一种近地遥感卫星自主任务规划地影预报方法及装置制造方法及图纸

一种近地遥感卫星自主任务规划地影预报方法及装置，基于太阳

【技术实现步骤摘要】
一种近地遥感卫星自主任务规划地影预报方法及装置


[0001]本专利技术涉及航天器自主任务规划
，特别涉及一种近地遥感卫星自主任务规划地影预报方法及装置，用于星上自主规划安排飞行任务时计算未来指定规划周期内卫星每个轨道圈的进出地影时间。

技术介绍

[0002]相比于传统的以遥控遥测为主要手段的卫星运行管理，星上自主任务规划具有充分发挥卫星使用效能、提高卫星响应紧急任务能力、大幅减少对地面测控的依赖和支持多星自主协同配合执行对地观测任务等诸多优势，将成为智能卫星/星群的一项标配技术。自主任务规划过程中，对未来指定规划周期内卫星每个轨道圈进出地影的时间进行预报是执行任务调度和编排前必不可少的关键环节，原因在于：(1)在进/出影时刻卫星一般会切换飞行状态(对日转对地或对地转对日)，任务规划需要避免在进出影时间附近编排观测或回放任务；(2)有些载荷的工作条件受地影的影响，例如可见光相机一般只能在阳照区成像；(3)卫星处于地影区内部和外部执行任务的姿态机动动作选择不同，例如：执行完观测任务且后续空闲时间充足时，阳照区卫星应转对日充电，地影区应转为对地零姿态；执行回放任务时，阳照区卫星需转为对地零姿态，地影区则不需要姿态机动。可见，准确的地影预报是任务规划编排结果正确的基础；同时，自主任务规划具有高实时性要求，地影预报的执行速度越快越好。
[0003]由于星载处理器的计算和存储能力受限，传统采用固定步长对阴影条件进行解算的方法由于计算量过大无法适用。贾向华等人提出了一种近地轨道卫星的地影预报星上算法(贾向华，徐明，陈罗婧.近地轨道卫星的地影预报算法[J]，宇航学报，2016，第37卷第1期)。该算法计算量相对较小，但是面向实际工程应用存在的不足表现在：(1)其在迭代计算和解析求解过程中均包含大量三角函数的运算，计算量依旧偏大，现有星载处理器使用该算法预报一天的地影时间耗时将超过20s，无法满足自主任务规划更高实时性的要求；(2)其预报结果的方差较大且与预报时长不直接相关，预报精度有待进一步提高。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题是：针对目前现有技术中星上预报卫星地影时间算法的计算时效性和精度无法满足星上自主任务规划需求的问题，提出了一种近地遥感卫星自主任务规划地影预报方法及装置。
[0005]本专利技术的技术方案为：一种近地遥感卫星自主任务规划地影预报方法，包括：(1)确定自主任务规划的规划周期为[T0,T1]，将任务规划周期的起始时刻T0作为初始化时刻t0；(2)基于太阳
‑
地球
‑
卫星的相对位置关系，计算t0时刻所属轨道圈卫星的出影时刻估计值t
D_est
和进影时刻估计值t
C_est
；(3)基于所述出影时刻估计值t
D_est
和进影时刻估计值t
C_est
，通过二分法分别迭代求解出影时刻精确值t
D
和进影时刻精确值t
C
；(4)将进影时刻精确值t
C
与卫星阴影区最大长度T
Umax
之和再加时长裕量q作为最终初始化时刻t0；(5)判断最
终初始化时刻t0是否小于任务规划周期的终止时刻T1，若是，转到步骤(2)，继续计算下一个轨道圈的进出影时间；否则，自主任务规划周期对应的所有轨道圈的进出影时刻计算完毕。
[0006]进一步的，步骤(2)中所述计算t0时刻所属轨道圈卫星的出影时刻估计值t
D_est
和进影时刻估计值t
C_est
，具体包括：
[0007](2a)确定t0时刻卫星的瞬时轨道根数，包括半长轴a0、交点赤经Ω0、轨道倾角i0、近地点幅角ω0和真近点角f0，纬度幅角u0＝ω0+f0，并计算出t0时刻卫星的惯性位置矢量r0；
[0008](2b)通过计算太阳在惯性系的轨道根数计算t0时刻太阳方向在地心惯性系的单位矢量s，并将其转换到轨道坐标系O
‑
ξηζ得到
[0009][0010]其中，轨道坐标系的原点为地心O，ξ轴与升交点N的矢径重合，ζ轴与轨道动量矩矢量重合，η轴由右手规则确定，ξη平面为轨道面；
[0011](2c)基于计算s与轨道面的夹角β的余弦值：
[0012][0013]其中，和分别是在ξ轴和η轴的分量；
[0014](2d)计算出影点时刻卫星位置矢量r与s夹角余弦值的近似值：
[0015][0016]其中，R是地球平均半径；
[0017](2e)基于cosβ和根据球面三角公式计算s在轨道面的投影与OD的夹角估值u1，其中D点为出影点，π/2＜u1＜π，
[0018][0019](2f)计算s在轨道面的投影与ON的夹角α，0≤α＜2π，
[0020][0021](2g)基于u1和α分别计算出影时刻估计值t
D_est
和进影时刻估计值t
C_est
：
[0022]t
D_est
＝t+(α
‑
u1‑
u0)/n，
[0023]t
C_est
＝t+(α+u1‑
u0)/n，
[0024]其中，卫星轨道角速度μ＝398600.44km3/s2是地心引力常数。
[0025]进一步的，步骤(3)中，所述通过二分法分别迭代求解出影时刻精确值t
D
和进影时刻的精确值t
C
，具体包括：
[0026](3a)根据进影点C、出影点D太阳
‑
地球
‑
卫星之间的相对位置关系，得到：
[0027][0028]建立t
D
和t
C
的非线性求解方程：g(t)＝0；
[0029]其中，t表示卫星在轨飞行的任意时刻，r(t)为解析外推得到的t时刻卫星在地心惯性坐标系下的位置矢量，r(t)是r(t)的长度；
[0030](3b)设置t
D
的求解区间为[t
D_est
‑
p，t
D_est
+p]，t
C
的求解区间为[t
C_est
‑
p，t
C_est
+p]，两个区间的上下界统一用[t
low
，t
up
]表示；
[0031](3c)计算t
mid
＝(t
up
+t
low
)/2；
[0032](3d)若t
up
‑
t
low
≤ε，t
mid
作为优化结果，出影时刻t
D
＝t
mid
，进影时刻t
C
＝t
mid
，停止计算；否则，若g(t
low
)g(t
mid...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种近地遥感卫星自主任务规划地影预报方法，其特征在于，包括：(1)确定自主任务规划的规划周期为[T0,T1]，将任务规划周期的起始时刻T0作为初始化时刻t0；(2)基于太阳
‑
地球
‑
卫星的相对位置关系，计算t0时刻所属轨道圈卫星的出影时刻估计值t
D_est
和进影时刻估计值t
C_est
；(3)基于所述出影时刻估计值t
D_est
和进影时刻估计值t
C_est
，通过二分法分别迭代求解出影时刻精确值t
D
和进影时刻精确值t
C
；(4)将进影时刻精确值t
C
与卫星阴影区最大长度T
Umax
之和再加时长裕量q作为最终初始化时刻t0；(5)判断最终初始化时刻t0是否小于任务规划周期的终止时刻T1，若是，转到步骤(2)，继续计算下一个轨道圈的进出影时间；否则，自主任务规划周期对应的所有轨道圈的进出影时刻计算完毕。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述计算t0时刻所属轨道圈卫星的出影时刻估计值t
D_est
和进影时刻估计值t
C_est
，具体包括：(2a)确定t0时刻卫星的瞬时轨道根数，包括半长轴a0、交点赤经Ω0、轨道倾角i0、近地点幅角ω0和真近点角f0，纬度幅角u0＝ω0+f0，并计算出t0时刻卫星的惯性位置矢量r0；(2b)通过计算太阳在惯性系的轨道根数计算t0时刻太阳方向在地心惯性系的单位矢量s，并将其转换到轨道坐标系O
‑
ξηζ得到ξηζ得到其中，轨道坐标系的原点O为地心，ξ轴与升交点N的矢径重合，ζ轴与轨道动量矩矢量重合，η轴由右手规则确定，ξη平面为轨道面；(2c)基于计算s与轨道面的夹角β的余弦值：其中，和分别是在ξ轴和η轴的分量；(2d)计算出影点时刻卫星位置矢量r与s夹角余弦值的近似值：其中，R是地球平均半径；(2e)基于cosβ和根据球面三角公式计算s在轨道面的投影与OD的夹角估值u1，其中D点为出影点，π/2＜u1＜π，(2f)计算s在轨道面的投影与ON的夹角α，0≤α＜2π，
(2g)基于u1和α分别计算出影时刻估计值t
D_est
和进影时刻估计值t
C_est
：t
D_est
＝t+(α
‑
u1‑
u0)/n，t
C_est
＝t+(α+u1‑
u0)/n，其中，卫星轨道角速度μ＝398600.44km3/s2是地心引力常数。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述通过二分法分别迭代求解出影时刻精确值t
D
和进影时刻的精确值t
C
，具体包括：(3a)根据进影点C、出影点D太阳
‑
地球
‑
卫星之间的相对位置关系，得到：建立t
D
和t
C
的非线性求解方程：其中，t表示卫星在轨飞行的任意时刻，r(t)为解析外推得到的t时刻卫星在地心惯性坐标系下的位置矢量，r(t)是r(t)的长度；(3b)设置t
D
的求解区间为[t
D_est
‑
p，t
D_est
+p]，t
C
的求解区间为[t
C_est
‑
p，t
C_est
+p]，两个区间的上下界统一用[t
low
,t
up
]表示；(3c)计算t
mid
＝(t
up
+t
low
)/2；(3d)若t
up
‑
t
low
≤ε，t
mid
作为优化结果，出影时刻t
D
＝t
mid
，进影时刻t
C
＝t
mid
，停止计算；否则，若g(t
low
)g(t
mid
)＜0，令t
up
＝t
mid
，若g(t
low
)g(t
mid
)＞0，令t
low
＝t
mid
，然后回到步骤(3c)进入下一次迭代；其中，ε表示精度水平。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述精度水平ε＝0.5s。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于500～700km轨道，所述卫星阴影区的最大时长T
Umax
取2400s。6.一种近地遥感卫星自主任务规划地影预报装置，其特征在于，包括：初始化模块、出进影时刻估计模块、出进影时刻确定模块、初...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈雄姿，谢松，张磊，付凯林，于灵慧，朱政帆，孙晓函，
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：