基于地固系数据的卫星过境时间快速计算方法技术

本发明专利技术提供了一种基于地固系数据的卫星过境时间快速计算方法，首先设定卫星有效载荷工作时能够覆盖地面的最大侧摆角β，然后依次利用卫星的地固系数据计算轨道面的法向量计算卫星在地固系下载荷波束中心与地球表面的交点E的坐标，计算出载荷波束在地球表面投影圆的半径弧长和地面侦测点到交点E的球面距离，最终得到地面侦测点的卫星过境时间。本发明专利技术采用简易计算模型，计算的结果与实际情况基本相符，其优势在于快速性，能够满足对热点区域的覆盖任务的快速响应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种卫星过境时间的计算方法，属于在轨航天器测控管理领域，适用于近地卫星侧摆条件下、小视场角的过境时间计算。
技术介绍
为了快速响应对特殊区域的观测需求，需要尽快计算多颗卫星能否对特殊区域实现观测以及准确地计算出过境时间。随着对地观测卫星数量的不断增加，迫切需要合理分配调度资源，实现多星联合对地观测，提高观测效率，其前提条件是快速计算出卫星对地面目标点的覆盖能力。综上所述，需要一种快速计算卫星过境时间的方法。传统的卫星过境时间计算方法通过卫星本体坐标系、卫星轨道坐标系、惯性系、地固系的一步步转换来计算卫星载荷波束中心与地球交点，并将载荷波束在地球的投影区域视为一个椭圆，优点是计算精度高，缺点是模型复杂，计算量大，不适用于快速计算。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于卫星地固系数据的卫星过境时间的快速计算方法，能够避免各种坐标系复杂的转换计算，在保证精度的前提下简化了数学模型，达到缩短计算时间、实现快速响应的目标，实现卫星对目标区域的快速覆盖。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：步骤一、设定卫星有效载荷工作时能够覆盖地面的最大侧摆角β，侧摆角β等于卫星在滚动方向的最大侧摆角加上二分之一的有效载荷视场角；步骤二、对卫星在地固系下的速度进行修正，修正量为地球自转在卫星处的线速度，将修正后卫星速度矢量与卫星的位置矢量进行向量积运算，得到轨道面的法向量步骤三、对于卫星在地固系下载荷波束中心与地球表面的交点E(xe,ye,ze)，根据轨道面法向量和侧摆角β的几何关系确定卫星与交点E的连线的方向矢量，再由交点E与地心的距离等于地球半径的特点，建立方程求出交点E在地固系下的坐标(xe,ye,ze)；步骤四、根据卫星载荷的半视场角θ，通过卫星载荷波束与地球的几何关系计算出载荷波束在地球表面投影圆的半径弧长d；步骤五、通过球面几何的大圆距离计算公式计算地面侦测点到交点E的球面距离C；步骤六、计算球面距离C和半径弧长d的差值Δ，Δ为负时地面侦测点在载荷波束投影区域内，通过对Δ进行拉格朗日插值计算出地面侦测点的卫星过境时间。本专利技术的有益效果是：采用简易计算模型，计算的结果与实际情况基本相符，其优势在于快速性，能够满足对热点区域的覆盖任务的快速响应。经实际数据测试，结果如下：1)卫星轨道高度在300-1200公里之间，可在滚动和俯仰两个方向侧摆，载荷视场角在3度以下，地面目标点在南北纬80度以内，过境时间误差在1.5秒以内。2)取地面一个目标点，100颗卫星3天地固系数据计算，计算时间在5分钟以内。附图说明图1是本专利技术方法的流程图。图2是波束中心几何示意图。图3是地球自转线速度旋转半径示意图。图4是地球自转线速度矢量分解图。图5是卫星波束覆盖区域示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明，本专利技术包括但不仅限于下述实施例。本专利技术提供了一种基于卫星地固系数据的卫星过境时间的快速计算方法，主要思想是：利用卫星的地固系数据计算卫星载荷波束中心与地球表面的交点，将载荷波束在地面的投影区域简化为圆，从而快速计算出地面目标点的卫星过境时间，具有计算快速、精度较高的优点。计算过程如图1所示，包括以下步骤：步骤一、设定卫星有效载荷工作时能够覆盖地面的最大侧摆角β。根据卫星在滚动方向的最大侧摆角及有效载荷的视场角，设定侧摆角β。步骤二、利用卫星的地固系数据计算轨道面的法向量先对卫星在地固系下的速度进行修正，修正量为地球自转在卫星处的线速度，将修正后卫星速度矢量与卫星的位置矢量进行向量积的运算得到轨道面的法向量步骤三、计算出卫星在地固系下载荷波束中心与地球表面的交点E(xe,ye,ze)。根据轨道面法向量和侧摆角β的几何关系确定卫星与交点E的连线的方向矢量，再由交点E与地心的距离等于地球半径的特点，建立方程求出交点E在地固系下的坐标(xe,ye,ze)。步骤四、计算出载荷波束在地球表面投影圆的半径弧长d。根据卫星载荷的半视场角θ，通过卫星载荷波束与地球的几何关系计算出载荷波束在地球表面投影圆的半径弧长d。步骤五、计算目标点到波束中心的球面距离C。通过球面几何的大圆距离计算公式计算目标点到波束中心的球面距离C。步骤六、计算出地面目标点的卫星过境时间。计算投影圆的半径弧长d和目标点与波束中心的球面距离C的差值Δ，根据Δ的正负判断目标点是否在载荷波束投影区域内，通过对Δ进行拉格朗日插值计算出地面目标点的卫星过境时间。本专利技术实施例的实施过程如下：1)设定侧摆角β。β为卫星有效载荷工作时能够覆盖地面的最大侧摆角，等于卫星在滚动方向的最大侧摆角加上二分之一的有效载荷视场角。其中，卫星在滚动方向的最大侧摆角与有效载荷视场角从卫星相关工程参数中获取。2)计算轨道面的法向量假定卫星只在滚动方向上侧摆，设卫星S在地固系下的坐标为(xs,ys,zs)，地心为O，SN为卫星载荷波束中心的方向矢量，E为卫星载荷波束中心与地球交点，ON为轨道面的法向量，∠OSN＝β为卫星滚动侧摆角，参见图2。设卫星在地固系下的位置、速度分别为和则垂直于轨道面的单位法向矢量为 N → 0 = R → × V → | R → × V → | - - - ( 1 ) ]]>由于实际的法向量是在惯性系下定义的，考虑到地固系与惯性系最大的误差来自于地球自转速度，所以需要对上述的速度进行修正。 V → ′ = V → + v → ω e - - - ( 2 ) ]]>上式中为地固系下地球自转速度在卫星处的矢量，这是一个线速度。可以在地固系下分解为X、Y、Z三个方向的矢量[dx,dy,dz]，同理也可在地固系下分解为X、Y、Z三个方向的矢量[dxωe,dyωe,dzωe]。将和在地固系下X、Y、Z三个方向的矢量相加就得到了修正后的卫星速度在地固系下X、Y、Z三个方向的矢量[dx+dxωe,dy+dyωe,dz+本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于地固系数据的卫星过境时间快速计算方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一、设定卫星有效载荷工作时能够覆盖地面的最大侧摆角β，侧摆角β等于卫星在滚动方向的最大侧摆角加上二分之一的有效载荷视场角；步骤二、对卫星在地固系下的速度进行修正，修正量为地球自转在卫星处的线速度，将修正后卫星速度矢量与卫星的位置矢量进行向量积运算，得到轨道面的法向量步骤三、对于卫星在地固系下载荷波束中心与地球表面的交点E(xe,ye,ze)，根据轨道面法向量和侧摆角β的几何关系确定卫星与交点E的连线的方向矢量，再由交点E与地心的距离等于地球半径的特点，建立方程求出交点E在地固系下的坐标(xe,ye,ze)；步骤四、根据卫星载荷的半视场角θ，通过卫星载荷波束与地球的几何关系计算出载荷波束在地球表面投影圆的半径弧长d；步骤五、通过球面几何的大圆距离计算公式计算地面侦测点到交点E的球面距离C；步骤六、计算球面距离C和半径弧长d的差值Δ，Δ为负时地面侦测点在载荷波束投影区域内，通过对Δ进行拉格朗日插值计算出地面侦测点的卫星过境时间。

【技术特征摘要】
1.一种基于地固系数据的卫星过境时间快速计算方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一、设定卫星有效载荷工作时能够覆盖地面的最大侧摆角β，侧摆角β等于卫星在滚动方向的最大侧摆角加上二分之一的有效载荷视场角；步骤二、对卫星在地固系下的速度进行修正，修正量为地球自转在卫星处的线速度，将修正后卫星速度矢量与卫星的位置矢量进行向量积运算，得到轨道面的法向量步骤三、对于卫星在地固系下载荷波束中心与地球表面的交点E(xe,ye,ze)，根据轨道面法向量和侧摆角β的几何关...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵鞭，王安，王西京，洪涛，陈军，李剑锋，高敏，赵军，陈学军，徐晓慧，曹继宏，张国云，张莹，刘涌，袁勇，张伟，张波，龙定央，
申请(专利权)人：中国西安卫星测控中心，
类型：发明
国别省市：陕西;61