目标覆盖时长的影响因素包括：星敏感器的视场大小、晨昏太阳同步轨道高度区间内的观测平台轨道高度以及观测时刻；
其中，敏感器的视场大小为n×n，n是以角度为单位的任意数值，不同星敏感器的视场大小不一，由光学系统设计决定；
晨昏太阳同步轨道高度区间为300km～2000km；
观测时刻对覆盖时长的影响主要是由于观测平台进入地影区导致的；在晨昏太阳同步轨道的观测模式下，地影的影响集中在地球同步轨道带的+15°边界附近，而地影对-15°边界没有影响；地影一年内两次穿越+15°边界，分别在秋分至冬至、冬至至次年春分两个时间段内。
地影降低所述星敏感器单位时间内对地球同步轨道带的覆盖度；地影中心落在+15°边界上，太阳在南纬15°时，观测受影响最大。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例公开了一种单一观测平台星敏感器观测模型构建方法，该方法针对低轨太阳同步轨道航天器作为观测平台对高轨GEO轨道空间碎片的观测场景，在晨昏太阳同步轨道300km～2000km高度区间内，选任意轨道高度中的任意一个航天器作为观测平台，形成以地球同步轨道带90°-i赤纬上任意点为圆心，基于所述观测平台上的星敏感器光轴指向，构建以能够覆盖到地球同步轨道带边界为半径的扫描圆，所述扫描圆上的观测平台为用于确保地球同步轨道带目标被全覆盖的单一观测平台星敏感器观测模型。本发明是基于星敏感器的空间碎片泛在感知观测构型设计的基础性工作，有针对性地选择运行在哪些轨道上的航天器作为观测平台，为太阳同步轨道航天器观测平台的选择提供了理论依据，可根据此观测模型，在不影响星敏感器对恒星成像的前提下调整多个星敏感器的安装指向，从而建立了基于自然交会模式的扫描圆观测方式，为低轨太阳同步轨道航天器对高轨(GEO轨道)空间碎片的观测提供了新观测模式。依据此模式，使星敏感器在完成其固有定姿任务的同时，从所拍摄的星图中检测并提取空间碎片测量信息，显著提升星敏感器对空间碎片的泛在感知效能，以实现空间碎片的泛在感知。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种单一观测平台星敏感器观测模型构建方法，其特征在于，该方法包括：
在晨昏太阳同步轨道高度区间内，挑选任意轨道高度上的任意一个航天器作为观测平台，形成以地球同步轨道带90°-i赤纬上任意点为圆心，基于所述观测平台上的星敏感器光轴指向，构建以能够覆盖到地球同步轨道带边界为半径的扫描圆，所述扫描圆上的观测平台为用于确保地球同步轨道带目标被全覆盖的单一观测平台星敏感器观测模型；
其中，i为观测平台所在晨昏太阳同步轨道的轨道倾角。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述星敏感器光轴指向包括仰角和方位角；
在单一观测平台轨道坐标系OsXoYoZo中，星敏感器的光轴Lobs与单一观测平台轨道子坐标系ZoOsYo平面的夹角为方位角Az，在单一观测平台轨道子坐标系ZoOsYo平面的投影与Yo轴负方向的夹角为仰角El，靠近Zo轴正向为负，反之为正。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，最佳所述仰角为星敏感器对地球同步轨道带的全覆盖时长最短的临界值的仰角；最佳所述方位角为星敏感器对地球同步轨道带的全覆盖时长最短的临界值的方位角；所述星敏感器光轴指向中的仰角与方位角共同影响扫描圆的半径，仰角比方位角的影响更显著。
4.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，星敏感器光轴指向中的仰角El和方位角Az均不为0°时，基于所述观测平台上的星敏感器光轴指向，构建以能够覆盖到地球同步轨道带边界的半径为：
Figure FDA0003883569630000011
其中，Rs及
Figure FDA0003883569630000012
均为星敏感器光轴指向中的仰角El和方位角Az均不为0°时，由仰角El和方位角Az计算的扫描圆半径；
Figure FDA0003883569630000013
表示地球同步轨道带上E2点到D2点的距离；其中，D2为天球坐标系中X轴与天赤道的交点，E2为星敏感器光轴在XOEY平面上的投影与天赤道的交点；OE为地球质心；Rs1为方位角Az＝0°时，由仰角El计算的扫描圆半径；αs为观测平台轨道长半轴；αt为地球同步轨道带长半轴。
5.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，星敏感器光轴指向中的方位角Az＝0°，仰角El不为0时，基于所述观测平台上的星敏感器光轴指向，构建以能够覆盖到地球同步轨道带边界的半径为：
Figure FDA0003883569630000021
其中，Rs1及∠A1OEC1均为方位角Az＝0°时，仰角El不为0时，由仰角El计算的扫描圆半径；αs为观测平台轨道长半轴；αt为地球同步轨道带长半轴；∠A1OEB1表示以地球质心OE为顶点，A1OE与OEB1的夹角,A1为星敏感器光轴与地球同步轨道带的交点，B1为OsYo反向延长线与地球同步轨道带的交点。
6.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，星敏感器光轴指向中的仰角El＝0°，方位角Az不为0°时，基于所述观测平台上的星敏感器光轴指向，构建以能够覆盖到地球同步轨道带边界的半径为：
Figure FDA0003883569630000022
其中，Rs2与
Figure FDA0003883569630000023
均为仰角El＝0°，方位角Az不为0°时，由方位角Az计算的扫描圆半径；
Figure FDA0003883569630000024
表示地球同步轨道带上E2点到D2点的距离；
Figure FDA0003883569630000025
表示地球同步轨道带上E2点到C2点的距离；D2为天球坐标系中X轴与天赤道的交点；E2为星敏感器光轴在XOEY平面上的投影与天赤道的交点；OE为地球质心；C2为El＝0°时，星敏感器光轴指向与地球同步轨道带的交点；αt为地球同步轨道带长半轴；αs为观测平台轨道长半轴。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地球同步轨道带，为以地球中心为球心，轨道高度36000km，赤纬由-15°到+15°所涵盖的球面环状切面；
地球同步轨道带扫描圆圆心赤纬的值在-14.89°～-6.67°之间；
所述轨道倾角i的变化范围在96.67°～104.89°之间。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，星敏感器在地球同步轨道带球面环状切面扫过的轨迹呈螺旋状。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单一观测平台星敏感器观测模型对地球同步轨道带目标覆盖时长的影响因素包括：星敏感器的视场大小、晨昏太阳同步轨道高度区间内的观测平台轨道高度以及观测时刻；
其中，敏感器的视场大小为n×n，n是以角度为单位的任意数值，不同星敏感器的视场大小不一，由光学系统设计决定；
晨昏太阳同步轨道高度区间为300km～2000km；
观测时刻对覆盖时长的影响主要是由于观测平台进入地影区导致的；在晨昏太阳同步轨道的观测模式下，地影的影响集中在地球同步轨道带的+15°边界附近，而地影对-15°边界没有影响；地影一年内两次穿越+15°边界，分别在秋分至冬至、冬至至次年春分两个时间段内。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，地影降低所述星敏感器单位时间内对地球同步轨道带的覆盖度；地影中心落在+15°边界上，太阳在南纬15°时，观测受影响最大。
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