CN116208230B - 一种卫星自主数传快速判定及任务参数计算方法 - Google Patents

一种卫星自主数传快速判定及任务参数计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种卫星自主数传快速判定及任务参数计算方法。所述方法包括如下步骤：步骤一，推导出需要用到的卫星星下点地面轨迹公式，输入卫星对应的轨道参数，构建出对应的卫星星下点轨迹解析表达式；步骤二，根据数据传输站仰角限制与卫星轨道间的几何关系，计算出星下点和地面站的数据传输距离限制；步骤三，依据星下点经纬度给出太阳高度角的计算公式，并根据太阳光照与卫星轨道间的几何关系，计算出卫星数据传输时的太阳高度角限制；步骤四，结合数据传输距离限制和太阳高度角限制，筛选可以进行数据传输的地面站，并计算数据传输业务开始的执行时刻。计算效率远高于传统方法，满足星载计算机的性能限制，能够在星上自主运行。

Description

一种卫星自主数传快速判定及任务参数计算方法
技术领域
本发明属于遥感卫星数传任务参数计算领域，具体涉及一种卫星自主数传快速判定及任务参数计算方法。
背景技术
随着低轨遥感卫星的数量不断增加，对于卫星星座的运营压力也在不断增加，许多原本在地面进行的工作，需要逐渐以星上自主完成的形式进行，卫星数传任务规划即是其中重要的一项。卫星数传任务规划即是按照提前规划好的参数进行姿态机动，将数传天线对准地面数传站，以通过数传站下传数据。当同时管理的卫星数目过多时，由于测控限制、通信延迟以及受限的通信带宽和时间窗口等因素，地面规划任务量巨大且无法做出快速反应。因此实现星上自主数传任务规划可以大大降低人力压力，同时能保证任务执行的流畅性。
对于星上自主任务数传规划，地面站的可数传判定是判断卫星在未来一段时间内能否对所有目标地面站进行数传，任务参数计算即是计算数传任务的开始时刻，配合地面站经纬度规划任务。受计算能力的限制，星上自主数传判定及任务参数计算需要在保证精度要求的条件下，计算效率尽量高。
传统数传任务能力判定及参数计算一般通过轨道积分的方法实现，对于单个或几个地面站的计算，该方法适用。当卫星星座数目较多时，需求的地面站数量也会随之大幅增加，对于星载计算机来说，地面站数量大幅增加占用的计算资源过大，短时间内无法完成计算。为了实现星上自主计算，需要改变计算方法，不能采用针对单个地面站逐一轨道递推计算搜索的方法，而是需要一种能兼顾多个地面站的高效算法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种卫星自主数传快速判定及任务参数计算方法，满足星上自主任务规划的要求。
所述方法包括如下步骤：
步骤一，推导出需要用到的卫星星下点地面轨迹公式，输入卫星对应的轨道参数，构建出对应的卫星星下点轨迹解析表达式；
步骤二，根据数据传输站仰角限制与卫星轨道间的几何关系，计算出星下点和地面站的数据传输距离限制；
步骤三，依据星下点经纬度给出太阳高度角的计算公式，并根据太阳光照与卫星轨道间的几何关系，计算出卫星数据传输时的太阳高度角限制；
步骤四，结合数据传输距离限制和太阳高度角限制，筛选可以进行数据传输的地面站，并计算数据传输业务开始的执行时刻。
进一步，步骤一中所述卫星星下点地面轨迹包括卫星经纬度轨迹和卫星起始点轨迹；所述卫星经纬度轨迹公式为：
其中和λ分别为地心纬度和地心经度，δ和α分别为赤纬和赤经。i为轨道倾角，u为纬度幅角，Ω为升交点赤经，wE为地球自转角速度，wu是纬度幅角的变化率，WΩ为升交点赤经的平均变化率；所述卫星起始点轨迹公式为：
其中常数项C表示为卫星当圈的升交点地理经度。
进一步，所述卫星经纬度轨迹公式应用于TOD坐标系下，仅考虑J2平均摄动效果。
进一步，地面站与卫星星下点之间的限制球面距离表示为：
其中，B表示地面站，D表示卫星星下点，RE表示地球半径，∠BAC表示地心角；若地面站和星下点间的最小球面距离dmin小于限制球面距离/>则卫星对该地面站规划的数据传输地面站可以接收到。
进一步，所述太阳高度角的计算公式为： 其中h为太阳高度，/>为星下点地理纬度，δs为太阳赤纬，ts为太阳时角。
进一步，太阳赤纬δs拟合计算公式表示为：
δs＝0.3723+23.2567sinθs+0.1149sin(2θs)-0.1712sin(3θs)-0.758cosθs+0.3656cos(2θs)+0.0201cos(3θs)，其中，θs为当前时刻日角。
进一步，太阳时角ts的计算公式为：ts＝15(ta-12)，其中，ta为真太阳时，ts的单位为度。
进一步，卫星数据传输时太阳高度角限制为h<humbra，其中，humbra为卫星刚出地影区时的太阳高度角，其计算公式为：其中，a为轨道半长轴。
进一步，当预测计算的星下点轨迹与地面站距离d满足且卫星的太阳高度角满足h<humbra时，卫星筛选出满足要求的地面站规划数传业务，地面站和星下点间的距离为最小球面距离dmin时星下点对应的时刻即为数传业务中间时刻tcenter，数传业务开始时刻为(tcenter-300)秒。
本发明的有益效果为：本发明所给出的卫星自主数传快速判定及任务参数计算方法，具有算法简单、计算量小、计算结果准确等优点，计算效率远高于传统方法，满足星载计算机的性能限制，能够在星上自主运行。
附图说明
图1为地面数传站与卫星之间的几何关系示意图；
图2为刚出地影区时卫星与太阳之间的几何关系示意图；
图3为第0圈时卫星自主数传任务规划计算示意图；
图4为第6圈时卫星自主数传任务规划计算示意图；
图5为第7圈时卫星自主数传任务规划计算示意图；
图6为第9圈时卫星自主数传任务规划计算示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
本发明采用构建卫星星下点轨迹的方式，结合数传站仰角限制与卫星轨道间的几何关系，计算出星下点和地面站的数传距离限制，并且考虑光照条件对卫星数传的影响，判定可否进行数传业务。对能够进行数传业务的地面站，进一步搜索出对应的数传时刻作为对应的成像参数。
本实施例提供的方法主要包括以下步骤：
步骤一，推导出需要用到的卫星星下点地面轨迹公式，输入卫星对应的轨道参数，构建出对应的卫星星下点轨迹解析表达式；
步骤二，根据数传站仰角限制与卫星轨道间的几何关系，计算出星下点和地面站的数传距离限制；
步骤三，依据星下点经纬度给出太阳高度角的计算公式，并根据太阳光照与卫星轨道间的几何关系，计算出卫星数传时的太阳高度角限制；
步骤四，结合数传距离限制和太阳高度角限制，筛选可数传的地面站，并计算数传业务开始的执行时刻。
下面对每个步骤具体进行阐释：
步骤一的目的是构建出对应卫星轨道的星下点轨迹表达式。
首先进行公式的推导，星下点经纬度变化率表达式如下所示，该式应用于TOD坐标系下，仅考虑J2平均摄动效果：
其中φ和λ分别为地心纬度和地心经度，δ和α分别为赤纬和赤经。i为轨道倾角，u为纬度幅角，Ω为升交点赤经，wE为地球自转角速度。wu＝du/dt是纬度幅角的变化率，对于小偏心率轨道可以采用近似公式：
由J2造成的Ω的平均变化率公式为：
将星下点经纬度变化率表达式的自变量换为纬度幅角u,通过解微分方程，推导得到以纬度为自变量的经度表达式为：
其中常数项C表示为卫星当圈的升交点地理经度LAN。λ为地心纬度，实际使用为了提高计算精度，需要应用下式转换到地理纬度：
φ1＝φ-f sin(2φ)
其中φ1为地理纬度，f为地球扁率。地心纬度和纬度幅角的关系可以表达为：
根据上式可以得到对应纬度下的卫星纬度幅角。
以纬度为自变量的经度表达式的输入参数包括轨道半长轴a,轨道倾角i,升交点地理经度LAN.其中轨道半长轴和倾角可以采用对应的平均轨道半长轴和平均倾角近似代替。
考虑到卫星的交点周期P为:
则当圈的升交点时刻与当前输入卫星时刻差值的绝对值可以表示为dt＝Pu/360°，并由此递推卫星当圈在星下点轨迹上任意一点所对应的时刻。
对于未来多圈的星下点轨迹预测第N圈的升交点地理经度可由如下公式递推得到：
第N圈卫星过升交点时刻为
TLAN＝Time-dt+P×N
其中Time为当前时刻，N＝0代表第0圈，即当圈的计算结果。
步骤二的目的是星下点和地面站的数传距离限制计算。
地面数传站与卫星之间的几何关系如图1所示。
其中，BE为数传站的地表平面，∠CBE为数传站仰角，AB即为地球半径RE，AC为卫星的轨道半长轴a，∠ABE＝90°，∠ACB为锐角，D为卫星C的星下点。由于地面数传站有仰角限制，即仰角∠CBE已知，则根据正弦定理计算可得：
则∠ACB可以根据公式10求得，地心角∠BAC＝90°-∠CBE-∠ACB，数传站B与卫星星下点D之间的限制球面距离可以表示为：
若地面站和星下点间的最小球面距离dmin小于限制球面距离则卫星对该地面站规划的数据传输地面站可以接收到。
步骤三的目的是进行太阳高度角计算及太阳高度角限制计算。
设太阳高度角为h，则有：
其中为星下点地理纬度，δs为太阳赤纬，ts为太阳时角，下面开始拟合计算太阳赤纬，设标准年积日为DOY0，其计算公式如下：
DOY0＝79.6764+0.2422(Year-1985)-floor(0.25(Year-1985))
其中Year为当前时刻所在年份，floor(x)函数为向下取整。设当前时刻日角为θs，则其计算公式如下：
θs＝2π(DOY-DOY0)/365.2422
其中θs的单位为弧度，DOY为当前时刻对应的年积日。
根据当前时刻日角，太阳赤纬拟合计算公式可以表示为：
δs＝0.3723+23.2567sinθs+0.1149sin(2θs)-0.1712sin(3θs)-0.758cosθs+0.3656cos(2θs)+0.0201cos(3θs)
其中δs的单位为度。
此外，当前真太阳时与平太阳时时差dts可以表示为：
dts＝0.0028-1.9857sinθs+9.9059sin(2θs)-7.0924cosθs-0.6882cos(2θs)
其中，dts的单位为分钟。
设当前时刻目标点平太阳时为t,，则其中tm的单位小时，为星下点地理经度，UTC为当前时刻所对应的协调世界时。当前时刻目标点平太阳时tm与时差dts相加，所得结果即为真太阳时ta。
根据当前时刻真太阳时，太阳时角计算公式可以表示为ts＝15(ta-12)，其中ts的单位为度。
根据计算得到的太阳赤纬、太阳时角和根据星下点轨迹预测的星下点点地理纬度，可以求得太阳高度角的正弦。因为太阳高度角的变化范围为[-90°90°]，所以可以对太阳高度角进行求解。
卫星在进行数传业务时会进行大角度的姿态机动，为了避免数传业务时星上光学载荷受太阳光直射而受损，数传业务一般在卫星的阴影区进行。对于卫星的阳照和地影，刚出地影区时卫星与太阳之间的几何关系如图2所示。
则卫星刚出地影区时的太阳高度角计算公式为：
自主数传业务的太阳高度角限制即为h<humbra。
卫星在进行数传业务时会进行大角度的姿态机动，为了避免数传业务时星上光学载荷受太阳光直射而受损，数传业务一般在卫星的阴影区进行。对于卫星的阳照和地影，刚出地影区时卫星与太阳之间的几何关系如图2所示。
则卫星刚出地影区时的太阳高度角计算公式为：
自主数传业务的太阳高度角限制即为h<humbra。
步骤四的目的是进行可用地面站筛选及数传业务参数计算。
对于自主数传，当预测计算的星下点轨迹与地面站满足且卫星的太阳高度角满足h<humbra时，卫星筛选出满足要求的地面站可以规划数传业务，地面站和星下点间的距离为最小球面距离dmin时星下点对应的时刻即为数传业务中间时刻tcenter，即卫星时刻为tcenter时自主数传业务进行了一半。考虑到数传业务的持续时间一般为600秒，则数传业务开始时刻为tcenter-300秒，卫星会根据地面站的经纬度和业务开始时刻自主规划数传业务。
应用“吉林一号”在轨卫星轨道数据，计算效果表明：成像点判定算法高效准确，数传业务参数计算满足要求。本文采用来自吉林一号某星的在轨数据进行分析，卫星的轨道半长轴为6913.397km，轨道倾角为97.542°，升交点地理经度为308.613°，历元时刻为北京时间2022/05/01 11:18:20，数传站仰角限制为≥5°，则卫星星下点与地面站之间的球面距离限制应满足 卫星太阳高度角限制应满足h<-23.3393°。
卫星的地面数传站取长春、喀什、三亚、密云，以历元时刻卫星所在圈次为第0圈，没有数传机会的数传站由黄色星号代表，有数传机会的数传站由红色星号代表，则不同圈次下卫星自主数传任务规划计算如图3-图6所示，分别表示第0、6、7、9圈。
卫星第0圈在地面站附近时位于阳照区，不满足太阳高度角的限制条件；第6圈星下点距离最近的地面站2189.759km，不满足距离限制条件；第7圈卫星经过长春和密云站时处于阴影区，满足太阳高度角的限制条件，星下点距离长春469.858km，距离密云1254.296km，满足距离限制条件；第9圈卫星经过三亚和喀什站时处于阴影区，满足太阳高度角的限制条件，星下点距离三亚2005.248km，距离密云747.968km，满足距离限制条件。因此第0圈和第6圈均没有自主数传机会，第7圈卫星经过长春和密云站时有自主数传机会，第9圈卫星经过三亚和喀什站时有自主数传机会，和实际情况相符，本专利判定方法实际有效。
卫星在第7圈和第9圈数传开始时刻的计算结果与实际验证结果的对比如表1所示。
表1：
圈次 地面站 计算结果(s) 对比验证(s) 计算误差(s)
7 密云 704685648.775 704685643.299 +5.476
7 长春 704685664.233 704685658.710 +5.523
9 三亚 704696638.135 704696632.538 +5.597
9 喀什 704697051.021 704697045.516 +5.505
实际应用效果表明，自主数传的计算误差在实际应用的允许范围内，整个计算过程在I7，1.8GHz计算机的环境下用时在0.1s以内，该算法计算结果准确快速高效，能够保证星上实际的任务需求。

Claims (8)

1.一种卫星自主数传快速判定及任务参数计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，推导出需要用到的卫星星下点地面轨迹公式，输入卫星对应的轨道参数，构建出对应的卫星星下点轨迹解析表达式；
步骤二，根据数据传输站仰角限制与卫星轨道间的几何关系，计算出星下点和地面站的数据传输距离限制；
步骤三，依据星下点经纬度给出太阳高度角的计算公式，并根据太阳光照与卫星轨道间的几何关系，计算出卫星数据传输时的太阳高度角限制；
步骤四，结合数据传输距离限制和太阳高度角限制，筛选可以进行数据传输的地面站，并计算数据传输业务开始的执行时刻；
所述卫星星下点地面轨迹包括卫星经纬度轨迹和卫星起始点轨迹；所述卫星经纬度轨迹公式为：
其中和λ分别为地心纬度和地心经度，δ和α分别为赤纬和赤经；i为轨道倾角，u为纬度幅角，Ω为升交点赤经，wE为地球自转角速度，wu是纬度幅角的变化率，WΩ为升交点赤经的平均变化率；所述卫星起始点轨迹公式为：
其中常数项C表示为卫星当圈的升交点地理经度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星经纬度轨迹公式应用于TOD坐标系下，仅考虑J2平均摄动效果。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，地面站与卫星星下点之间的限制球面距离表示为：其中，B表示地面站，D表示卫星星下点，RE表示地球半径，∠BAC表示地心角；若地面站和星下点间的最小球面距离dmin小于限制球面距离/>则卫星对该地面站规划的数据传输地面站可以接收到。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述太阳高度角的计算公式为：其中h为太阳高度，为星下点地理纬度，δs为太阳赤纬，ts为太阳时角。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，太阳赤纬δs拟合计算公式表示为：
δs＝0.3723+23.2567sinθs+0.1149sin(2θs)-0.1712sin(3θs)-0.758cosθs+0.3656cos(2θs)+0.0201cos(3θs)，其中，θs为当前时刻日角。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，太阳时角ts的计算公式为：ts＝15(ta-12)，其中，ta为真太阳时，ts的单位为度。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，卫星数据传输时太阳高度角限制为h<humbra，其中，humbra为卫星刚出地影区时的太阳高度角，其计算公式为：其中，a为轨道半长轴。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当预测计算的星下点轨迹与地面站距离d满足且卫星的太阳高度角满足h<humbra时，卫星筛选出满足要求的地面站规划数传业务，地面站和星下点间的距离为最小球面距离dmin时星下点对应的时刻即为数传业务中间时刻tcenter，数传业务开始时刻为(tcenter-300)秒。
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