基于低軌道地球衛星的地影時刻預報的星上確定方法

文檔序號：6629277閱讀：402來源：國知局

基于低軌道地球衛星的地影時刻預報的星上確定方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于低軌道地球衛星的地影時刻預報的星上確定方法，該地影時刻預報運行在星載計算機中。本發明首先輸入一個預報時刻，然后判斷預報時刻是否位于時間節點，若位于則采用牛頓下山法計算預報時刻的進出地影的緯度幅角，若位于軌道參數凍結范圍內，則采用軌道參數解析算法計算預報時刻的進出地影的緯度幅角；最后利用緯度幅角－時刻關系反解得到預報時刻對應的進出地影時刻。本發明是以軌道要素表征的變換矩陣作為信息輸入，通過擬定的判定角與進出地影關系，并利用星載計算機中設置的時間節點、上注星歷，獲得上注星歷精確預報衛星在每個時間節點上的地影時刻。
【專利說明】基于低軌道地球衛星的地影時刻預報的星上確定方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于低軌道地球衛星（LE0)【技術領域】，更特別地說，涉及一種基于人造低軌衛星的進行地影時刻預報的星上確定方法。

【背景技術】
[0002] 低軌道地球衛星（low earth orbit satellite ;LE0) -般是指運行軌道在距離地面500?2000km之間的衛星。
[0003] 作者余金培于2004年3月出版的《現代小衛星技術與應用》，在"3.小衛星系統" 中公開了一般衛星系統的組成，如圖1所示。星載計算機也稱星務計算機，負責星上數據與程序的存儲、處理以及各分系統的協調管理。目前星載計算機廣泛采用RISC(Red UCed Instruction Set Computer,中文是精簡指令集計算機）系列芯片的計算機系統。GPS接收機是接收全球定位系統衛星信號并確定地面空間位置的儀器。
[0004] 太陽光遮擋是影響LE0功能甚至壽命的主要因素之一，精確預報LE0進出地影時刻有助于星上能源系統管理、星體溫度熱控制以及成像任務規劃等。隨著LE0技術的精細化發展，對地影預報的實時性以及精度均提出更高的需求。地球是自身不發光而又不透光的天體，在太陽照射下要發生幾何陰影。地球的陰影有本影、半影和偽本影之分，如圖2所示；作者徐寶棻于1984年8月第1次印刷出版的《地球概論教程》，第五章第2節日食和月食中關于月影和地影的介紹。
[0005] 傳統的地影預報方法主要包括兩類：一是在軌道每步遞推內判斷"日-地-星"相對方位，進而得出光線相切的時刻；二是求解描述地影幾何的超越方程。上述方法均涉及多步迭代，計算比較復雜，不適合于星上計算資源有限的自主預報。
[0006] 地影時刻預報的關鍵在于要根據一定的條件判定衛星所處的影區位置。以往的研究將太陽光視為非平行光，將地球的影區分為本影區，半影區和無影區三種情況，并通過建立高次方程進行判定求解，計算相當復雜。

【發明內容】

[0007] 本發明的目的是提出一種基于低軌道地球衛星的地影時刻預報的星上確定方法，該方法將太陽光視為平行光，通過實時采集的軌道要素來表征地影時刻自主預報，借助了星-地-日平面內定點轉動射線切割圓周的方式。在本發明中，為了便于對衛星所處位置進行合理的判斷，提出了判定角β，應用判定角β構建了衛星恰好進出地影的關系，從而在星載計算機上快速、高效地完成地影時刻自主預報。
[0008] 本發明是一種基于低軌道地球衛星的地影時刻預報的星上確定方法，所述低軌道地球衛星中的星載計算機用于負責星上數據與程序的存儲、處理以及各分系統的協調管理；利用星載計算機中的星上數據并結合衛星是否位于地影區域的角度來得到衛星進出地影的時刻，從而使得星載計算機中的地影時刻自主預報更加精確、迅速。
[0009] 本發明的地影時刻自主預報包括有下列步驟；
[0010] 步驟一，獲取地心赤道慣性坐標系O-XJA下的衛星、地球、太陽的位置矢量；
[0011] 步驟二，獲取地心赤道慣性坐標系O-XJA到星-地-日坐標系0-HZ。的變換矩陣 L0A ;
[0012] 步驟三，獲取衛星-太陽矢量

【權利要求】
1. 一種基于低軌道地球衛星的地影時刻預報的星上確定方法，所述低軌道地球衛星中的星載計算機用于負責星上數據與程序的存儲、處理以及各分系統的協調管理；利用星載計算機中的星上數據并結合衛星是否位于地影區域的角度來得到衛星進出地影的時刻，從而使得星載計算機中的地影時刻自主預報更加精確、迅速；其特征在于：所述的地影時刻自主預報包括有下列步驟；步驟一，獲取地心赤道慣性坐標系下的位置矢量；㈧獲取衛星V在地心赤道慣性坐標系O-XJiZi中的位置矢量，記為衛星-位置矢量坨，即坨=
，衛星V在坐標系〇i中各個軸上的分量分別為: χ'υ = cos i/ cos Ω - si n i/ cos / sin Ω, y'^ = cos w si η Ω + sin x/ cos i cos Ω, zQ_ = s in w sin ι ； u為緯度幅角，單位為度； Ω為軌道升交點赤經，單位為度； i為軌道傾角，單位為度； (B) 獲取太陽A在地心赤道慣性坐標系O-XJA中的位置矢量，記為太陽-位置矢量吣，即巧太陽A在坐標系Oi中各個軸上的分量分別為：< =cosA， =sinAcos￡·, z爲=sin A si 歸； Λ為太陽黃經，單位為度； ε為黃赤交角，單位為度； (C) 獲取太陽與衛星的連線AV在地心赤道慣性坐標系Ο-XJiZi中的矢量，記為衛星-太陽矢量1)^，且 = ，4:---1 = 4 , ^ Α' = (4:-.νΓ'?-1; 利用地球在太陽光照射下的幾何陰影關系，設定太陽光為平行光照射地球的情況下，埤=(4,減，4}=(0,0,0)，則有坨，巧，坨，杧=(4,.4,4): 步驟二，獲取地心赤道慣性坐標系O-XJiZi到星-地-日坐標系Ο-HZ。的變換矩陣 J · 峽* 依據由兩矢量的分量列陣求坐標變換矩陣方法對衛星-位置矢量和太陽-位置矢量1)，進行轉換處理，得到變換矩P
_其中： κη表示衛星V在地心赤道慣性坐標系Ο-XJiZi的Xi軸上的位置矢量，即 Kn =? =CDSHC〇sO-smwcos/sinQ； κ12表示衛星V在地心赤道慣性坐標系O-XJiZi的Yi軸上的位置矢量，即 Ka =yf0j =cosiisinO + siiiKC〇sicosO ι K13表示衛星V在地心赤道慣性坐標系O-XJiZi的Zi軸上的位置矢量，即 Κ?2 = = sin w sin I ? K31表示衛星V在地心赤道慣性坐標系O-XJiZi的Xi軸上的位置矢量與太陽A在地心赤道慣性坐標系O-XJiZi的Xi軸上的位置矢量的向量積，即K31 = -sinusinisinAcos ε +cosusin Ω sin Λ sin ε ； +sinucosicos Ω sin Λ sin ε U為緯度幅角，單位為度； Ω為軌道升交點赤經，單位為度； i為軌道傾角，單位為度； Λ為太陽黃經，單位為度； ε為黃赤交角，單位為度； Κ32表示衛星V在地心赤道慣性坐標系Ο-XJiZi的I軸上的位置矢量與太陽Α在地心赤道慣性坐標系Ο-KiYiZi的Yi軸上的位置矢量的向量積，即K32 = sinusinicosA-cosucos Ω sin Λ sin ε +sinucosisin Ω sin Λ sin ε ； K33表示衛星V在地心赤道慣性坐標系O-XJiZi的Zi軸上的位置矢量與太陽A在地心赤道慣性坐標系O-XJA的Zi軸上的位置矢量的向量積，即K33 = -cosusin Ω cos Λ -Sinuco sicos Ω cos A ； +cosucos Ω sin Λ cos ε -sinucosisin Ω sin Λ cos ε K21表不K31與Kn的向量積，即K21 =cos2usin2 Ω cos A +sinucosucosisin2 Ω cos A -sinucosucosisin A cos ε cos2 Ω -cos2usin Ω cos Ω sin A cos ε 2 2 2 2 2 +sin ucos icos Ω +sin ucos isin Ω cos Ω sin A cos ε ； +sin2usin2icos Λ -sinucosusinicos Ω sin Λ sin ε +sin2usinicosisin Ω sin Λ sin ε K22 表不 K32 與 K12 的向量積，即 K22 = _cos2usin Ω cos Ω cos Λ -sinucosucosicos2 Ω cos Λ +cos2ucos2 Ω sin A cos ε +sin2usin2isin A cos ε -sinucosusinisin Ω sin Λ sin ε +sin2ucos2isin Ω cos Ω cos Λ ; _sinucosucosisin2 Ω -sin2usinicosicos Ω sin Λ sin ε +sin2ucos2isin2 Ω sin Λ cos ε K23 表不 K33 與 K13 的向量積，即 K23 = -sinucosusinicos Ω cos Λ +cos2usin Λ sin ε +s in2us ini cos is in Ω cos Λ -sinucosusinisin Ω sin Λ cos ε ； _sin2usinicosicos Ω sin Λ cos ε +sin2ucos2isin Λ sin ε 步驟三，獲取衛星-太陽矢量在星-地-日坐標系0-ΧΛΛ中的投影，即衛星-太陽-投影?
衛星-太陽-投影點,在0-ΧΑΖ。的X。軸上的位置分量記為Χ"_，Υ。軸上的位置分量記為? Ζ。軸上的位置分量記為2^，則Α?',1 = (Λ),.，Λ,，; Λα = 如A cosw， νυ - Fl-tP2 sin 2?+F3 cos 2? ? 4為與軌道要素關聯的第一系數，E2為與軌道要素關聯的第二系數，匕為與軌道要素關聯的第三系數，F2為與軌道要素關聯的第四系數，F3為與軌道要素關聯的第五系數； Ex = -cosicos A sin Ω +cosisin A cos ε cos Ω +sini sin A sin ε ； E2 = sin Λ cos ε sin Ω+cos Λ cos Ω ； Ft = -(cos2 i sin 2Λ cos s - sin 2Λ cos sin 2Ω 4 .4..二s丨η ?η 2Λ sincsinΩ...... - sin 2/sin Λ sin 2^;cosil t 4 4 + -(2 sin2 jxos2 Λ -f-cos2 / cos2 A + 2sin2 Λ sin2 / cos2 ^ +cos2 Λ -f 4 2sin2 Λ cos2isin2 ε +cos2isin2 Λ cos2 ε +2sin2 Λ sin2 ε +sin2 Λ cos2 ε ) =~(cosicos2 Λ-cosisin2 Acos2 ^)sin20-~cos/sin2Acos^cos20 * -~? sin / sin2 Λ sin sin Ω - -i~sin i sin 2Λ sin ε cos Ω 2 2 1 7 F3 = -?(cos^ i sin 2 Λ cos^ + sin 2 Λ cos e) sin 2Ω + ?(cos2 i cos2 Λ + cos2 isie2 Λ cos2 ε - cos2 Λ + sio2 Λ cos2 e)cos2Q 1. t 1 , -sin 2/sin 2Λ sin ε sin Ω +-sin 2i sin" Asin 2ε cosO ； 4 4 +-(-2sin2 icos2 Λ - cos2 icos2 A-2sin2 Asin2 icos2 ^ +cos2 A 4 -2 sin2 Λ cos2 i sin2 ^-cos: isin2 Acos2 s + lsin2 Asin2 ^ + sin: Acos: 步驟四，依據衛星-太陽-投影點= 在Y。軸上的位置分量^與X。軸上 νσ 的位置分量的比值，來表征判定角β的正切角關系tan#=f1 在地球視為均勻球體且衛星軌道的偏心率e最小的情況下，衛星恰好處于進地影位置或者出地影位置，此時的判定角β設為初始常值β。，且爲其中π取值為3. 14 ;Re為地球平均半徑，單位為米；a為衛星的軌道半長軸，單位為米；在衛星軌道確定、以及任意一時間節點tw的初始常值β。確定的情況下，衛星恰好進出地影的關系記為/f""： / (14?κ.) = sin 2? + cos 2? - tan 爲》X ￡| sin ? - tan X gos μ + 6 = 0; 步驟五，獲取衛星進出地影的時刻；步驟（5-1)，通過星載計算機的界面輸入一個預報時刻t,，所述預報時刻t,的形式為年月日時分秒；步驟（5-2)，判斷所述預報時刻t,是否位于時間節點tw ; (A)若預報時刻t,位于時間節點^上，即t, = tw，則采用牛頓下山法對進出地影關系 f(u)進行迭代運算，并以前一個時間節點U的進出地影的緯度幅角I心作為迭代初值，得到預報時刻t,的進出地影的緯度幅角公對于時間節點tw對應的衛星進出地影的緯度幅角，的牛頓下山迭代關系為
由于預報時刻tq位于時間節點tw上，即t q = tw，能夠得到=4、咜=噸； ?I為時間節點1上的進地影緯度幅角迭代值； 4為時間節點上的出地影緯度幅角迭代值； ?if為前一個時間節點tw_i上的進地影緯度幅角迭代值；為前一個時間節點tw_i上的出地影緯度幅角迭代值； S為下山因子；
為4 4勺進出地影的函數值；
為的導數值；
為#1的進出地影的函數值； ι? 1
、為的導數值； (Β)若預報時刻t,不位于時間節點^上，且位于軌道參數凍結范圍/'_〇/丨內，則采用軌道參數解析算法對廣內的時間節點tw的進出地影的緯度幅角"~進行計算，得到預報時刻t,的進出地影的緯度幅角
軌道參數解析算法是指：先選取出屬于軌道參數凍結范圍內的時間節點1 ;然后計算預報時刻t,對應的進地影緯度幅角《I，即i4 =4 +Δμ| ;計算預報時刻tq對應的出地影緯度幅角4，即4 =咕+δ4 : 為t,處進地影緯度幅角的變化量； Δ?|為t,處出地影緯度幅角的變化量；￡(Δ/^ sin ι?, -f ΕΛ^ cosu-i - AEtFt sin u1-： - cos^/-i -sin eoswl.: sin 2^.;: ! -A￡,F, cos2//1： sim^; - A￡.F, cosi/^. cos2i^*: Aui =-----':---- Esf \ cosi/：:r 4- AEtFt co% i(^: - -~E:FX sinu1：；- -AEJFl sin u{: 4- E.Fy sin 2u：- cos?'：; + Δ￡,^ sin 2u ：-: cosu：; ? ·- ?U. ^iL· · -? -xJ, Λ?. -￡\E, sin 2us; sin uK_： -AE.F-, sin 2ti!:； sin + 6 cos 2':. cos W.'.十 F; cos 2i4. cos w:'; -EJ\ cosluz sini(li - AE^F. cos2i/；; sinu1：--2EtAF2cos2u'： $ini/；；:- co$2i/;： cosul;：. + 2￡^戶〕sin 2n:.; sim，t + sin cos々. : sini/,；；9 4-￡:Afj cosi^：: - -AE2Ftco$i0. -AEtF, sin ι? sin 2ul： - AE.F·, cos w/r sin lull ^ t_ - AEt F\ cos 2iC sin ul： - AE2F; cos ul： cos 2ι? .: ￡, F] cos u[： -f- Δ￡^ F] cosι? - ￡: fj sin ι? ~~ Δ￡7 F]sln ii： -h EF, sin 2ii- cosul- -t AE^F^sinlul： cosiil- t - I . ： ; * - l ： :: -E2F2 sin 2u[l sin n!：： - A￡2F2 sin 2ι? sin ι? 十心 COSiA cosid' l J Lkl LLS l J LU UJ -cos 2u[- sin iC - AE,FX cos 2u!：_ sin ι? ~~2ΕΛΡ^χο%2ι?- sinth-： ~~2E,AF7 coslul;： cosul： ▲ 揚細樣 i.A.i 1.^.4 + sin 2w;:' siru，;:' 十 2￡2Δ/^ sin 2i吃 cos<;' : Δ Ei = - (cosicos Λ cos Ω +cosisin Λ cos ε sin Ω ) Δ t ; Δ E2 = (sin Λ cos ε cos Ω -cos Λ sin Ω ) Δ t ; I i =?(cos31 sin 2Λ cos ^-sin 2 Λ ￠08^)005 20^^1 ~~^(cos7 i cos2 Λ - cos2 i sin2 Λ cos2 ε - cos2 Λ + sin2 Λ cos2 g)%m2￡lWQAt ； + isin 2i、in 2Λ sin 芯cosΩ+ ishi 2i* sin2 A sin 2芯sin Ω 4 4 AF2 - (cosi cos2 Λ - cos/sin3 Λ cos3 ε) cos + cos isin 2Acos ?' sin 20?ΔΙ 1 1 ； -sinisin^ hsin2ecmQWraAl +-sinisin2AsinesinQW￡lAi 2 2 Δ6 = - |(cos2 /s丨 η 2Λ C0S6, + sin 2Λ cow>cos2i!,DA/ -?-(cos2 / cos3 Λ +cos2 /sin2 Λ cos2 ^-cos2 Λ + sin2 Λ cos2 ?')$?η2Ω^Δ? ； -~sin 2/sin 2Λ sin ^cosilfl^jAl -?sin 2/sin~ Λ sin sin Ω^αΔ? Ei為與軌道要素關聯的第一系數，E2為與軌道要素關聯的第二系數，Fi為與軌道要素關聯的第三系數，F2為與軌道要素關聯的第四系數，F3為與軌道要素關聯的第五系數； AEi為與軌道要素關聯的第一系數的變化量，ΛE2為與軌道要素關聯的第二系數的變化量，為與軌道要素關聯的第三系數的變化量，AF2為與軌道要素關聯的第四系數的變化量，Λ F3為與軌道要素關聯的第五系數的變化量； Δ t為tq相對于時間節點tw的時間間隔，貝U Δ t = tq_tw ; 為升交點赤經Ω的平均變化率，J
，J2為地球引力勢的二階諧系數，J2 = 1. 0826300 X 10_3, Re為地球平均半徑，μ為地球引力常數，i為軌道傾角，a為軌道半長軸，e為軌道偏心率；步驟（5-3)，利用緯度幅角一時刻關系= ~ +1
行反解，得到&對應的進地影時刻<￡ =
> 對應的進地影時刻
τΩ為衛星軌道的交點周期； tp為衛星運行的當前時刻； tp+1為衛星運行的下一時刻； MVl為tp+1時刻所對應的緯度幅角；，為tp時刻所對應的緯度幅角。
2.根據權利要求1所述的基于低軌道地球衛星的地影時刻預報的星上確定方法，其特征在于：進出地影關系中的緯度幅角u在一個軌道周期內必定是成對出現的，將進地影緯度幅角記為ua、出地影緯度幅角記為u a，則有： /(噸）=6 十 F; cos2?:! 進地影關系 -tan β?λ χ E} sin - tan β1} x ￡> cos u1^ x ) - F. sin 2u^, -f FK cos2i^; 出地影關系 ? tan βυ x E% sin - tan β% κ E2 cos 14? ? + Fj = 0
【文檔編號】G06F17/10GK104298647SQ201410522091
【公開日】2015年1月21日申請日期:2014年9月30日優先權日:2014年9月30日
【發明者】徐明, 賈向華, 羅通, 徐世杰申請人:北京航空航天大學

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