一種衛(wèi)星對月定標(biāo)的時(shí)間規(guī)劃方法
【專利摘要】一種衛(wèi)星對月定標(biāo)的時(shí)間規(guī)劃方法，包括以下步驟：利用衛(wèi)星工具軟件初步確定衛(wèi)星對月定標(biāo)時(shí)間；根據(jù)公式確定對月定標(biāo)具體開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和相機(jī)曝光時(shí)間；根據(jù)星歷獲取月球位置參數(shù)和衛(wèi)星軌道要素，由公式求得衛(wèi)星定標(biāo)期間各個(gè)時(shí)刻的補(bǔ)償角速度，求取該角速度的最大和最小值；選取回到定標(biāo)初始位置的不同方式，計(jì)算兩種方式下的機(jī)動(dòng)時(shí)間，最終確定衛(wèi)星定標(biāo)次數(shù)，完成衛(wèi)星對月定標(biāo)的時(shí)間規(guī)劃。
【專利說明】
-種衛(wèi)星對月定標(biāo)的時(shí)間規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種衛(wèi)星對絕對月定標(biāo)的時(shí)間規(guī)劃方法，屬于遙感儀器定標(biāo)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著遙感業(yè)務(wù)應(yīng)用多樣化和深入性，進(jìn)一步提高衛(wèi)星定量遙感精度越來越迫切。 遙感器發(fā)射前定標(biāo)主要采用實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)，而在軌定標(biāo)主要的采用的方式有地面場地定標(biāo)、 內(nèi)置燈定標(biāo)等。對地定標(biāo)存在地面定標(biāo)場地和定標(biāo)時(shí)機(jī)的限制。采用內(nèi)置燈作為定標(biāo)源，只 能對一部分視場定標(biāo)，同時(shí)定標(biāo)燈本身的衰減無法測定。
[0003] 月球是除太陽外我們所能觀察到的最大的光源，依靠反射太陽而發(fā)光，其光譜特 性與太陽光譜的自身吸收、反射有關(guān)，穩(wěn)定性好，且光強(qiáng)一般在遙感器動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，可將遙 感器直接對月成像。采取對月定標(biāo)的方式可實(shí)現(xiàn)高定標(biāo)精度，適合長壽命遙感衛(wèi)星。
[0004] 由于月球距地球距離較遠(yuǎn)，在衛(wèi)星視場中視場角很小，在一個(gè)定標(biāo)周期內(nèi)，如果只 進(jìn)行一次定標(biāo)，遠(yuǎn)不能完成對整個(gè)視場的絕對定標(biāo)，想要在定標(biāo)期間盡可能多的對相機(jī)進(jìn) 行定標(biāo)，需要通過姿態(tài)機(jī)動(dòng)的方式，在一個(gè)定標(biāo)周期內(nèi)進(jìn)行多次定標(biāo)，在進(jìn)行多次定標(biāo)的過 程中，需要對定標(biāo)時(shí)間進(jìn)行規(guī)劃，W保證在定標(biāo)周期內(nèi)，盡可能多的進(jìn)行定標(biāo)。時(shí)間規(guī)劃就 是在分析衛(wèi)星對月定標(biāo)過程的情況下，詳細(xì)確定衛(wèi)星對月定標(biāo)過程中時(shí)間安排，通過對姿 態(tài)機(jī)動(dòng)方式、回位方式等過程的選擇與考慮，得到定標(biāo)期間的時(shí)間規(guī)劃方案。
[0005] 衛(wèi)星的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力已知，根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力求出衛(wèi)星在定標(biāo)期間各個(gè)位置 的補(bǔ)償角速度，設(shè)計(jì)衛(wèi)星回到起始位的回位方式，定義機(jī)動(dòng)時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間和回位時(shí)間，確 定完成一次定標(biāo)需要的總時(shí)間并繪制衛(wèi)星機(jī)動(dòng)曲線，完成對月定標(biāo)過程的時(shí)間規(guī)劃。對月 定標(biāo)任務(wù)是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性工程技術(shù)，在任務(wù)方案設(shè)計(jì)階段，必須要有詳細(xì)的時(shí)間規(guī)劃 方法，從而在月球本身在相機(jī)視場較小的情況下，獲取得到足夠多CCD像元的定標(biāo)數(shù)據(jù)，提 高定標(biāo)效率，保證定標(biāo)任務(wù)順利進(jìn)行。
[0006] 在完成時(shí)間規(guī)劃任務(wù)的同時(shí)，本發(fā)明通過最大值和最小值限定的方式，可W求出 衛(wèi)星在定標(biāo)期間可進(jìn)行的定標(biāo)次數(shù)。該定標(biāo)次數(shù)對于衛(wèi)星定標(biāo)任務(wù)的任務(wù)規(guī)劃具有指導(dǎo)作 用，通過衛(wèi)星本身姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力的分析和定標(biāo)次數(shù)的綜合考慮，為確定最終的定標(biāo)方案提 供參考。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種衛(wèi)星對絕對月定標(biāo)的 時(shí)間規(guī)劃方法，通過對衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)特點(diǎn)的分析，確定衛(wèi)星在定標(biāo)期間的姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)間，并 繪制機(jī)動(dòng)曲線，確定衛(wèi)星定標(biāo)次數(shù)，解決衛(wèi)星定標(biāo)期間時(shí)間規(guī)劃問題。
[000引本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種衛(wèi)星對絕對月定標(biāo)的時(shí)間規(guī)劃方法，步驟如下：
[0009] (1)使用STK建立仿真場景模型，模型中包括月球，地球，太陽，衛(wèi)星和星上傳感器； 設(shè)置衛(wèi)星軌道參數(shù)、姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力參數(shù)、星上傳感器參數(shù)和衛(wèi)星初始姿態(tài)；
[0010] (2)根據(jù)步驟(1)中的場景特征，初步確定對月定標(biāo)時(shí)間窗口；利用STK設(shè)置月相角 在[3°，r]時(shí)衛(wèi)星對月球全部可見時(shí)間段Τ1、Τ2……化，作為初步衛(wèi)星對月定標(biāo)時(shí)間窗口；
[0011] (3) W步驟(2)中確定的定標(biāo)時(shí)間窗口為基礎(chǔ)，精確確定對月定標(biāo)時(shí)間窗口；求取 衛(wèi)星進(jìn)入地影區(qū)時(shí)間11和進(jìn)入陽照區(qū)時(shí)間t2，[ ti，t2 ]即為精確對月定標(biāo)時(shí)間窗口；
[0012] (4)計(jì)算t時(shí)刻衛(wèi)星需要補(bǔ)償?shù)慕撬俣?10，*￡[*1，*2]，具體計(jì)算方法如下：
[0013] 求取衛(wèi)星與月球的距離：
[0014] L = S-(RE+h)sin( ω t+β)；
[001引其中S為地屯、到月屯、的距離，貼為地球平均半徑，h為衛(wèi)星軌道高度，ω為角速度，β 是黃白交角；
[0016] 求取衛(wèi)星定標(biāo)期間在月球表面的地面采樣間隔GSD:
[0017]
[001引其中Rm是月球平均半徑;α為衛(wèi)星側(cè)擺角;Ρ為像元尺寸，f為焦距；
[0019] 求取衛(wèi)星的星下點(diǎn)地速：
[0020]
[00別]其中μ為地球引力常數(shù)，y = 3.986Xl〇5kmVs2。
[0022] 求取理論積分時(shí)間：
[0023]
[0024] 其中GSD/是相機(jī)的地面采樣間隔。
[0025] 求取實(shí)際推掃速度和補(bǔ)償速度：
[0026] v= ω L
[0027]
[0028] 計(jì)算獲得補(bǔ)償角速度大?。?br>[0029]
;
[0030] (5)根據(jù)兩種不同的成像方式，計(jì)算單次定標(biāo)時(shí)間ΤΤ1，具體為：
[0031] 定義對月定標(biāo)中成像方式分為兩種，第一種為先進(jìn)行滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)，再進(jìn)行俯仰機(jī)動(dòng)， 推掃方向與衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向相同，第二種為先進(jìn)行俯仰機(jī)動(dòng)，再進(jìn)行滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)，推掃方向與衛(wèi) 星運(yùn)動(dòng)方向相反；當(dāng)選擇第一種時(shí)，衛(wèi)星補(bǔ)償角速度大小
，當(dāng)選擇第二種 時(shí)，衛(wèi)星補(bǔ)償角速度大小
Η受《min(補(bǔ))為衛(wèi)星最小補(bǔ)償角速度，即第一種方 式處于赤道時(shí)的補(bǔ)償角速度，W及第二種方式處于兩極時(shí)的補(bǔ)償角速度；《max訊)為衛(wèi)星最 大補(bǔ)償角速度，即第一種方式處于兩極時(shí)的補(bǔ)償角速度，W及第二種方式處于赤道時(shí)的補(bǔ) 償角速度;設(shè)衛(wèi)星最大俯仰機(jī)動(dòng)角速度為ω Y max，ω Y max〉ω max(補(bǔ))，俯仰最大姿態(tài)機(jī)動(dòng)角加速 度為aY，ta為衛(wèi)星加速時(shí)間，ts為衛(wèi)星穩(wěn)定時(shí)間，td為衛(wèi)星減速時(shí)間，則在精確對月定標(biāo)時(shí)間 窗口 [tl，t2]內(nèi)單次定標(biāo)時(shí)間TT1的求法如下：
[0044] (6)使衛(wèi)星視軸回到定標(biāo)初始位置，并計(jì)算衛(wèi)星回到初始位置的最長機(jī)動(dòng)時(shí)間 TT2max和最短機(jī)動(dòng)時(shí)間TT2min ;
[0045] (7)計(jì)算得到在一次定標(biāo)過程中，衛(wèi)星完成的定標(biāo)次數(shù)。
[0046] 步驟(6)中計(jì)算衛(wèi)星回到初始位置的最長機(jī)動(dòng)時(shí)間TT2max和最短機(jī)動(dòng)時(shí)間TT2min 的具體方法為：
[0047] 采用反向機(jī)動(dòng)的方式回位的總用時(shí)求法：
[004引衛(wèi)星返回需要機(jī)動(dòng)的最大角度巧為：
[0化2] 當(dāng)
，時(shí)，衛(wèi)星返回下次定標(biāo)位置需要最長時(shí)間TT2max:
[0化3]
[0化4]衛(wèi)星返回下次定標(biāo)位置需要最短時(shí)間TT2min:
[ο化5]
[0056]當(dāng)
巧，衛(wèi)星返回下次定標(biāo)位置需要的最 長時(shí)間TT2max:
[0060] 步驟(6 )中計(jì)算衛(wèi)星回到初始位置的最長機(jī)動(dòng)時(shí)間TT2max和最短機(jī)動(dòng)時(shí)間TT2min的 具體方法為：
[0061] 采用繞巧由進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)的方式回位的總時(shí)間求法：
[0062] 設(shè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)動(dòng)的最大角加速度為az，最大角速度為Wz_max，則衛(wèi)星繞Z軸旋轉(zhuǎn) 180°的方式回位用時(shí)求法如下：
[0069] 在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，衛(wèi)星會(huì)在軌道運(yùn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)動(dòng)的角度為
[0070] 入=C0TT2turn，
[0071] 即每次滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)時(shí)，衛(wèi)星都因軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生λ角度的機(jī)動(dòng)，為保證第Ξ次機(jī)動(dòng)有足 夠的機(jī)動(dòng)角度，需要第二次機(jī)動(dòng)時(shí)補(bǔ)償相應(yīng)機(jī)動(dòng)角度，完成兩次完整擺掃，并回位需要附加 時(shí)間最長為：
[0072]
[0073] 即一次平均夫
[0074] 同理回位需要附加最短時(shí)間平均一次為：
[0075]
。
[0076] 步驟(7)的具體方法為：
[0077] 采用反向機(jī)動(dòng)的方式回位，定標(biāo)次數(shù)N的求取方法：
[0085] 則衛(wèi)星采用反向機(jī)動(dòng)方式回位的定標(biāo)次數(shù)為
[0086] Nmin<N<Nmax。
[0087] 步驟(7)的具體方法為：
[0088] 采用繞巧由旋轉(zhuǎn)180°的方式回位，定標(biāo)次數(shù)N的求取方法：
[0089] 當(dāng)
[0097] 同理可得
[0101]則衛(wèi)星采用繞巧由旋轉(zhuǎn)180°的方式回位的定標(biāo)次數(shù)為
[01 0^ Nturnjnin < N<Nturn_max。
[0103] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0104] (1)本發(fā)明提出衛(wèi)星絕對定標(biāo)的時(shí)間規(guī)劃方法，有效解決掉了衛(wèi)星在對月定標(biāo)期 間，由于月球視場角小，不能夠?qū)θ晥鲞M(jìn)行定標(biāo)的問題。
[0105] (2)定標(biāo)期間根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力的不同，選擇不同的機(jī)動(dòng)回位方式，規(guī)劃定標(biāo) 時(shí)間，獲得機(jī)動(dòng)曲線，確定定標(biāo)次數(shù)，對衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃有著重要的參考意義。在具體任務(wù)規(guī) 劃過程中，在定標(biāo)方案開始提出，針對不同視場寬度相機(jī)，和衛(wèi)星不同機(jī)動(dòng)能力，設(shè)計(jì)機(jī)動(dòng) 策略，從而實(shí)現(xiàn)在一次定標(biāo)過程中完成對多片CCD的定標(biāo)工作。
【附圖說明】
[0106] 圖1為本發(fā)明方法的流程圖；
[0107] 圖2為本發(fā)明中定標(biāo)時(shí)機(jī)求解示意圖(A、B、C全在球面上）；
[010引圖3為本發(fā)明中衛(wèi)星定標(biāo)期間在月球表面的GSD求解示意圖；
[0109] 圖4為本發(fā)明采用反向機(jī)動(dòng)回位的示意圖；
[0110] 圖5為本發(fā)明采用繞偏航軸旋轉(zhuǎn)180°回位的示意圖；
[0111] 圖6為本發(fā)明采用反向機(jī)動(dòng)方式回位的"角速度-時(shí)間"曲線示意圖；
[0112] 圖7為本發(fā)明采用繞偏航軸旋轉(zhuǎn)180°回位的"角速度-時(shí)間"曲線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0113] 1建立仿真模型
[0114] 本步驟中使用了 STK作為仿真工具。打開STK軟件，新建衛(wèi)星，輸入軌道參數(shù)，包括 歷元時(shí)間、半長軸、偏屯、率、軌道傾角、近地點(diǎn)俯角、升交點(diǎn)精度、平近點(diǎn)角。建立月球模型， 在properties中勾選orbit選框，令月球軌道可見。
[0115] 在衛(wèi)星上新建傳感器，按照實(shí)際TDICCD的視場角對傳感器的視場進(jìn)行設(shè)定。
[0116] 2初步確定對月定標(biāo)時(shí)間
[0117] 已有的地面觀測模型R0L0的有效觀測范圍為[1.55°，97°]，在此范圍內(nèi)的觀測結(jié) 果均可W用作對月絕對定標(biāo)。根據(jù)已知的Rapideye衛(wèi)星對月定標(biāo)的特點(diǎn)，選擇月相角[3% 7° ]作為定標(biāo)初選角度，在運(yùn)個(gè)范圍內(nèi)月球接近滿月，亮度大，月球相對效應(yīng)影響小，適于進(jìn) 行絕對定標(biāo)。
[0118] 下面分析衛(wèi)星與月球的可見時(shí)間段，選定初選角度后[3%7° ]后，定義月相角為 "太陽一月球一地球"的夾角，具體方法為：使用Vector Geome化y Tool功能，定義兩向量 Moon-Earth向量和Moon-Sun向量，新建角度Phase_angle，定義該角度起始向量為Moon- Earth向量，終止向量為Moon-Sun向量，選擇Properties中Vector，點(diǎn)擊Add···，添加化ase_ angle,讓衛(wèi)星運(yùn)行，選擇月相角處于[3°，7°]時(shí)間，使用access功能，得到月相角處于[3°， 7°]時(shí)，所有星月可見時(shí)間段Τ1，Τ2……化，將運(yùn)些時(shí)間段，作為初選定標(biāo)時(shí)間。
[0119] 3、精確確定對月定標(biāo)時(shí)間
[0120] 確定初選定標(biāo)時(shí)間后，選擇其中一段Ti，求解精確定標(biāo)時(shí)間，在Ti時(shí)間段中，求衛(wèi) 星進(jìn)入陰影區(qū)時(shí)間tl和進(jìn)入陽照區(qū)時(shí)間t2,具體方法為：
[0121] 圖2中的楠圓表示衛(wèi)星軌道，AB和AC都是大圓弧。AB弧對應(yīng)的地屯、角為Umax，是陽光 和軌道面平行時(shí)，軌道地影所占的地屯、角，AC弧對應(yīng)的地屯、角為β，是陽光與軌道面的夾角， 化是地球平均半徑，h是軌道高度，U是陽光與軌道面不平行時(shí)，軌道地影所占的地屯、角（地 影弧長的一半）。
[0124] 選擇定標(biāo)時(shí)間段Ti，選定定標(biāo)時(shí)月相角Φ，根據(jù)衛(wèi)星軌道信息和太陽、月球的星歷 得到β角，帶入計(jì)算得到軌道地影所占的地屯、角U。
[0125] 在已經(jīng)求得U的情況下，需要知道C的位置，才能得到地影區(qū)的時(shí)間。如圖2所示，C 實(shí)際就是地影軸與軌道球面交點(diǎn)到軌道的垂點(diǎn)，設(shè)地屯、為0,則0Α與0C夾角最小，與地影軸 和軌道面夾角財(cái)目同。衛(wèi)星此時(shí)的位置為(λ，巧），對應(yīng)時(shí)刻為Tc，根據(jù)衛(wèi)星軌道周期計(jì)算，得 到對應(yīng)衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)間為
[0126]
(3)
[0127] 因此衛(wèi)星處于地影區(qū)的時(shí)間區(qū)間為
[012引[Tc-t，Tc+t] (4)
[0129] 即 tl=Tc-t，t2 = TcW。
[0130] 4求解補(bǔ)償角速度
[0131] 由于衛(wèi)星與月球距離較遠(yuǎn)，星下點(diǎn)移動(dòng)速度與衛(wèi)星積分時(shí)間不匹配，造成相機(jī)過 采樣，無法獲取正常月球圖像，為獲取月球正常采樣圖像，需要在衛(wèi)星利用姿態(tài)機(jī)動(dòng)方式進(jìn) 行速度補(bǔ)償，在得到衛(wèi)星精確定標(biāo)時(shí)間后，計(jì)算定標(biāo)期間，衛(wèi)星各個(gè)時(shí)刻需要的補(bǔ)償角速度 dO，衛(wèi)星處于各個(gè)定標(biāo)位置時(shí)補(bǔ)償角速度計(jì)算方法：
[0132] (4a)求取衛(wèi)星與月球的距離：
[0133] L = S-(RE+h)sin( ω t+β)；
[0134] 其中S為地屯、到月屯、的距離，Re為地球平均半徑，h為衛(wèi)星軌道高度，ω為角速度，β 是黃白交角；
[0135] (4b)求解衛(wèi)星定標(biāo)期間在月球表面的GSD:
[0136] 如圖3,瞬K
Α2Α4 = ΚΜ(λ2-λι)，求解A2A4的具體方法:Rm是月球 平均半徑，單位km; SO = L，是衛(wèi)星到月屯、的距離，單位km; L = RM+h，Η為衛(wèi)星到月球表面的距 離，單位km; α為衛(wèi)星側(cè)擺角，單位度
Ρ為像元尺寸，f為焦距。
[0137] 根據(jù)正弦定理得到：
[0144] 帶入公式得到定標(biāo)期間任意時(shí)刻的相機(jī)視場分辨率GSD:
[0145]
[0146] 其中Rm是月球平均半徑;α為衛(wèi)星側(cè)擺角;P為像元尺寸，f為焦距；
[0147] (4c)求取衛(wèi)星的星下點(diǎn)地速：
[014 引
[0149] 其中μ為地球引力常數(shù)，μ = 3.986 X l〇5km3/s2。
[0150] (4d)相機(jī)的理論積分時(shí)間：
[0151]
[0152] 其中GSD/是相機(jī)的地面采樣間隔。
[0153] (4e)求取實(shí)際推掃速度和補(bǔ)償速度：
[0154] v= ω 1^;
[0155]
[0156] (4f)計(jì)算獲得補(bǔ)償角速度大?。?br>[0157]
[0158] 其中，V是衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)在月球表面投影線速度，V是與積分時(shí)間相匹配的推掃 速度，即衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)正常成像需要的推掃速度。
[0159] 5計(jì)算單次定標(biāo)成像時(shí)間
[0160] 定義對月定標(biāo)中成像方式分為兩種，第一種為先進(jìn)行滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)，再進(jìn)行俯仰機(jī)動(dòng)， 推掃方向與衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向相同，第二種為先進(jìn)行俯仰機(jī)動(dòng)，再進(jìn)行滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)，推掃方向與衛(wèi) 星運(yùn)動(dòng)方向相反；當(dāng)選擇第一種時(shí)，衛(wèi)星補(bǔ)償角速度大小
，當(dāng)選擇第二種 時(shí)，衛(wèi)星補(bǔ)償角速度大小
設(shè)ω min訊)為衛(wèi)星最小補(bǔ)償角速度，即第一種方 式處于赤道時(shí)的補(bǔ)償角速度，W及第二種方式處于兩極時(shí)的補(bǔ)償角速度；《max訊)為衛(wèi)星最 大補(bǔ)償角速度，即第一種方式處于兩極時(shí)的補(bǔ)償角速度，W及第二種方式處于赤道時(shí)的補(bǔ) 償角速度;設(shè)衛(wèi)星最大俯仰機(jī)動(dòng)角速度為ω Y max，ω Y max〉ω max(補(bǔ))，俯仰最大姿態(tài)機(jī)動(dòng)角加速 度為aY，ta為衛(wèi)星加速時(shí)間，ts為衛(wèi)星穩(wěn)定時(shí)間，td為衛(wèi)星減速時(shí)間，則在精確對月定標(biāo)時(shí)間 窗口 [tl，t2]內(nèi)單次定標(biāo)時(shí)間TT1的求法如下：
[0163] 在月面推掃的最長用時(shí)tscan_max為：
[0164]
[01化]在月面推掃的最短用時(shí)tscan_min為：
[0166]
[0167]定標(biāo)次數(shù)為理論最少定標(biāo)次數(shù)(需要加速達(dá)到最大的補(bǔ)償角速度，耗時(shí)最長所W 用max)走柄用時(shí)TTlmax :
[01 68] TT Imax = tamax+tdmax+tscan_max+ts
[0169]
(加、減速時(shí)間相同）
[0170] 同理求得理論最多定標(biāo)次數(shù)用時(shí)TTlmin:
[0173] 6選擇回位模式，計(jì)算完成一次定標(biāo)總時(shí)間
[0174] 衛(wèi)星在完成第一次機(jī)動(dòng)后，再次回到定標(biāo)所需的初始位置的方式有兩種:第一種 如圖4直接反向機(jī)動(dòng)的方式回位，第二種如圖5,衛(wèi)星繞Z軸(偏航軸)進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)后，向后 進(jìn)行推掃，都可W保證衛(wèi)星在一個(gè)定標(biāo)周期內(nèi)進(jìn)行多次定標(biāo)。
[0175] (6a)采用反向機(jī)動(dòng)的方式回位的總用時(shí)求法：
[0176] 衛(wèi)星返回需要機(jī)動(dòng)的最大角度％"??為：
[0177]
[0178] 衛(wèi)星返回需要機(jī)動(dòng)的最小角度稱min為：
[0179]
[01 80] 此時(shí)，討論ω Y_max和ω max(補(bǔ))的關(guān)系，當(dāng)
時(shí)，衛(wèi)星返 回下次定標(biāo)位置需要最長時(shí)間TT2max:
[0181]
[0182] 衛(wèi)星返回下次定標(biāo)位置需要最短時(shí)間TT2min:
[0183]
[0184] 當(dāng)
時(shí)，衛(wèi)星返回下次定標(biāo)位置需要的最 長時(shí)間TT2max:
[0188] (6b)采用繞巧由進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)的方式回位的總時(shí)間求法：
[0189] 設(shè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)動(dòng)的最大角加速度為az，最大角速度為Wz_max，則衛(wèi)星繞Z軸旋轉(zhuǎn) 180°的方式回位用時(shí)求法如下：
[0196] 在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，衛(wèi)星會(huì)在軌道運(yùn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)動(dòng)的角度為
[0197] 入=c〇TT2turn
[0198] 即每次滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)時(shí)，衛(wèi)星都因軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生λ角度的機(jī)動(dòng)，因此為保證第Ξ次機(jī)動(dòng) 有足夠的機(jī)動(dòng)角度，需要第二次機(jī)動(dòng)時(shí)補(bǔ)償相應(yīng)機(jī)動(dòng)角度，完成兩次完整擺掃，并回位需要 附加時(shí)間最長為：
[0199]
[0200] 即一次平均為
[0201] 同理回位需要附加最短時(shí)間平均一次為：
[0202]
[0203] 7計(jì)算定標(biāo)次數(shù)
[0204] (6a)采用反向機(jī)動(dòng)的方式回位N的求取方法：
[0214]則衛(wèi)星采用反向機(jī)動(dòng)方式回位的定標(biāo)次數(shù)為 惦15] Nmin < N<Nmax
[0216] (6b)采用繞巧由旋轉(zhuǎn)180°的方式回位Nturn的求取方法：
[0217]當(dāng)
[0221] 其中floorO表示向下取整;T = t2-tl;
[0222] 當(dāng)
[0223]
[0224] 町；

[0230]則衛(wèi)星采用反向機(jī)動(dòng)方式回位的定標(biāo)次數(shù)為 [0231 ] Nturnjnin ^ N〈Nturn_max
[0232] 實(shí)施例
[0233] 給定衛(wèi)星軌道高度H = 645km、地球半徑Re = 6378km、偏屯、率=0、軌道傾角= 97.9708度、近地點(diǎn)俯角=0度、升交點(diǎn)經(jīng)度= 337.752度、平近點(diǎn)角=0度、衛(wèi)星軌道周期= 97.47min、衛(wèi)星在軌運(yùn)行角速度= 0.062度/秒；月球半徑RM=1737km、開普勒常數(shù)μ = 3.986 X105km3/s2、相機(jī)焦距f = 2.85m、相機(jī)視場角為8.6°、衛(wèi)星線陣CCD相機(jī)中每個(gè)像元的大小 ρ = 8.75μπι。衛(wèi)星的俯仰和偏航角加速度為aY = az = 0.0071°/s2,設(shè)衛(wèi)星的最大俯仰和滾動(dòng) 角速度相等，為ω Y_max= ω z_max = 0.8° /s，衛(wèi)星穩(wěn)定時(shí)間ts = 10s。
[0234] 選取2018-6-27 18:34:52--2018-6-27 19:40:07時(shí)段作為定標(biāo)初選時(shí)間段，月 相角5.4°時(shí)，衛(wèi)星處于地影區(qū)，根據(jù)公式（1)(2)(3)(4)求取衛(wèi)星處于地影區(qū)的具體時(shí)間得 到ti= 18:50:19，t2 = 19:21:21;
[0235] 計(jì)算得到 ω min(補(bǔ))=0.5754。/s，ω max(補(bǔ))=0.7049。/s，min(Vi) =3726.9km/s，max (Vi)=4389.6km/s〇
[0242] 理論最少定標(biāo)次數(shù)定標(biāo)用時(shí)：
[0243] ΤΤImax = tamax+tdmax+tscan_max+ts = 99.28+99.28++0.93+ 10 = 209.49s
[0244] 同理求得理論最多定標(biāo)次數(shù)用時(shí)：
[0245] TT Imin = tamin+tdmin+tscan_min+ts = 81.04+81.04+0.79+10=172.87s
[0246] 采用反向機(jī)動(dòng)方式回位：
[0247] 衛(wèi)星返回需要機(jī)動(dòng)的最大角度戰(zhàn)為：
[0248] 稱 m抵=Ο,執(zhí))7 ]x 99.28 = + 0.0()7 ] X 99.28(().93 + 10) = 77,紙。
[0249] 衛(wèi)星返回需要機(jī)動(dòng)的最小角度腳π?為：
[0巧0]斯。…，=0.007! X 81.04^- 0.0071 X 81.04(0.79 + 10) = 52.84"
[0巧1 ] 計(jì)算
[0巧2] 因此
[0253]得到衛(wèi)星返回下次定標(biāo)位置需要最長時(shí)間TT2max:
[0 巧 4]
[0巧日]衛(wèi)星返回下次定標(biāo)位置需要最短時(shí)間TT2min:
[0 巧 6]
[0257]當(dāng)采用繞巧由進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)的方式回位時(shí)：
[0260]得到衛(wèi)星繞巧由旋轉(zhuǎn)180°的方式回位用時(shí)TT2turn為：
[0273] 因此
[0274]
[0275] 則衛(wèi)星采用反向機(jī)動(dòng)方式回位的定標(biāo)次數(shù)N為：
[0276] N=4
[0277] 下面求取采用繞巧由旋轉(zhuǎn)180°的方式回位的定標(biāo)次數(shù)Nturn:
[027引 計(jì)算
[0286] 則衛(wèi)星采用繞巧由旋轉(zhuǎn)180°的方式回位的定標(biāo)次數(shù)Nturn為：
[0287] Nturn=3
[028引圖6為衛(wèi)星采用反向機(jī)動(dòng)方式回位的"角速度-時(shí)間"曲線，其中ω scan和ω back表示 推掃定標(biāo)和回位時(shí)衛(wèi)星俯仰角速度，圖7為衛(wèi)星采用繞Z軸旋轉(zhuǎn)180°的方式回位的"角速度- 時(shí)間"曲線，其中ω turn和ω add分別表示衛(wèi)星回位時(shí)繞巧由旋轉(zhuǎn)的角速度和回位時(shí)沿軌道運(yùn) 動(dòng)的附加角速度。
[0289]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種衛(wèi)星對絕對月定標(biāo)的時(shí)間規(guī)劃方法，其特征在于步驟如下： (1) 使用STK建立仿真場景模型，模型中包括月球，地球，太陽，衛(wèi)星和星上傳感器;設(shè)置 衛(wèi)星軌道參數(shù)、姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力參數(shù)、星上傳感器參數(shù)和衛(wèi)星初始姿態(tài)； (2) 根據(jù)步驟（1)中的場景特征，初步確定對月定標(biāo)時(shí)間窗口；利用STK設(shè)置月相角在 [3°，7° ]時(shí)衛(wèi)星對月球全部可見時(shí)間段T1、T2……Τη，作為初步衛(wèi)星對月定標(biāo)時(shí)間窗口； (3) 以步驟(2)中確定的定標(biāo)時(shí)間窗口為基礎(chǔ)，精確確定對月定標(biāo)時(shí)間窗口；求取衛(wèi)星 進(jìn)入地影區(qū)時(shí)間11和進(jìn)入陽照區(qū)時(shí)間t2，[ t，t2 ]即為精確對月定標(biāo)時(shí)間窗口； (4) 計(jì)算t時(shí)刻衛(wèi)星需要補(bǔ)償?shù)慕撬俣萪0，te [tl，t2]，具體計(jì)算方法如下： 求取衛(wèi)星與月球的距離： L = S-(RE+h)sin( ω t+β)； 其中S為地心到月心的距離，Re為地球平均半徑，h為衛(wèi)星軌道高度，ω為角速度，β是黃 白交角； 求取衛(wèi)星定標(biāo)期間在月球表面的地面采樣間隔GSD:其中Rm是月球平均半徑;α為衛(wèi)星側(cè)擺角;ρ為像元尺寸，f為焦距； 求取衛(wèi)星的星下點(diǎn)地速：其中μ為地球引力常數(shù)，μ = 3 · 986 X 105km3/s2; 求取理論積分時(shí)間：其中GSD'是相機(jī)的地面采樣間隔； 求取實(shí)際推掃速度和補(bǔ)償速度： ν= ω L； 計(jì)算獲得補(bǔ)償角速度大?。?5) 根據(jù)兩種不同的成像方式，計(jì)算單次定標(biāo)時(shí)間ΤΤ1，具體為： 定義對月定標(biāo)中成像方式分為兩種，第一種為先進(jìn)行滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)，再進(jìn)行俯仰機(jī)動(dòng)，推掃 方向與衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向相同，第二種為先進(jìn)行俯仰機(jī)動(dòng)，再進(jìn)行滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)，推掃方向與衛(wèi)星運(yùn) 動(dòng)方向相反；當(dāng)選擇第一種時(shí)，衛(wèi)星補(bǔ)償角速度大小，當(dāng)選擇第二種時(shí)，衛(wèi);設(shè)Wmin(補(bǔ))為衛(wèi)星最小補(bǔ)償角速度，g卩第一種方式處于 赤道時(shí)的補(bǔ)償角速度，以及第二種方式處于兩極時(shí)的補(bǔ)償角速度；《max(ws衛(wèi)星最大補(bǔ)償 角速度，即第一種方式處于兩極時(shí)的補(bǔ)償角速度，以及第二種方式處于赤道時(shí)的補(bǔ)償角速 度;設(shè)衛(wèi)星最大俯仰機(jī)動(dòng)角速度為ω Y max，ω Y max> ω max(補(bǔ))，俯仰最大姿態(tài)機(jī)動(dòng)角加速度為 aY，ta為衛(wèi)星加速時(shí)間，ts為衛(wèi)星穩(wěn)定時(shí)間，td為衛(wèi)星減速時(shí)間，則在精確對月定標(biāo)時(shí)間窗口 [tl，t2]內(nèi)單次定標(biāo)時(shí)間TT1的求法如下：在月面推掃的最長用時(shí)ts__max為：在月面推掃的最短用時(shí)tsc;an」iiin為：當(dāng)定標(biāo)次數(shù)為理論最少定標(biāo)次數(shù)時(shí)，最大單次定標(biāo)時(shí)間TTlmax:當(dāng)定標(biāo)次數(shù)為理論最多定標(biāo)次數(shù)時(shí)，最小單次定標(biāo)時(shí)間TTlmin:(6) 使衛(wèi)星視軸回到定標(biāo)初始位置，并計(jì)算衛(wèi)星回到初始位置的最長機(jī)動(dòng)時(shí)間TT2max和 最短機(jī)動(dòng)時(shí)間TT2min; (7) 計(jì)算得到在一次定標(biāo)過程中，衛(wèi)星完成的定標(biāo)次數(shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種衛(wèi)星對絕對月定標(biāo)的時(shí)間規(guī)劃方法，其特征在于：步驟 (6)中計(jì)算衛(wèi)星回到初始位置的最長機(jī)動(dòng)時(shí)間TT2max和最短機(jī)動(dòng)時(shí)間TT2min的具體方法為： 采用反向機(jī)動(dòng)的方式回位的總用時(shí)求法： 衛(wèi)星返回需要機(jī)動(dòng)的最大角度^^胃為：衛(wèi)星返回需要機(jī)動(dòng)的最小角度?為：衛(wèi)星返回下次定標(biāo)位置需要最長時(shí)間TT2max:衛(wèi)星返回下次定標(biāo)位置需要最短時(shí)間TT2min:，衛(wèi)星返回下次定標(biāo)位置需要的最長時(shí) 間 TT2maX:需要的最短時(shí)間TT2min:3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種衛(wèi)星對絕對月定標(biāo)的時(shí)間規(guī)劃方法，其特征在于：步驟 (6)中計(jì)算衛(wèi)星回到初始位置的最長機(jī)動(dòng)時(shí)間TT2max和最短機(jī)動(dòng)時(shí)間TT2min的具體方法為： 采用繞Z軸進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)的方式回位的總時(shí)間求法： 設(shè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)動(dòng)的最大角加速度為az，最大角速度為〇Z max，則衛(wèi)星繞Z軸旋轉(zhuǎn)180°的 方式回位用時(shí)求法如下：在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，衛(wèi)星會(huì)在軌道運(yùn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)動(dòng)的角度為 λ= C〇TT2turn， 即每次滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)時(shí)，衛(wèi)星都因軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生λ角度的機(jī)動(dòng)，為保證第三次機(jī)動(dòng)有足夠的 機(jī)動(dòng)角度，需要第二次機(jī)動(dòng)時(shí)補(bǔ)償相應(yīng)機(jī)動(dòng)角度，完成兩次完整擺掃，并回位需要附加時(shí)間 最長為：同理回位需要附加最短時(shí)間平均一次為：4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種衛(wèi)星對絕對月定標(biāo)的時(shí)間規(guī)劃方法，其特征在于：步驟 (7)的具體方法為： 采用反向機(jī)動(dòng)的方式回位，定標(biāo)次數(shù)N的求取方法：則衛(wèi)星采用反向機(jī)動(dòng)方式回位的定標(biāo)次數(shù)為 Nmin € N〈Nmax。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種衛(wèi)星對絕對月定標(biāo)的時(shí)間規(guī)劃方法，其特征在于：步驟 (7)的具體方法為： 采用繞Z軸旋轉(zhuǎn)180°的方式回位，定標(biāo)次數(shù)N的求取方法：其中floor()表示向下取整;T=t2-tl; 當(dāng)則衛(wèi)星采用繞Z軸旋轉(zhuǎn)180°的方式回位的定標(biāo)次數(shù)為 Nturn-min <N<Nt urn_max 〇
【文檔編號】G01C25/00GK105823485SQ201610262686
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】白照廣, 高涵, 邸國棟, 單悌磊
【申請人】航天東方紅衛(wèi)星有限公司