一种对地面点凝视的卫星期望角速度解析求解方法技术

本发明专利技术提供一种对地面点凝视的卫星期望角速度解析求解方法，包括以下步骤：1)给定卫星轨道状态和地面点空间坐标；2)求解期望姿态下的体轴单位矢量；3)由导出公式求解体轴单位矢量的时间导数；4)由导出公式求解期望凝视角速度。通过本发明专利技术可完全避免角度差分运算，所得期望凝视角速度曲线光滑连续。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及卫星对地面点凝视成像
，具体的涉及一种对地面点凝视的卫星期望角速度解析求解方法。
技术介绍
卫星对地面点凝视成像是指卫星通过快速姿态机动，使固连在星体上的相机光轴在一段时间内始终指向预先设定的地面点，从而使其以视频摄录的方式连续、实时地对地面景象进行观测和记录。卫星凝视成像是近年来新兴的一种卫星地球遥感技术，具有较大的军事和商业应用价值。对凝视过程中星体姿态的控制需要以期望姿态和期望角速度为参考输入，结合测量得到的实际姿态和实际角速度，产生姿态偏差和角速度偏差信号，进而生成对卫星姿态的控制力矩。卫星的期望姿态可由卫星-地面点之间的空间几何关系确定，其确定过程相对比较直观，但期望角速度的求解比较复杂。现有的一种解决方法是采用欧拉姿态角的数值差分结合姿态运动学的方法对卫星凝视地面点的期望角速度进行求解。但该方法采用了角度差分，角度差分即取前后两个时刻的角度进行数值相减。由于角度量在物理上为连续量，但又仅能在一定范围内唯一表示，如0°～360°，如角度从+2°位置逆向转动4°，到达﹣2°的位置(过零发生)，但该位置将记为+358°，直接差分得358°﹣2°＝356°，并非真实的4°变化量。其它角度表示范围也存在类似的问题。故当后一时刻的角度值穿越分界时(即过零)，直接差分的结果将不能反映真实的角度变化量而出现较大跳变，进而造成控制量的不连续。为避免这种情况出现，就需要对所得结果信息较为繁琐的过零判断，即需要不断记录前后两个时刻角度量的过零情况，并区分不同的情况予以不同的处理，以得出正确的角度变化量。
技术实现思路
为从根本上省去求解对地面点凝视的卫星期望角速度时的过零判断过程，本专利技术提出一种对地面点凝视的卫星期望角速度解析求解方法。本专利技术针对凝视成像卫星期望角速度提取问题，根据卫星轨道状态和地面点空间坐标，建立了对地凝视成像卫星期望姿态下的体轴单位矢量解析表达式；通过求解期望姿态下体轴单位矢量的时间导数，最终给出了期望角速度的解析计算公式。本专利技术所提出的凝视成像期望角速度提取方法计算流程图如图1所示。实践表明，该方法能够获取连续、平滑的期望角速度信号，计算过程中不涉及过零判断环节，提高了期望角速度信号的计算效率。参见图1，本专利技术提供的一种对地面点凝视的卫星期望角速度解析求解方法，包括如下步骤：步骤S1：获取当前时刻的卫星轨道状态和地面点的空间坐标；其中，在步骤S1中所述的卫星轨道状态为XS＝[RS,VS]，RS为卫星的地心惯性系位置，VS为卫星的地心惯性系速度；地面点的空间坐标指的是地面点在地心惯性系中的位置RT，地心惯性系可采用多种定义，例如比较常用的J2000坐标系的定义如下：原点为地球质心，X轴指向2000年1月1日12时(儒略日2451545.0)的平春分点，Z轴指向该日平北极，Y轴在平赤道面内与X轴和Z轴构成右手坐标系；步骤S2：卫星本体坐标系是相对卫星星体固定不变的坐标系，其具体定义依卫星几何构型和载荷类型而定。求解期望卫星姿态下的体轴单位矢量，即给出可实现地面点指向的卫星本体坐标系三轴的空间单位矢量的解析表达；其中，步骤S2中所述的期望姿态下的体轴单位矢量的求解包括以下步骤：步骤S21：计算当前时刻的卫星轨道角动量单位矢量，亦即轨道面法向： h = R S × V S | | R S × V S | | - - - ( 1 ) ]]>步骤S22：设相机光轴与体坐标系zb轴重合，且期望姿态采用零偏航角策略，此时凝视姿态对应的体坐标系三轴单位矢量： z b = ρ / | | ρ | | x b = z b × h y b = z b × x b - - - ( 2 ) ]]>式中，ρ＝RT-RS为卫星到地面点的位置矢量；||·||为矢量的模；本专利技术中提供的方法即可以用于相机光轴和体系zb轴重合的情况，但并不局限于光轴和zb轴重合的情况，也可以用于相机光轴与xb轴或yb轴或其它空间指向重合的情况。步骤S3：求解所述体轴单位矢量的时间导数，即给出在期望姿态下体轴单位矢量的时间导数的解析表达；其中，步骤S3中所述体轴单位矢量的时间导数的求解包括以下步骤：步骤S31：计算相机光轴所在体坐标系zb轴的单位矢量的时间导数： z · b = - ρ · · ρ | | ρ | 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对地面点凝视的卫星期望角速度解析求解方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：获取当前时刻的卫星轨道状态和地面点的空间坐标所述的卫星轨道状态为XS＝[RS,VS]，RS为卫星的地心惯性系位置，VS为卫星的地心惯性系速度；地面点的空间坐标指的是地面点在地心惯性系中的位置RT；步骤S2：求解期望卫星姿态下的体轴单位矢量，即给出可实现地面点指向的卫星本体坐标系三轴的空间单位矢量的解析表达；步骤S2中所述的期望姿态下的体轴单位矢量的求解包括以下步骤：步骤S21：计算当前时刻的卫星轨道角动量单位矢量，亦即轨道面法向：h=RS×VS||RS×VS||---(1)]]>步骤S22：设相机光轴与体坐标系zb轴重合，且期望姿态采用零偏航角策略，此时凝视姿态对应的体坐标系三轴单位矢量：zb=ρ/||ρ||xb=zb×hyb=zb×xb---(2)]]>式中，ρ＝RT‑RS为卫星到地面点的位置矢量；||·||为矢量的模；步骤S3：求解所述体轴单位矢量的时间导数，即给出在期望姿态下体轴单位矢量的时间导数的解析表达步骤S3中所述体轴单位矢量的时间导数的求解包括以下步骤：步骤S31：计算相机光轴所在体坐标系zb轴的单位矢量的时间导数：z·b=-ρ··ρ||ρ||3ρ+||ρ||-1ρ·---(3)]]>式中，为ρ的时间导数，VS＝RS×ωE为地面点的惯性系速度，ωE＝[0,0,7.292115×10‑5]T(rad/s)为地球自转角速度；步骤S32：计算角动量单位矢量h的时间导数：h·=RS×V·S---(4)]]>其中，为卫星的加速度，为tp时刻的卫星速度矢量；步骤S33：计算xb轴单位矢量的时间导数：x·b=-(z·b×h+zb×h·)·xb||zb×h||xb+z·b×h+zb×h·||zb×h||---(5)]]>步骤S4：按照公式(6)求解卫星的期望凝视角速度，即给出期望姿态下相应角速度的解析表达；ω*=xb×x·b+||zb×h||-1(z·b·h)xb---(6).]]>...

【技术特征摘要】
1.一种对地面点凝视的卫星期望角速度解析求解方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：获取当前时刻的卫星轨道状态和地面点的空间坐标所述的卫星轨道状态为XS＝[RS,VS]，RS为卫星的地心惯性系位置，VS为卫星的地心惯性系速度；地面点的空间坐标指的是地面点在地心惯性系中的位置RT；步骤S2：求解期望卫星姿态下的体轴单位矢量，即给出可实现地面点指向的卫星本体坐标系三轴的空间单位矢量的解析表达；步骤S2中所述的期望姿态下的体轴单位矢量的求解包括以下步骤：步骤S21：计算当前时刻的卫星轨道角动量单位矢量，亦即轨道面法向： h = R S × V S | | R S × V S | | - - - ( 1 ) ]]>步骤S22：设相机光轴与体坐标系zb轴重合，且期望姿态采用零偏航角策略，此时凝视姿态对应的体坐标系三轴单位矢量： z b = ρ / | | ρ | | x b = z b × h y b = z b × x b - - - ( 2 ) ]]>式中，ρ＝RT-RS为卫星到地面点的位置矢量；||·||为矢量的模；步骤S3：求解所述体轴单位矢量的时间导数，即给出在期望姿态下体轴单位矢量的时间导数的解析表达步骤S3中所述体轴单位矢量的时间导数的求解包括以下步骤：步骤S31：计算相机光轴所在体坐标系zb轴的单位矢量的时间导数： z · b = - ρ · · ρ | | ρ | | 3 ρ + | | ρ | | ...

【专利技术属性】
技术研发人员：连一君，曾国强，税海涛，李志军，袁福，高玉东，项军华，吴国福，韩大鹏，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43