專利名稱：奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法
技術領域：
本發明涉及一種奔月段采用紫外敏感器進行地月拍圖時間預測的方法，屬 光學成像姿態敏感器領域。
技術背景隨著成像探測器件以及處理器技術的快速進步，航天器姿態敏感器逐漸由 單元掃描式向成像式發展，紫外敏感器就是一種有別于傳統地平儀的大視場成 像式姿態敏感器。紫外敏感器具備奔月段獲取紫外地球、紫外月球圖像的能力，不僅在科學 數據上重要價值而且利用獲取的地月圖像信息并配合慣性姿態對于實現自主導 航有重要價值。首先紫外敏感器具有特殊的組合式視場分布，形成分瓣的天球覆蓋，因此需要分析紫外敏感器視場模型；另外地球、月球屬于反射太陽光成像，拍攝條 件還需要有一定的太陽、地球/月球、衛星位置需求；還有，在不影響衛星運動 模式狀態下拍攝需要對衛星的下一步運動以及姿態變化進行預測，當然月球/ 地球出現在視場內的時間較短需要拍攝點時刻的準確預測才能實現地球/月球 的成<象。紫外敏感器本身是一項全新的成像式姿態敏感器，本專利內容是在紫外敏 感器基礎上進行的擴展應用研究。此外，奔月段利用紫外敏感器進行月球/地球 拍攝技術驗證也是一項新任務，并經過了在軌飛行試驗。利用紫外敏感器對月 球/地球拍攝時間的準確預測算法均未見國內外報道。國外科技動態[J], 2006年第9期，"歐洲第一個月球探測飛船智慧1號" 中講到Smart-1利用高精度相機在奔月,爻對月球進行成像，但沒有具體說明弧 段選擇準則、最佳拍攝時刻的預測方式方法。A elfving，L Stagnearo,A Winton， SMART-1:Key technologies and autonomy implementations. Acta Astronautic 52(2003)中介紹了用于奔月段月球拍攝相機的情況，不足在未說明拍攝弧段、最佳拍攝時間的選擇方法。美國專利US5319969,名稱"Method for determining 3誦axis spacecraft attitude"中介紹了一種利用紫外譜段姿態敏感器的三軸姿態確定方法，其中未 涉及奔月段的拍攝預測問題。 發明內容本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種奔月段紫外敏 感器地月拍圖時間預測方法，該方法根據預測結果地面發送指令在最佳時刻拍 攝地月紫外圖像，達到不改變衛星運動模式實現對地球/月球的拍攝。本發明的技術解決方案是奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法，包 括下列步驟(1 )根據標稱軌道、衛星本體系內太陽矢量和月心矢量進行光照分析，選 擇滿足地月拍攝光照條件的軌道弧段；(2) 按照預先設計的衛星姿態運動獲得滿足步驟(1 )中的軌道弧段位置 下的地球/月心矢量集，判斷所述矢量集中是否有矢量存在于紫外敏感器視場區 域內，選擇滿足紫外敏感器視場區域內的軌道弧段；(3) 將同時滿足步驟(1 )和步驟(2)的軌道位置作為拍攝可選軌道， 衛星發射后在所述的可選軌道到來之前，輸入所述可選軌道對應的預測軌道位 置、可選軌道之前某一時刻姿態矩陣、日月地星歷及衛星姿態運動模型；計算 預測時間段內的姿態矩陣、月心/地心矢量，并做出月心/地心矢量與視場中心矢 量夾角隨時間變化的曲線，由曲線與紫外敏感器視場大小得到連續的地球/月球 可見時間范圍[A "，才艮據得到的連續可見時間范圍計算最佳時刻。所述步驟(1)中的光照分析過程為計算太陽矢量「s與月心矢量4或地 心矢量^之間的夾角3,計算公式為 3 = acos(rs.K)，當3 > ^,認為此軌道位置下滿足地月拍攝光照條件獲得較好月相；其中，K代表月心矢量^或地心矢量^;^為夾角閾值，大小根據拍攝需求確定。所述步驟(3)中姿態矩陣的計算公式為其中，^為姿態變換矩陣，根據衛星姿態運動模型確定；Co為輸入的某一時刻姿態矩陣。 所述步驟(3)中計算月心/地心矢量公式為五,=A .五o其中，t時刻的月心矢量； Ef—t時刻的地心矢量；A為姿態變換矩陣，根據衛星姿態運動模型確定； M0—輸入的某一時刻to對應的月心矢量。 所述步驟(3)中可見時間范圍確定過程如下首先，計算t時刻的月心矢量Mf與地心矢量Et與紫外敏感器視場的中心矢 量Fs的夾角3，計算公式為3M (/) = a cos(i^. M,)然后，將曲線對應的值與視場閾值7>^進行比較，當3似<7>^,說明月球 可見,否則不可見；當3￡<7>^,說明地球可見，否則不可見；連續可見的時 間邊界即為可見時間范圍；其中，7>^為視場閾值等于紫外敏感器光學系統的 3見場大小。所述步驟(3)中最佳時刻取所述可見時間范圍[纟i "的中間值，或[^ "] 時間范圍最小的夾角3對應的時刻。 本發明與現有技術相比有益效果為(1 )本發明技術將地月拍圖預測分為發射前軌道選擇工作及發射后及時預 測工作，并按照視場角對最優拍攝點進行了預測，解決了利用紫外敏感器奔月 階段成功在軌拍攝地球、月球的問題。(2 )本發明通過計算太陽矢量與月心矢量/地心矢量之間的夾角進行光照 分析，保證了所選擇拍攝弧段內月球/地球圖像具備較高成像條件與科學工程價 值。(3)本發明利用月心/地心矢量與視場中心矢量夾角分析手段獲得連續成 像區間的方法具有計算簡單、完備的優點。(4 )本發明技術使用時間居中或最小夾角方法可以獲得最優的拍才聶時刻 點，保證能拍攝到月球/地球并能拍攝到最優的圖像。
圖1為本發明技術算法流程圖；圖2為本發明實施例月心矢量與視場中心矢量夾角曲線； 圖3為本發明實施例月心矢量連續處于視場內曲線； 圖4為本方明實施例拍攝仿真圖像。
具體實施方式
本發明中涉及的紫外敏感器可以采用Honeywell公司申請的專利號為 US5837894名稱"Wide Field of View Sensor with diffractive Optical Corrector"中公開的一種利用紫外譜段的三軸姿態敏感器。還可以釆用美國專 利US5319969名4爾"Method for determining 3-axis spacecraft attitude"中乂>開的一種利用紫外鐠段的三軸姿態敏感器。 下面對月球拍照為例具體進行說明。如圖1所示，為本發明的方法流程圖，下面具體介紹該方法的實現過程。 (1)才艮據標稱軌道(U，z)、衛星本體系內太陽矢量和月心矢量進行光照 分析，選擇滿足地球/月球拍攝光照條件的軌道弧段；光照分析過程為根據太陽矢量^、月心矢量^計算夾角^當/ > ^ ,認為此軌道位置下滿足光照條件獲得較好月球圖像，&為相角闊值才艮據需求進行選擇，其中90。對應弦月，而一般要求大于30。否則只能看 到很小的月牙，實施例閾值選擇30°。(2) 按照預先設計的衛星姿態運動獲得滿足步驟(1 )中的軌道弧段位置 下的地球/月心矢量集，判斷所述矢量集中是否有矢量存在于紫外敏感器視場區 域內，選擇滿足紫外敏感器視場區域內的軌道弧段；判斷所述矢量集中是否有矢量存在于紫外敏感器視場區域內，方法為判斷 矢量與視場中心矢量Fs的夾角3是否小于視場角，選擇紫外敏感器視場區域內 的矢量對應的軌道位置；(3) 將同時滿足步驟(1 )和步驟(2)的軌道位置作為拍攝可選軌道， 衛星發射后在所述的可選軌道到來之前，輸入所述可選軌道對應的預測軌道位 置、可選軌道之前某一時刻t。姿態矩陣、日月地星歷及衛星姿態運動模型；計 算預測時間段內的姿態矩陣、月心/地心矢量，并做出月心/地心矢量與視場中心 矢量夾角隨時間變化的曲線，由曲線與紫外敏感器^f見場大小得到連續的地球/月球可見時間范圍,根據得到的連續可見時間范圍計算最佳時刻。 本體系下的月心矢量^:x—moon=-0.6802; y—moon=0.3213; z—moon=-0.6589;太陽矢量^:x—sun=1; y_sun=0; z—sun二O;太陽矢量與月心矢量夾角" y5 = flcos(J^ 。 = 132.86° 可見夾角遠大于30。，處于弦月與滿月之間表現為凸月。才艮據t0姿態矩陣C0計算預測時間區間[to tn]對應姿態矩陣Ct:其中A為姿態變換矩陣，是由衛星姿態運動模型確定，運用實例中設定衛星圍繞+X軸轉動，速度為0.1。/S記為/，選擇預測時間長度tL-trrto為1小時，實施例中記tn=3600s，t0=0s， 為<formula>formula see original document page 9</formula>若選擇繞+Y軸轉動則:<formula>formula see original document page 9</formula>若選擇繞+Z軸轉動則<formula>formula see original document page 9</formula>才艮據姿態變換矩陣A獲得時刻t下的月心矢量4(和地心矢量4<formula>formula see original document page 9</formula>計算月心矢量Mf地心矢量Ef與視場的中心法線Fs的夾角3<formula>formula see original document page 9</formula>月球可見，否則不可見<formula>formula see original document page 9</formula>地球可見，否則不可見7>^為視場閾值這就是敏感器光學系統的視場大小，例子中設定為10。。實施例中Fs取值如下x—Fs=0y—Fs=0 z_Fs=1預測時間選擇1小時，那么計算得到的預測時間內月心矢量與視場中心的夾角曲線見圖2，搜索后視場內連續小于10。的曲線見圖3,得到時間 t^2510(s) t2=2760(s)則最佳時刻^"^:按照時間均值有<formula>formula see original document page 10</formula>
[6 "時間范圍最小夾角3對應時刻<formula>formula see original document page 10</formula>
可見兩個標準下預測時間非常近似，時間平均值對應拍攝的仿真圖見圖4。 本發明思想與方法可以推廣應用于其它空間敏感器的時間預測上，只要利 用本發明的思想實現的方法都落入本發明的保護范圍，本發明未詳細說明部分 屬本領域技術人員公知常識。
權利要求
1、奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法，其特征在于包括下列步驟(1)根據標稱軌道、衛星本體系內太陽矢量和月心矢量進行光照分析，選擇滿足地月拍攝光照條件的軌道弧段；(2)按照預先設計的衛星姿態運動獲得滿足步驟(1)中的軌道弧段位置下的地球/月心矢量集，判斷所述矢量集是否存在于紫外敏感器視場區域內，選擇滿足紫外敏感器視場區域內的軌道弧段；(3)將同時滿足步驟(1)和步驟(2)的軌道位置作為拍攝可選軌道，衛星發射后在所述的可選軌道到來之前，輸入所述可選軌道對應的預測軌道位置、可選軌道之前某一時刻姿態矩陣、日月地星歷及衛星姿態運動模型；計算預測時間段內的姿態矩陣、月心/地心矢量，并做出月心/地心矢量與視場中心矢量夾角隨時間變化的曲線，由曲線與紫外敏感器視場大小得到連續的地球/月球可見時間范圍[t1～t2]，根據得到的連續可見時間范圍計算最佳時刻。
2、 根據權利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法，其 特征在于所述步驟(1 )中的光照分析過程為計算太陽矢量^與月心矢量4 或地心矢量^之間的夾角3,計算公式為<formula>formula see original document page 2</formula>當a>~,認為此軌道位置下滿足地月拍才聶光照條件獲得較好月相；其中，K代表月心矢量^或地心矢量^;^為夾角閾值，大小根據拍攝需求確定。
3、 根據權利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法，其 特征在于所述步驟(3)中姿態矩陣的計算公式為<formula>formula see original document page 2</formula>其中，^為姿態變換矩陣，根據衛星姿態運動才莫型確定； Co為輸入的某一時刻姿態矩陣。
4、 根據權利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法，其 特征在于所述步驟(3)中計算月心/地心矢量公式為五,=A .五o其中，/Wf—t時刻的月心矢量； E廠t時刻的地心矢量；^為姿態變換矩陣，根據衛星姿態運動模型確定； Mo—輸入的某一時刻to對應的月心矢量。
5、 根據權利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法，其 特征在于所述步驟(3)中可見時間范圍確定過程如下首先，計算t時刻的月心矢量W與地心矢量Et與紫外敏感器視場的中心矢 量Fs的夾角3，計算公式為3五(0 = acos(/^._E》然后，將曲線對應的值與視場閾值7>^進行比較，S3M<rroF,說明月球 可見，否則不可見；當3￡<7>。「，說明地球可見，否則不可見；連續可見的時 間邊界即為可見時間范圍；其中，7V^為視場閾值等于紫外敏感器光學系統的 -現場大小。
6、 根據權利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法，其 特征在于所述步驟(3)中最佳時刻取所述可見時間范圍^ "的中間值，或 ^ ~ "時間范圍最小的夾角3對應的時刻。
全文摘要
本發明公開了一種奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法，包括下列步驟(1)選擇滿足地月拍攝光照條件的軌道弧段；(2)選擇地月出現在紫外敏感器視場區域內的軌道弧段；(3)將同時滿足步驟(1)和步驟(2)的軌道位置作為拍攝可選軌道，衛星發射后在所述的可選軌道到來之前，輸入所述可選軌道對應的預測軌道位置、可選軌道之前某一時刻姿態矩陣、日月地星歷及衛星姿態運動模型；計算預測時間段內的姿態矩陣、月心/地心矢量，并做出月心/地心矢量與視場中心矢量夾角隨時間變化的曲線，由曲線與紫外敏感器視場大小得到連續的地球/月球可見時間范圍[t<sub>1</sub>～t<sub>2</sub>]，根據得到的連續可見時間范圍計算最佳時刻。
文檔編號G01C21/02GK101236090SQ20081005734
公開日2008年8月6日 申請日期2008年1月31日 優先權日2008年1月31日
發明者葉培健, 紅 宗, 李鐵壽, 立 王 申請人:北京控制工程研究所