一种适用于敏捷对地观测卫星的偏流角仿真分析方法技术

本发明专利技术涉及一种适用于敏捷对地观测卫星的偏流角仿真分析方法，步骤为：(1)、使用STK软件生成对应时刻的卫星位置矢量、速度矢量和轨道瞬根数；(2)、基于卫星的目标滚动角、目标俯仰角以及步骤(1)得到的位置矢量和速度矢量计算相机光轴在赤道惯性坐标系的单位矢量；(3)、基于步骤(1)的位置矢量和步骤(2)获得的相机光轴单位矢量，计算赤道惯性坐标系下地心到摄影点的矢量；(4)、基于步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)的结果计算偏流角。本发明专利技术方法可用于在地面测试中对敏捷对地观测卫星偏流角的计算准确度进行分析和验证。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于敏捷对地观测卫星的偏流角仿真分析方法
本专利技术属于光学遥感卫星总体设计领域，涉及一种适用于敏捷对地观测卫星的偏流角仿真分析方法。
技术介绍
光学遥感卫星上的空间相机对地面目标摄影时，由于地球本身自转，使得目标点和相机之间会存在相对运动，即产生相机像移。像移会导致图像模糊，影响成像质量，因此必须对像移进行补偿，而偏流角是像移补偿过程中需要考虑的一个重要因素。偏流角是像移补偿系统移动方向和像移速度方向之间的夹角。对于当前广泛应用的TDICCD光学遥感卫星，偏流角是TDICCD列方向和像移速度方向的夹角。通过适当的方式(如卫星姿态偏航控制)旋转像平面，使得像移补偿系统移动方向和像移速度方向重合的过程称为偏航角控制。偏流角计算的准确度直接关系到偏流角控制的精度，进而影响卫星的成像质量。敏捷卫星可绕滚动轴、俯仰轴或者滚动-俯仰双轴进行姿态机动以改变成像姿态，姿态机动将使得像面的空间方位发生变化，偏流角也将随着改变。现有的敏捷卫星偏流角计算方法一般假设地球为一个理想的球体，不考虑地球椭率对计算结果的影响(景泉.敏捷卫星偏流角计算模型研究.航天器工程,2012,21(4):16-20；黄敏,葛玉君,杨芳等.敏捷卫星姿态对像移速度与偏流角的影响.航天器工程,2015,24(3):34-39)。在卫星以大角度姿态成像时，这些方法计算的偏流角与实际值可能会存在较大的偏差。另外，偏流角计算准确度还受卫星轨道位置精度、姿态控制精度等因素的影响。在敏捷卫星地面整星测试过程中，尚缺少一种对星上偏流角的计算准确度进行分析和验证的有效方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种适用于敏捷对地观测卫星的偏流角仿真分析方法，该方法考虑了相机光轴指向、地球椭率、卫星轨道位置精度和姿态控制精度等因素对偏流角的影响，显著提高了偏流角的计算精度，满足地面整星测试阶段验证星上偏流角计算准确度的需求。本专利技术的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：一种适用于敏捷对地观测卫星的偏流角仿真分析方法，包括以下步骤：(1)、生成偏流角测试时段内等间隔步长的卫星位置矢量r、速度矢量v和轨道瞬根数(a,e,f)，其中：a为轨道半长轴，e为轨道偏心率，f为真近点角；(2)、根据卫星的目标滚动角目标俯仰角θ和步骤(1)得到的位置矢量r和速度矢量v，计算相机光轴在赤道惯性坐标系的单位矢量σ；(3)、根据所述卫星位置矢量r和步骤(2)得到的相机光轴在赤道惯性坐标系的单位矢量σ，计算赤道惯性坐标系下地心到摄影点P的矢量RP；(4)、根据步骤(3)得到的地心到摄影点P的矢量RP以及轨道瞬根数(a,e,f)计算对地观测卫星的偏流角ΦP。在上述适用于敏捷对地观测卫星的偏流角仿真分析方法中，所述步骤(1)中使用STK软件在HPOP模式下生成偏流角测试时段内等间隔步长的卫星位置矢量r、速度矢量v和轨道瞬根数(a,e,f)。在上述适用于敏捷对地观测卫星的偏流角仿真分析方法中，所述步骤(2)中计算相机光轴在赤道惯性坐标系的单位矢量σ的具体方法如下：其中：σb为相机光轴指向在卫星本体坐标系的单位矢量，Aoi为惯性坐标系相对于卫星轨道坐标系的转换矩阵；Aoi＝[xoyozo]Txo＝yo×zo，为卫星位置矢量r的长度；Abo为卫星本体坐标系相对于轨道坐标系的转换矩阵；在上述适用于敏捷对地观测卫星的偏流角仿真分析方法中，所述步骤(3)中计算赤道惯性坐标系下地心到摄影点P的矢量RP的具体方法如下：RP＝r+Tσ，其中：T为卫星指向摄影点P的矢量大小；其中：B＝r·σ+drzσz，为卫星位置矢量r的长度，ae为地球的赤道半径，be为地球的极半径，rz为矢量r在赤道惯性坐标系Z轴的分量，σz为矢量σ在赤道惯性坐标系Z轴的分量。在上述适用于敏捷对地观测卫星的偏流角仿真分析方法中，所述步骤(4)计算对地观测卫星的偏流角ΦP的具体方法如下：其中：()中的数字表示选取矢量中的第几个元素参与计算，vb为卫星本体坐标系中摄影点P相对于相机像平面的速度：vb＝Abo[((ωe)o-(ωn)o)×(RP)o-(vr)o]其中：()o为轨道坐标系下的矢量，Abo为卫星相对于轨道坐标系的姿态矩阵，ωe为地球的自转角速度矢量，ωn为卫星的轨道角速度矢量，vr为卫星绝对速度的径向分量。在上述适用于敏捷对地观测卫星的偏流角仿真分析方法中，所述(ωe)o、(ωn)o与(vr)o的获取方法如下：其中：μ为地心引力系数。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)、本专利技术方法首先考虑了地球椭率对偏流角的影响，通过求解地球椭球面方程准确计算出地心到地面摄影点的矢量，从而提高了偏流角的计算精度，克服了现有敏捷对地观测卫星偏流角的计算一般假设地球为理想球体，在卫星以大角度姿态成像时，解算结果与实际值可能会出现较大的偏差的缺陷，满足地面整星测试阶段验证星上偏流角计算准确度的需求。(2)、本专利技术整个计算过程采用目标姿态角，同时借助第三方商用工具软件STK生成卫星高精度的轨道参数，并基于它们得到惯性坐标系与轨道坐标系之间的高精度的转换矩阵，显著消除了姿态误差和轨道误差对偏流角计算准确度的影响，克服了现有偏流角计算往往受卫星轨道位置精度和姿态控制精度等因素的影响，难以得到偏流角的准确参考值的缺陷。(3)、本专利技术方法适用于在地面测试过程中对敏捷对地观测卫星的偏流角计算准确度进行仿真验证，使用该方法可获得用于与星上偏流角计算结果进行比对的准确参考值。附图说明图1为本专利技术偏流角仿真分析方法的流程框图；图2为本专利技术敏捷光学遥感卫星成像几何模型示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细的描述：如图1所示为本专利技术偏流角仿真分析方法的流程框图，本专利技术偏流角仿真分析方法包括：(1)使用STK软件生成对应时刻的卫星位置矢量、速度矢量和轨道瞬根数；(2)基于卫星的目标滚动角、目标俯仰角以及位置矢量和速度矢量计算相机光轴在赤道惯性坐标系的单位矢量；(3)基于卫星的位置矢量和步骤(2)获得的相机光轴单位矢量，计算赤道惯性坐标系下地心到摄影点的矢量；(4)基于步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)的结果计算偏流角。本专利技术方法可用于在地面测试过程中对敏捷对地观测卫星星上偏流角的计算精度进行分析和验证。下面对本专利技术偏流角仿真分析方法的具体实现步骤进行详细描述：(1)、使用STK软件生成对应时刻的卫星位置矢量和轨道瞬根数假设偏流角测试时间范围为[t0,t1]，使用STK软件在高精度轨道外推(HPOP)模式下分别生成[t0,t1]时段内等间隔步长的卫星位置矢量r、速度矢量v和轨道瞬时根数(a,e,f)，本实施例中步长设置为1秒。其中,a为轨道半长轴，e为轨道偏心率，f是真近点角。(2)、计算相机光轴在赤道惯性坐标系的单位矢量。本专利技术根据敏捷光学遥感卫星成像原理，可以建立如图2所示的敏捷光学遥感卫星成像几何模型：卫星的轨道坐标系为S-XoYoZo，S为卫星的质心，Zo轴指向地心，Xo轴指向飞行方向，Yo由右手定则确定，星下点为S′，地面摄影点为P。假设卫星本体坐标系与相机坐标系重合，卫星本体坐标系初始时刻与轨道坐标系重合，选用1-2-3欧拉角转序，成像时卫星的滚动角为俯仰角为θ角，偏航角为φ。其中，偏航角并不会影响相机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于敏捷对地观测卫星的偏流角仿真分析方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)、生成偏流角测试时段内等间隔步长的卫星位置矢量r、速度矢量v和轨道瞬根数(a,e,f)，其中：a为轨道半长轴，e为轨道偏心率，f为真近点角；(2)、根据卫星的目标滚动角

【技术特征摘要】
1.一种适用于敏捷对地观测卫星的偏流角仿真分析方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)、生成偏流角测试时段内等间隔步长的卫星位置矢量r、速度矢量v和轨道瞬根数(a,e,f)，其中：a为轨道半长轴，e为轨道偏心率，f为真近点角；(2)、根据卫星的目标滚动角目标俯仰角θ和步骤(1)得到的位置矢量r和速度矢量v，计算相机光轴在赤道惯性坐标系的单位矢量σ；(3)、根据所述卫星位置矢量r和步骤(2)得到的相机光轴在赤道惯性坐标系的单位矢量σ，计算赤道惯性坐标系下地心到摄影点P的矢量RP；(4)、根据步骤(3)得到的地心到摄影点P的矢量RP以及轨道瞬根数(a,e,f)计算对地观测卫星的偏流角ΦP。2.根据权利要求1所述的适用于敏捷对地观测卫星的偏流角仿真分析方法，其特征在于：所述步骤(1)中使用STK软件在HPOP模式下生成偏流角测试时段内等间隔步长的卫星位置矢量r、速度矢量v和轨道瞬根数(a,e,f)。3.根据权利要求1所述的适用于敏捷对地观测卫星的偏流角仿真分析方法，其特征在于：所述步骤(2)中计算相机光轴在赤道惯性坐标系的单位矢量σ的具体方法如下：其中：σb为相机光轴指向在卫星本体坐标系的单位矢量，Aoi为惯性坐标系相对于卫星轨道坐标系的转换矩阵；Aoi＝[xoyozo]Txo＝yo×zo，为卫星位置矢量r的长度；Abo为卫星本体坐标系相对于轨道坐标系的转换矩阵；4.根据权利要求1所述的适用于敏捷对地观测卫星的偏流角仿真分析...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈雄姿，谢松，王抒雁，黄镐，于灵慧，王超伦，
申请(专利权)人：航天东方红卫星有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11