本發(fā)明涉及天基觀測(cè)，具體是一種考慮衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的載荷覆蓋條帶確定方法。

背景技術(shù)：

1、具有廣覆蓋、高通量、低時(shí)延等特征的大規(guī)模低軌衛(wèi)星星座受到廣泛關(guān)注，目前在通信、導(dǎo)航、遙感等應(yīng)用領(lǐng)域迅速發(fā)展。星座規(guī)模的急劇增加對(duì)有效載荷快速、準(zhǔn)確的覆蓋分析帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。對(duì)地覆蓋是指衛(wèi)星在某段時(shí)間或者某一時(shí)刻下對(duì)地面目標(biāo)的覆蓋狀態(tài)，衛(wèi)星在應(yīng)用時(shí)均需考慮載荷的實(shí)際覆蓋范圍。在對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域，隨著衛(wèi)星姿態(tài)控制能力和光學(xué)傳感器技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能夠在衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程中完成推掃成像的新一代敏捷衛(wèi)星，即具有動(dòng)中成像能力的超敏捷衛(wèi)星，如高分多模綜合成像衛(wèi)星。傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星在圖像采集時(shí)需保持姿態(tài)固定，僅依靠相對(duì)地球的軌道運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星飛行方向一致的條帶覆蓋，而超敏捷衛(wèi)星在成像的過(guò)程中，其成像方向可不沿衛(wèi)星的飛行方向。由于載荷工作時(shí)同時(shí)存在衛(wèi)星平臺(tái)的軌道運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)變化，因此有效載荷的覆蓋范圍計(jì)算將更加復(fù)雜，極大增加了載荷覆蓋分析的挑戰(zhàn)性。

2、衛(wèi)星載荷覆蓋能力分析是資源規(guī)劃與任務(wù)安排的基礎(chǔ)，已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注，目前的研究方法主要可以分為幾何分析法和數(shù)值求根法。幾何分析法根據(jù)衛(wèi)星與地面的相對(duì)位置，通過(guò)建立幾何關(guān)系給出衛(wèi)星載荷的覆蓋情況。mai等針對(duì)低軌太陽(yáng)同步軌道，提出兩階段的搜索算法確定衛(wèi)星載荷對(duì)地面目標(biāo)的可見(jiàn)窗口，wu等將該方法改進(jìn)為更精細(xì)的三相搜索法，但上述方法僅適用于近圓形軌道，且計(jì)算精度較低。ulybyshev提出二維覆蓋映射平面概念，將衛(wèi)星運(yùn)行軌跡映射為平面上的線段，然后進(jìn)行可見(jiàn)性分析，該方法僅適用于圓軌道航天器、圓形載荷視場(chǎng)與圓球型地球模型。胡雅斯等通過(guò)視場(chǎng)半角定義成像載荷，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換確定視場(chǎng)在球面上的覆蓋范圍，方法普適性較好，但在高緯度地區(qū)，計(jì)算精度會(huì)下降；李冬等針對(duì)圓形與矩形載荷視場(chǎng)，提出了衛(wèi)星觀測(cè)區(qū)域目標(biāo)的大圓近似算法，該方法計(jì)算精度較低且僅適用于二體軌道；在假設(shè)地球?yàn)閳A球的情況下，dai等提出一種計(jì)算衛(wèi)星連續(xù)覆蓋范圍的球面細(xì)分方法，zuo等基于包絡(luò)曲線理論計(jì)算衛(wèi)星圓錐載荷的覆蓋邊界，未考慮衛(wèi)星的姿態(tài)機(jī)動(dòng)；此后，han等提出視場(chǎng)映射方法，可以將視場(chǎng)幾何參數(shù)映射到由升交點(diǎn)經(jīng)度和緯度幅角組成的平面中，進(jìn)而確定對(duì)目標(biāo)的可見(jiàn)窗口。

3、覆蓋分析中的數(shù)值方法側(cè)重于通過(guò)設(shè)計(jì)迭代策略以減少計(jì)算消耗。alfano等利用混合拋物線方法來(lái)近似圓錐載荷的可見(jiàn)性曲線。song等基于網(wǎng)格點(diǎn)方法，提出瞬時(shí)可見(jiàn)性條件以計(jì)算衛(wèi)星覆蓋性能。沈欣等將衛(wèi)星覆蓋范圍等效為特征圓錐，進(jìn)而判斷是否滿足成像條件，該方法僅適用于圓錐視場(chǎng)載荷。gu等基于kriging插值實(shí)現(xiàn)快速的星地覆蓋分析，獲取衛(wèi)星對(duì)地面目標(biāo)的可見(jiàn)窗口。han等結(jié)合自適應(yīng)插值技術(shù)提出一種可見(jiàn)性計(jì)算方法，能夠減少計(jì)算時(shí)間。鄂智博等提出圓形與矩形視場(chǎng)對(duì)區(qū)域目標(biāo)的可見(jiàn)性依據(jù)，并基于離散步長(zhǎng)確定可見(jiàn)窗口。wang等針對(duì)圓形視場(chǎng)載荷，提出了衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)下的覆蓋分析方法，能夠確定一段時(shí)間內(nèi)載荷對(duì)區(qū)域目標(biāo)的覆蓋率。gu等提出了地面仰角視元的概念，結(jié)合幾何分析法和數(shù)值搜索方法，解決了考慮地面仰角約束下的衛(wèi)星載荷對(duì)地覆蓋窗口計(jì)算問(wèn)題。

4、然而，目前方法中仍存在以下局限性問(wèn)題。首先，大多數(shù)工作沒(méi)有研究衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)與姿態(tài)機(jī)動(dòng)同時(shí)存在的情況下，載荷覆蓋范圍的確定方法；其次，衛(wèi)星攜帶的載荷視場(chǎng)類(lèi)型多樣，多數(shù)研究工作僅針對(duì)單一視場(chǎng)類(lèi)型的覆蓋特性開(kāi)展研究，難以滿足大規(guī)模星座多類(lèi)型載荷的覆蓋分析要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明供一種考慮衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的載荷覆蓋條帶確定方法，具有良好的有效性和高效性，能夠有效地適用于超敏捷對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的載荷覆蓋范圍計(jì)算需求。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種考慮衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的載荷覆蓋條帶確定方法，包括如下步驟：

3、步驟1，將衛(wèi)星上成像載荷的場(chǎng)邊界離散為若干載荷視元，并計(jì)算得到各所述載荷視元在地球球面上投影點(diǎn)的位置；

4、步驟2，基于衛(wèi)星繞地球進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)引起的速度變化以及衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)引起的速度變化，計(jì)算得到各所述載荷視元投影點(diǎn)的速度；

5、步驟3，基于各所述載荷視元投影點(diǎn)的位置與速度，分別對(duì)各所述載荷視元投影點(diǎn)計(jì)算指標(biāo)函數(shù)，并基于指標(biāo)函數(shù)篩選出能夠作為覆蓋區(qū)域包絡(luò)點(diǎn)的投影點(diǎn)，從而得到載荷覆蓋條帶。

6、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益技術(shù)效果：

7、1.本發(fā)明針對(duì)衛(wèi)星載荷視場(chǎng)在地球表面的瞬時(shí)覆蓋計(jì)算問(wèn)題，提出了基于衛(wèi)星載荷視元的覆蓋范圍確定方法，通過(guò)計(jì)算述載荷視元在地球球面上投影點(diǎn)的位置與速度，根據(jù)不同載荷視元的投影點(diǎn)結(jié)果即可得到載荷視場(chǎng)在地球表面的瞬時(shí)覆蓋區(qū)域，有效地保障了計(jì)算的準(zhǔn)確信和高效性；

8、2.本發(fā)明為了確定在一段時(shí)間內(nèi)的載荷覆蓋范圍，提出了基于包絡(luò)點(diǎn)的覆蓋條帶確定方法，并在優(yōu)選方案中分別針對(duì)圓錐載荷和矩形載荷提出了包絡(luò)點(diǎn)判據(jù)，能夠?qū)⒍鄠€(gè)瞬時(shí)覆蓋范圍聯(lián)接成載荷覆蓋條帶，實(shí)現(xiàn)考慮衛(wèi)星姿軌復(fù)合運(yùn)動(dòng)下載荷對(duì)地覆蓋條帶的快速計(jì)算。

技術(shù)特征：

1.一種考慮衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的載荷覆蓋條帶確定方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的載荷覆蓋條帶確定方法，其特征在于，所述載荷視元在地球球面上投影點(diǎn)的位置具體包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的考慮衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的載荷覆蓋條帶確定方法，其特征在于，所述在地心慣性坐標(biāo)系下獲取載荷視元的方向矢量rl，具體為：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的考慮衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的載荷覆蓋條帶確定方法，其特征在于，所述載荷視元的投影點(diǎn)與衛(wèi)星載荷中心之間距離dt的計(jì)算過(guò)程具體為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的考慮衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的載荷覆蓋條帶確定方法，其特征在于，步驟2具體為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的考慮衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的載荷覆蓋條帶確定方法，其特征在于，當(dāng)衛(wèi)星上成像載荷視場(chǎng)為圓錐載荷視場(chǎng)時(shí)，步驟3具體包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的考慮衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的載荷覆蓋條帶確定方法，其特征在于，當(dāng)衛(wèi)星上成像載荷視場(chǎng)為矩形載荷視場(chǎng)時(shí)，步驟3具體包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種考慮衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的載荷覆蓋條帶確定方法，包括如下步驟：將衛(wèi)星上成像載荷的場(chǎng)邊界離散為若干載荷視元，并計(jì)算得到各所述載荷視元在地球球面上投影點(diǎn)的位置；基于衛(wèi)星繞地球進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)引起的速度變化以及衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)引起的速度變化，計(jì)算得到各所述載荷視元投影點(diǎn)的速度；基于各所述載荷視元投影點(diǎn)的位置與速度，分別對(duì)各所述載荷視元投影點(diǎn)計(jì)算指標(biāo)函數(shù)，并基于指標(biāo)函數(shù)篩選出能夠作為覆蓋區(qū)域包絡(luò)點(diǎn)的投影點(diǎn)，從而得到載荷覆蓋條帶。本發(fā)明涉及天基觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具有良好的有效性和高效性，能夠有效地適用于超敏捷對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的載荷覆蓋范圍計(jì)算需求。

技術(shù)研發(fā)人員：顧軼,伍國(guó)華
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14