低轨卫星跟踪非轨道飞行高动态目标的窗口计算方法技术

本发明专利技术提供了一种低轨卫星跟踪非轨道飞行高动态目标的窗口计算方法，首先明确已知条件、约束条件和卫星跟踪窗口的计算优化目标，然后采用初筛选、细筛选两步筛选，综合考虑卫星轨道、高动态目标运动轨迹、卫星与目标的相对几何关系、地面测控站对卫星的可见情况、卫星的对地观测能力、空间天气情况、日月对卫星星敏感器的干扰情况，进行低轨卫星跟踪高动态目标的窗口计算与优化方法，解决了卫星跟踪高动态目标的窗口多变、确定难度大等问题，计算简便，具有较强的工程可用性。

A window calculation method for tracking the high dynamic target of a non orbit flight by a low orbit satellite

The present invention provides a method for calculating the low orbit satellite tracking non orbit high dynamic target window, the first clear optimization target known conditions, constraints and satellite tracking window, and then the initial screening, fine screening of two step screening, considering the high dynamic satellite orbit, the target trajectory, the satellite and the target relative geometry, ground station of satellite visible, satellite earth observation ability, space weather conditions, the sun and the satellite sensor interference, calculation and optimization method of low earth orbit satellite tracking in high dynamic target window, solve the satellite tracking in high dynamic target window changes, identify problems, difficult simple calculation, strong usability engineering.

【技术实现步骤摘要】
低轨卫星跟踪非轨道飞行高动态目标的窗口计算方法
本专利技术属于航天测量与控制领域，涉及低轨道卫星跟踪非轨道飞行的高动态目标的时间窗口计算方法。
技术介绍
航天器对地观测是空间信息系统的一部分，在国土资源普查、火灾监测等方面有重要的应用。天基对地侦察具有观测范围广、持续时间长、不受空域与国界限制、不涉及使用人员生命安全、不易引起军事对峙冲突等优点。卫星以约7.9km/s的速度运行于低地球轨道，为实现对一特定目标的观测，必须在轨道飞行过程中不断调整自身姿态，才能实现对目标的持续跟踪。当目标处于高速机动飞行的状态时，目标飞行轨迹的不确定性进一步增加了跟踪的难度。受卫星轨道运动、相对位置、卫星姿态机动范围、目标动态移动等因素的影响，通常卫星跟踪高动态目标的时间很短，只有几分钟的时长。因此卫星必须准确预测动态目标的初始位置，提前调整卫星姿态，保证卫星在可视范围内能持续跟踪动态目标。目前国内卫星跟踪监视地面目标主要以静止目标、慢速移动目标为主，采用的多数姿态与跟踪窗口计算方法仅考虑卫星在地球固定坐标系的移动状态，不计算地面目标的机动状况，因此不适用于飞机等快速飞行并具备机动能力的高动态目标。为了保证卫星能最长的跟踪动态目标，需要计算卫星跟踪动态目标的时间前后沿，计算跟踪的时间窗口，并确定卫星跟踪动态目标时间前沿时刻的初始姿态。低轨卫星跟踪非轨道飞行高动态目标的窗口计算受多种限制因素的影响，包括地面测控站对卫星的可见情况、卫星对动态目标的相对几何关系、卫星的对地观测能力、空间天气情况、日月对卫星星敏感器的干扰情况等，因此低轨卫星跟踪动态目标的窗口计算是个多约束问题。专利
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低轨卫星跟踪动态目标的窗口计算方法，计算简便，能够考虑了卫星跟踪高动态目标过程中的多种影响因素，适用于低轨卫星跟踪高动态目标的窗口计算。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：步骤一，明确已知条件，包括动态目标在地固系的理论弹道和卫星在J2000惯性坐标系的轨道参数，所述的轨道参数包括历元时刻、轨道六根数、大气阻尼系数和面质比；步骤二，明确约束条件，包括卫星的对地观测能力和气象可见约束；所述的卫星的对地观测能力包括卫星的星敏感器安装位置与指向、卫星的姿态角机动范围、卫星姿态角速度的最大值、观测相机的分辨率参数；所述的气象可见约束包括可见距离和动态目标周围的云层分布情况；步骤三，明确卫星跟踪窗口的计算优化目标，内容包括：a)卫星的相机光轴指向目标时，卫星姿态在姿态机动范围内；b)卫星姿态机动角速度能满足锁定动态目标的条件；c)目标进入卫星相机视场后，预留足以判断是否完成目标锁定的时间；d)窗口时间内，地面测站对低轨卫星可见；e)窗口时间内，日月星体不能对星敏感器产生干扰；f)卫星跟踪动态目标的时间取最优值；步骤四，以动态目标的初始位置看卫星的最高仰角作为判断标准，计算卫星看动态目标时是否超过了卫星侧摆角的滚动范围，将未超过的跟踪圈次作为跟踪窗口的初步筛选结果；所述步骤四的具体步骤包括：子步骤一，通过统计设定时段的空间环境观测参数，给定太阳辐射流量指数F10.7与地磁指数Kp值的上限与下限；子步骤二，以卫星轨道初值完成轨道外推，外推的大气模型参数分别取子步骤一的上限与下限，生成两条卫星轨道，记为轨道OA和轨道OB；子步骤三，以动态目标的初始位置点为观测基点，分别计算卫星轨道OA和轨道OB的可见圈次从观测基点看卫星的最高仰角情况，生成最高仰角的上限与下限；子步骤四，计算卫星看基点是左侧摆还是右侧摆，判断最高仰角的上限与下限的余角是否在卫星侧摆角限制θmax范围内，若卫星侧摆角超过最大限制角θmax，则排除该跟踪圈次，否则保留该跟踪圈次；子步骤五，将保留的跟踪圈次作为跟踪窗口的初步筛选结果。步骤五，读取步骤四初筛选的各圈次及其最高仰角Emax，根据卫星轨道、观测基点、卫星星下点之间的相互位置关系，采用实时姿态算法计算卫星看观测基点的姿态角及时间；若卫星跟踪动态目标的最大跟踪时长大于任务预先设定的跟踪窗口的最短时间间隔限制，则保留该圈次，否则排除该圈次；所述的步骤五将观测基点从地球固定坐标系转换至卫星轨道坐标系，在卫星轨道坐标系中，计算观测基点满足卫星最大姿态角可观测的条件，并由此计算观测开始时间；依据卫星俯仰角的上限值计算卫星跟踪动态目标的时间开始时刻T0，设目标识别的时间间隔为Tr，则跟踪窗口的时间前沿为Ts＝T0+Tr；依据卫星俯仰角的下限值计算卫星跟踪动态目标的时间窗口后沿TE；卫星跟踪动态目标的最大跟踪时长TD＝TE-Ts；若TD大于任务预先设定的跟踪窗口的最短时间间隔限制TL，则保留该圈次，否则排除该圈次。步骤六，把步骤五筛选得到的跟踪窗口分为A、B、C三类；相机右摆最大角左摆范围内的圈次，且在白天的，为A类窗口；相机右摆最大角左摆范围内的圈次，不属于A类，且在白天的，为B类窗口；相机右摆最大角左摆范围内的圈次，且观测时间在晚上的，为C类窗口；其中为相机右摆的保守限制值，为相机左摆的保守限制值，为相机右摆的最大限制值，为相机左摆的最大限制值。保守限制值为卫星的设计侧摆角范围，最大限制值为卫星侧摆角的极限值。本专利技术的有益效果是：采用初筛选、细筛选两步筛选，综合考虑了卫星轨道、高动态目标运动轨迹、卫星与目标的相对几何关系、地面测控站对卫星的可见情况、卫星的对地观测能力、空间天气情况、日月对卫星星敏感器的干扰情况，提出了一种可行的低轨卫星跟踪高动态目标的窗口计算与优化方法，解决了卫星跟踪高动态目标的窗口多变、确定难度大等问题，具有较强的工程可用性。附图说明图1是低轨卫星跟踪高动态目标窗口计算总体流程图；图2是跟踪窗口初筛选流程图；图3是跟踪窗口细筛选流程图。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。本专利技术提供的低轨卫星跟踪非轨道飞行高动态目标的窗口计算方法，总体流程如图1所示，包括如下步骤：步骤一：明确已知条件，包括动态目标在地固系的理论弹道、卫星在J2000惯性坐标系的轨道参数(历元时刻、轨道六根数、大气阻尼系数、面质比)。步骤二：明确约束条件，包括卫星的对地观测能力和气象可见约束，卫星的对地观测能力需要明确卫星的星敏感器安装位置与指向、卫星的姿态角机动范围、卫星姿态角速度的最大值、观测相机的分辨率参数，气象可见约束是指可见距离、动态目标周围的云层分布情况。步骤三：明确卫星跟踪窗口的计算优化目标，主要包括：a)卫星的相机光轴指向目标时，卫星姿态在姿态机动范围内；b)卫星姿态机动角速度能满足锁定动态目标的条件；c)目标进入卫星相机视场后，预留的时间足以判断是否完成目标锁定；d)窗口时间内，地面测站对低轨卫星可见；e)窗口时间内，日月星体不能对星敏感器产生干扰；f)卫星跟踪动态目标的时间取最优值。步骤四：跟踪窗口的初筛选。跟踪窗口的初筛选主要以动态目标的初始位置看卫星的最高仰角作为判断标准，计算卫星看动态目标时是否超过了卫星侧摆角的滚动范围。以动态目标的初始位置点为基点，计算卫星轨道飞行过程中不同圈次从基点看卫星的最高仰角情况。为确定基点看卫星的最高仰角偏差范围，需要计算最高仰角的上限值与下限值。计算的子步骤流程图如图2所示，流程描述的具体子步骤为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低轨卫星跟踪非轨道飞行高动态目标的窗口计算方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一，明确已知条件，包括动态目标在地固系的理论弹道和卫星在J2000惯性坐标系的轨道参数，所述的轨道参数包括历元时刻、轨道六根数、大气阻尼系数和面质比；步骤二，明确约束条件，包括卫星的对地观测能力和气象可见约束；所述的卫星的对地观测能力包括卫星的星敏感器安装位置与指向、卫星的姿态角机动范围、卫星姿态角速度的最大值、观测相机的分辨率参数；所述的气象可见约束包括可见距离和动态目标周围的云层分布情况；步骤三，明确卫星跟踪窗口的计算优化目标，内容包括：a)卫星的相机光轴指向目标时，卫星姿态在姿态机动范围内；b)卫星姿态机动角速度能满足锁定动态目标的条件；c)目标进入卫星相机视场后，预留足以判断是否完成目标锁定的时间；d)窗口时间内，地面测站对低轨卫星可见；e)窗口时间内，日月星体不能对星敏感器产生干扰；f)卫星跟踪动态目标的时间取最优值；步骤四，以动态目标的初始位置看卫星的最高仰角作为判断标准，计算卫星看动态目标时是否超过了卫星侧摆角的滚动范围，将未超过的跟踪圈次作为跟踪窗口的初步筛选结果；步骤五，读取步骤四初筛选的各圈次及其最高仰角Emax，根据卫星轨道、观测基点、卫星星下点之间的相互位置关系，采用实时姿态算法计算卫星看观测基点的姿态角及时间；若卫星跟踪动态目标的最大跟踪时长大于任务预先设定的跟踪窗口的最短时间间隔限制，则保留该圈次，否则排除该圈次；步骤六，把步骤五筛选得到的跟踪窗口分为A、B、C三类；相机右摆最大角...

【技术特征摘要】
1.一种低轨卫星跟踪非轨道飞行高动态目标的窗口计算方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一，明确已知条件，包括动态目标在地固系的理论弹道和卫星在J2000惯性坐标系的轨道参数，所述的轨道参数包括历元时刻、轨道六根数、大气阻尼系数和面质比；步骤二，明确约束条件，包括卫星的对地观测能力和气象可见约束；所述的卫星的对地观测能力包括卫星的星敏感器安装位置与指向、卫星的姿态角机动范围、卫星姿态角速度的最大值、观测相机的分辨率参数；所述的气象可见约束包括可见距离和动态目标周围的云层分布情况；步骤三，明确卫星跟踪窗口的计算优化目标，内容包括：a)卫星的相机光轴指向目标时，卫星姿态在姿态机动范围内；b)卫星姿态机动角速度能满足锁定动态目标的条件；c)目标进入卫星相机视场后，预留足以判断是否完成目标锁定的时间；d)窗口时间内，地面测站对低轨卫星可见；e)窗口时间内，日月星体不能对星敏感器产生干扰；f)卫星跟踪动态目标的时间取最优值；步骤四，以动态目标的初始位置看卫星的最高仰角作为判断标准，计算卫星看动态目标时是否超过了卫星侧摆角的滚动范围，将未超过的跟踪圈次作为跟踪窗口的初步筛选结果；步骤五，读取步骤四初筛选的各圈次及其最高仰角Emax，根据卫星轨道、观测基点、卫星星下点之间的相互位置关系，采用实时姿态算法计算卫星看观测基点的姿态角及时间；若卫星跟踪动态目标的最大跟踪时长大于任务预先设定的跟踪窗口的最短时间间隔限制，则保留该圈次，否则排除该圈次；步骤六，把步骤五筛选得到的跟踪窗口分为A、B、C三类；相机右摆最大角左摆范围内的圈次，且在白天的，为A类窗口；相机右摆最大角左摆范围内的圈次，不属于A类，且在白天的，为B类窗口；相机右摆最大角左摆范围内的圈次，且观测时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈俊收，谭炜，李超，杨永安，马鹏斌，叶楠，
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