空间对地观测仪器的自动避日方法技术

空间对地观测仪器的自动避日方法，属于空间天气监测技术领域。解决了现有技术中地面干预避日方法的复杂性和适时性差的缺点。本发明专利技术的避日方法先通过轨道坐标系至卫星坐标系的转换矩阵T

【技术实现步骤摘要】
空间对地观测仪器的自动避日方法
本专利技术属于空间天气监测
，具体涉及一种空间对地观测仪器的自动避日方法，尤其适用于空间对地观测中自动规避太阳光进入仪器的探测视场。
技术介绍
极光主要是由太阳风和地球磁层中的高能带电粒子沿地球磁场线注入高纬度地区，将高层大气分子或原子电离激发产生的发光现象，极光产生于地球的高磁纬地区上空即地球的南北两极区域，一般为大于磁纬60°的区域。仪器在830km高度的极轨太阳同步轨道上对地球南北两极极光进行沿轨扫描观测时，由于仪器瞬时视场角达到130°×10°(其中10°为沿轨道方向，130°为跨轨道方向)，扫描范围跨越了前向和后向临边高度。当仪器转动至面对太阳一侧临边高度时，太阳会进入仪器的瞬时视场，极强的太阳辐射会损坏仪器的探测器，所以在仪器实时测量过程中需要规避太阳光照射。现有技术中，主要采用地面干预的方式实现避日，即通过地面的观测和计算调节轨道上仪器的方向，但这种方法操作复杂且不及时。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术中地面干预避日方法的复杂性和适时性差的缺点，提供一种空间对地观测仪器的自动避日方法。空间对地观测仪器的自动避日方法，步骤如下：步骤一、将太阳矢量[Xs,Ys,Zs]从轨道坐标系转换至卫星坐标系，得到卫星太阳矢量S1＝[S1xS1yS1z]T＝T1×[XsYsZs]T；式中，T1为轨道坐标系至卫星坐标系的转换矩阵；步骤二、将卫星太阳矢量S1从卫星坐标系转换至仪器坐标系，得到仪器太阳矢量S2＝[S2xS2yS2z]T＝T2×[S1xS1yS1z]T；式中，T2为卫星坐标系至仪器坐标系的标定转换矩阵；步骤三、计算太阳光线与当前时刻仪器瞬时视场光轴在XcZc平面内的夹角γ；式中，α＝arcsin(S2x)，为仪器太阳矢量S2与仪器坐标系YcZc平面的夹角，β为当前时刻仪器瞬时视场光轴与YZ面的夹角，规定机械轴零位时β＝0°，沿飞行方向扫描通过零位后β大于0，逆飞行方向扫描通过零位后β小于0；步骤四、判断是否需要避日，避日判据：(1)仪器位于阳照区，且Zs>0；(2)在北极区域，仪器扫描方向为逆飞行方向，且β<0，或者在南极区域，仪器扫描方向为沿飞行方向，且β>0；(3)γ≤γ0，γ0为预先设定的避日角度阈值；如果上述条件都满足，则需要避日，此时控制仪器向反方向转动，远离太阳辐射；如果上述条件未都满足，则不需要避日，此时控制仪器沿原方向转动；步骤五、循环步骤一至步骤四，至仪器在轨运行结束。进一步的，将步骤二替换为：判断卫星姿态角变化是否在0.1°以内；如果不在，将卫星太阳矢量S1从卫星坐标系转换至仪器坐标系，得到仪器太阳矢量S2＝[S2xS2yS2z]T＝T2×[S1xS1yS1z]T；式中，T2为卫星坐标系至仪器坐标系的转换矩；如果在，仪器太阳矢量S2＝卫星太阳矢量S1。进一步的，T1通过卫星姿态计算；更进一步的，T1写为：cy＝cosθy,sy＝sinθy,cr＝cosθr,sr＝sinθr,cp＝cosθp,sp＝sinθp式中，θp为卫星俯仰角、θr为卫星滚动角和θy为卫星偏航角。进一步的，T2根据地面标定卫星基准立方镜和仪器上的基准立方镜之间的夹角计算。进一步的，γ0的角度值为第一个大于等于θ的整数角度，θ＝θ1+θ2+θ3+θ4，θ1为仪器光学系统的半视场角度，θ2为仪器光学系统曝光时间内的仪器转动角，θ3为太阳矢量广播时间内仪器转动角，θ4为太阳矢量广播时间内的变化。进一步的，θ＝θ1+θ2+θ3+θ4+θ5，θ5为仪器光学系统杂光抑制角度。更进一步的，先确定γ0的角度值为第一个大于等于θ的整数角度，然后仪器在轨测试初期通过数据注入调整，逐渐减小，保证仪器安全的同时确保尽量长的观测时间。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术的空间对地观测仪器的自动避日方法，解决了空间大视场对地观测仪器在轨运行中自动避日的问题，可以有效提高系统的安全性，在轨自动测量，不用地面干预，节省人员和成本，实时性强，易于实现。附图说明图1为空间大视场对地观测示意图；图2为本专利技术的空间对地观测仪器的自动避日方法的流程图；图3中，a为在北极区域，太阳光线与仪器瞬时视场夹角示意图，b为在南极区域，太阳光线与仪器瞬时视场夹角示意图；图中，1、仪器，2、卫星，3、卫星轨道。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施方式作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。本专利技术的原理是：如图1所示，本专利技术中涉及的空间对地观测，OC-XCYCZC为仪器坐标系，OS-XSYSZS为卫星坐标系，OO-XOYOZO为轨道坐标系。三者皆为直角坐标系，彼此间没有位置限制。图1中仪器1光轴沿OCZC轴方向，仪器1绕OCYC轴进行转动，从而沿OSXS轴方向进行往复扫描观测。130°视场方向总能包含太阳矢量，而太阳光能否进入仪器视场的关键是太阳光与10°视场方向的夹角，即太阳光与仪器坐标系YCZC面的夹角。本专利技术根据卫星广播的太阳矢量，将太阳矢量转换至仪器坐标系，并计算太阳光在仪器坐标系中相对于仪器光轴的夹角，根据设定的夹角阈值自动判断是否需要规避太阳。如图2所示，空间对地观测仪器的自动避日方法，步骤如下：步骤一、根据卫星姿态角计算轨道坐标系至卫星坐标系的转换矩阵T1，通过地面标定卫星基准立方镜和仪器1上的基准立方镜之间的夹角计算卫星坐标系至仪器坐标系的标定转换矩阵T2；卫星姿态决定了卫星坐标系和轨道坐标系之间的关系，它们之间的转换矩阵是卫星的俯仰角θp、滚动角θr和偏航角θy的函数。由于卫星姿态通常是变化的，所以轨道坐标系到卫星坐标系的转换矩阵也是随时间变化的；T1这个转换矩阵写为：cy＝cosθy,sy＝sinθy,cr＝cosθr,sr＝sinθr,cp＝cosθp,sp＝sinθp；T2的确定为本领域技术人员常规技术。步骤二、将太阳矢量从轨道坐标系转换至卫星坐标系，得到卫星太阳矢量S1＝[S1xS1yS1z]T＝T1×[XsYsZs]T。太阳矢量S＝[Xs,Ys,Zs]是太阳在轨道坐标系中的方向的单位矢量，T表示矩阵的转置。步骤三、判断卫星姿态角变化是否在0.1°以内，定义若俯仰角θp、滚动角θr和偏航角θy都在0.1°以内，卫星姿态角变化在0.1°以内，若俯仰角θp、滚动角θr和偏航角θy有任意一个不在0.1°以内，卫星姿态角变化在0.1°以上；如果卫星姿态角变化不在0.1°以内，将卫星太阳矢量S1从卫星坐标系转换至仪器坐标系，得到仪器太阳矢量S2＝[S2xS2yS2z]T＝T2×[S1xS1yS1z]T；如果卫星姿态角变化在0.1°以内，仪器坐标系与卫星坐标系之间的夹角为分级的误差，对计算结果影响较小，因此可以省略卫星坐标系至仪器坐标系的转换，令仪器太阳矢量S2＝卫星太阳矢量S1；也可以为了保证当卫星姿态出现较大偏差时计算的准确性，不判断卫星姿态角变化是否在0.1°以内，直接将卫星太阳矢量S1从卫星坐标系转换至仪器坐标系，得到仪器太阳矢量S2＝[S2xS2yS2z]T＝T2×[S1xS1yS1z]T；式中，T表示矩阵的转置。步骤四、如图3所示，计算太阳光线与当前时刻仪器瞬时视场光轴在XcZc平面内的夹角γ；式中，α＝arcsin(S2x)，为仪器太阳矢量S2与仪器坐标系Yc本文档来自技高网...

【技术保护点】
空间对地观测仪器的自动避日方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、将太阳矢量[X

【技术特征摘要】
1.空间对地观测仪器的自动避日方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、将太阳矢量[Xs,Ys,Zs]从轨道坐标系转换至卫星坐标系，得到卫星太阳矢量S1＝[S1xS1yS1z]T＝T1×[XsYsZs]T；式中，T1为轨道坐标系至卫星坐标系的转换矩阵；步骤二、将卫星太阳矢量S1从卫星坐标系转换至仪器坐标系，得到仪器太阳矢量S2＝[S2xS2yS2z]T＝T2×[S1xS1yS1z]T；式中，T2为卫星坐标系至仪器坐标系的标定转换矩阵；步骤三、计算太阳光线与当前时刻仪器瞬时视场光轴在XcZc平面内的夹角γ；式中，α＝arcsin(S2x)，为仪器太阳矢量S2与仪器坐标系YcZc平面的夹角，β为当前时刻仪器瞬时视场光轴与YZ面的夹角，规定机械轴零位时β＝0°，沿飞行方向扫描通过零位后β大于0，逆飞行方向扫描通过零位后β小于0；步骤四、判断是否需要避日，避日判据：(1)仪器位于阳照区，且Zs>0；(2)在北极区域，仪器扫描方向为逆飞行方向，且β<0，或者在南极区域，仪器扫描方向为沿飞行方向，且β>0；(3)γ≤γ0，γ0为预先设定的避日角度阈值；如果上述条件都满足，则需要避日，此时控制仪器向反方向转动，远离太阳辐射；如果上述条件未都满足，则不需要避日，此时控制仪器沿原方向转动；步骤五、循环步骤一至步骤四，至仪器在轨运行结束。2.根据权利要求1所述的空间对地观测仪器的自动避日方法，其特征在于，将步骤二替换为：判断卫星姿态角变化是否在0.1°以内；如果不在，将卫星太阳矢量S1从卫星坐标系转换至仪器坐标系，得到仪器太阳矢量S2＝[S2xS2yS2z]T＝T2×[S1xS1yS1z]T；式中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：何飞，宋克非，陈波，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22