零动量卫星对月定标观测控制方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了一种零动量卫星对月定标观测控制方法和系统，在卫星俯仰姿态机动时增加姿态周期性偏置功能，在对月定标观测的俯仰姿态基准上增加正弦变化的偏置量；通过卫星轨道测量、姿态测量和卫星质心指向月球球心的星月矢量，计算确定月球在卫星本体坐标系下的方位，以此作为对月定标观测的基准，通过姿态控制实现星月矢量始终位于卫星本体坐标系YbObZb面内。本发明专利技术通过在对月定标观测的俯仰姿态基准上增加正弦变化的偏置量，可有效规避卫星姿态基准与载荷光轴指向偏差较大带来的风险，确保有效载荷实现对月定标观测且观测时间满足要求。间满足要求。间满足要求。

【技术实现步骤摘要】
零动量卫星对月定标观测控制方法和系统


[0001]本专利技术涉及卫星姿态控制和载荷在轨定标领域，具体地，涉及零动量卫星对月定标观测控制方法和系统。更具体地说，涉及一种卫星有效载荷对月定标观测控制方法。

技术介绍

[0002]对地观测卫星在陆地、海洋和大气监测中发挥着越来越重要的作用，作为航天高科技皇冠上的明珠，有效载荷的功能、性能决定了卫星应用的广度和深度，目前科研人员正在抓紧进行光学、红外等有效载荷的研究，应用范围涉及气象海洋观测、陆地资源勘查等领域。
[0003]由于发射过程中仪器受到冲击振动以及在轨工作环境发生变化，有效载荷遥感仪器定标参数会偏离发射前定标试验的结果。工程经验表明，气象卫星的可见光、红外通道探测器灵敏度每年都有一定的衰减，为了监测在轨探测器定标参数的变化情况，必须开展遥感仪器的在轨定标。
[0004]目前卫星在轨定标源主要采用星上黑体、太阳光等，但黑体有自身温度的控制误差、太阳光漫反射板的衰减会对星上定标造成不利的影响。以典型地物目标为参考源开展定标时，会受地球大气的影响。除了传统的定标手段外，月球作为一种在轨定标源逐渐受到重视，主要是月球定标相对于其他定标手段有其独特的优势。首先，月球具有极稳定的反射比，辐照度年变化小于10
‑8，并且反射光谱是连续光滑的，能够较好地反映太阳光谱的结构；其次，月球光谱辐亮度值在大部分卫星遥感仪器的动态范围之内，不需要在光路中引入其他部件，可以简化定标流程；另外，月球可被任何地球轨道卫星观测到，它提供了一种交叉定标途径，保证了定标的一致性与稳定性。
[0005]卫星有效载荷正常对地观测时，月球每月进入载荷视场一次，但由于卫星的轨道运动，载荷对月扫描观测的时间不足10s，只能形成有限帧有效图像。为增加有效载荷对月观测时长，需通过卫星俯仰姿态机动或者有效载荷在对地扫描观测的基础上增加一维驱动功能来实现。
[0006]目前遥感卫星对月定标观测控制技术主要针对线阵时间延迟积分CCD传感器对月成像定标开展研究，FY
‑
3卫星开展了同类载荷的对月定标控制研究，FY
‑
3卫星采用偏置动量控制方案，姿态机动控制器设计上与零动量控制方案存在较大不同。
[0007]专利文献CN105486315A公开了一种遥感卫星对月绝对定标姿态调整方法，其从线阵时间延迟积分CCD传感器对月成像定标出发，提出从两个方面修正卫星姿态，一方面通过调整卫星姿态绕自身本体Y轴旋转控制形成以月球视场中心的观测速高比，另一方面通过调整卫星姿态绕本体Z轴旋转消除月球影像在遥感器视场中的像移问题，进而获取清晰的月球图像。本专利技术中的有效载荷传感器为TeGeHg传感器，主要对地球表面和月球表面的亮温进行探测，与线阵时间延迟积分CCD传感器成像有较大差别，因此控制目标和控制方法有较大不同。
[0008]专利文献CN105446346A公开了一种遥感卫星对月相对定标姿态调整方法，其通过
仿真确定相对定标时间段，通过双矢量定姿确定卫星对月相对定标的起始姿态角，根据对月成像参数分析确定对月相对定标过程中的姿态控制角速度，消除对月绝对定标过程中的遥感器像移问题，仿真设计卫星姿态轨迹规划。该专利文献CN105446346A中的有效载荷传感器为线阵时间延迟积分CCD传感器，需解决遥感器像移问题，本专利技术中月球跟踪机动控制时的俯仰姿态基准为卫星俯仰姿态角
‑
星月矢量方位角
‑
偏置角，两者存在较大的区别。
[0009]论文《光学遥感卫星对月定标时姿态机动补偿方法》(航天器工程，第25卷第4期，2016年8月，5～12)针对星载CCD相机对月成像过程中积分时间与推扫速度失配问题，提出了通过姿态机动补偿CCD相机推扫速度的方法，解决过采样问题，实现推扫速度与积分时间匹配。本专利技术中的有效载荷传感器为TeGeHg传感器，成像方法与该论文中的CCD相机成像有较大差别，且未涉及本专利中的通过俯仰姿态偏置实现高可靠地对月定标观测。
[0010]论文《低轨高分辨率遥感卫星姿态机动对月定标方法》(光学精密工程，第28卷第9期，2020年9月，1913～1923)提出了一种姿态机动对月定标方法，包括对月定标时机选择、对月定标卫星姿态规划以及载荷成像参数选取等技术，未涉及到本专利技术提出的“通过俯仰姿态偏置实现可靠地对月定标观测”、“通过姿态规划与跟踪，实现机动前后姿态角或角速度不为零的机动控制，提高观测效率”。
[0011]论文《FY
‑
3(05)星主动对月定标控制技术研究》(上海航天，第38卷2021年第2期，37～44)针对偏置动量卫星提出了一种主动对月定标控制方案，包括月球矢量插值计算方法、偏置动量卫星姿态机动控制方案，实现卫星俯仰机动360
°
完成对月定标观测控制任务。该论文提供方案的特点是卫星需机动1圈(101min)来实现对月观测。本专利技术提出的控制方法主要面向零动量卫星，机动灵活，可实现5min～101min内任意时间的对月观测。

技术实现思路

[0012]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种零动量卫星对月定标观测控制方法和系统。
[0013]根据本专利技术提供的一种零动量卫星对月定标观测控制方法，包括：
[0014]步骤S1：确定对月定标观测开始时刻TO；
[0015]步骤S2：计算得到TO时刻星月矢量仰角α、星月矢量方位角β；
[0016]步骤S3：确定周期性偏置量，即俯仰姿态偏置角γ：
[0017]γ＝εsin(2πt/τ)
[0018]其中，ε为偏置量峰值，t为时间变量，τ为偏置量周期；偏置量周期选择整个对月观测时间或对月观测时长的1/N，N为正整数，并上注偏置量参数ε、τ；
[0019]步骤S4：根据TO时刻星月矢量方位角β，生成并上注延时执行注数：允许对月定标观测；并确定俯仰姿态机动；
[0020]对月观测期间的俯仰姿态基准为(θ
‑
β
‑
γ)，其中θ为卫星俯仰姿态角，由卫星姿态确定实时给出；其中β为星月矢量方位角，由星载计算机实时计算给出；其中γ为俯仰姿态偏置角实时计算给出；
[0021]步骤S5：对月定标观测任务完成后，俯仰机动返回，注数：禁止对月定标观测；在对地观测时不进入对月观测。
[0022]优选地，在所述步骤S1中，地面根据月相角、卫星所处光照区或阴影区的区间、卫
星测控弧段的条件确定对月定标观测开始时刻TO；
[0023]对月定标观测开始时刻TO选择在满月前后，避开月相角0
°
，月相角为有效载荷、月球之间的连线与月球、太阳之间的连线所成的角度；
[0024]对月定标观测开始时刻TO、对月定标观测结束时刻Tend选择在卫星处于阴影区间，TO时刻前后有可见卫星测控弧段上注指令和注数，对月定标机动观测期间星敏感器不受杂光影响。
[0025]优选地，所述步骤S2包括：
[0026]步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种零动量卫星对月定标观测控制方法，其特征在于，包括：步骤S1：确定对月定标观测开始时刻TO；步骤S2：计算得到TO时刻星月矢量仰角α、星月矢量方位角β；步骤S3：确定周期性偏置量，即俯仰姿态偏置角γ：γ＝εsin(2πt/τ)其中，ε为偏置量峰值，t为时间变量，τ为偏置量周期；偏置量周期选择整个对月观测时间或对月观测时长的1/N，N为正整数，并上注偏置量参数ε、τ；步骤S4：根据TO时刻星月矢量方位角β，生成并上注延时执行注数：允许对月定标观测；并确定俯仰姿态机动；对月观测期间的俯仰姿态基准为(θ
‑
β
‑
γ)，其中θ为卫星俯仰姿态角，由卫星姿态确定实时给出；其中β为星月矢量方位角，由星载计算机实时计算给出；其中γ为俯仰姿态偏置角实时计算给出；步骤S5：对月定标观测任务完成后，俯仰机动返回，注数：禁止对月定标观测；在对地观测时不进入对月观测。2.根据权利要求1所述的零动量卫星对月定标观测控制方法，其特征在于，在所述步骤S1中，地面根据月相角、卫星所处光照区或阴影区的区间、卫星测控弧段的条件确定对月定标观测开始时刻TO；对月定标观测开始时刻TO选择在满月前后，避开月相角0
°
，月相角为有效载荷、月球之间的连线与月球、太阳之间的连线所成的角度；对月定标观测开始时刻TO、对月定标观测结束时刻Tend选择在卫星处于阴影区间，TO时刻前后有可见卫星测控弧段上注指令和注数，对月定标机动观测期间星敏感器不受杂光影响。3.根据权利要求1所述的零动量卫星对月定标观测控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：步骤S2.1：计算月球在瞬时地心平赤道坐标系下的位置矢量，记为月球矢量；瞬时地心平赤道坐标系的原点位于地球质心，X轴指向平春分点，Z轴指向平北天极，Y轴垂直于X轴与Z轴，组成右手直角坐标系；步骤S2.2：通过坐标转换将月球矢量转换到卫星本体坐标系，并将月球矢量归一化为(Xb，Yb，Zb)，其中，Xb、Yb、Zb分别表示卫星本体坐标系下归一化的X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标；步骤S2.3：计算TO时刻星月矢量仰角α、星月矢量方位角β；在所述步骤S2.3中：TO时刻卫星质心指向月球球心的星月矢量仰角α为：α＝acos(Yb)月球矢量在+Yb一侧，仰角α定义为正，反之为负；TO时刻星月矢量方位角β为：β＝atan2(Xb，Zb)月球矢量在卫星本体坐标系XbObZb面内的投影在+Xb半平面时，方位角β为正，反之为负；其中，Ob表示卫星本体坐标系原点。
4.根据权利要求1所述的零动量卫星对月定标观测控制方法，其特征在于，在所述步骤S4中：若TO时刻星月矢量方位角β＝0，则生成并上注延时执行注数：允许对月定标观测；注数包中包含开始执行对月定标观测机动控制的时刻即TO时刻；若TO时刻方位角β≠0，则根据β大小计算俯仰姿态机动到β＝0的时间Tj，由此确定TO
‑
Tj为俯仰姿态机动的延时注数执行时刻，生成并上注延时执行注数：允许对月定标观测，含俯仰机动；注数包中包含俯仰姿态机动开始执行时刻TO
‑
Tj，机动到位后自动执行对月定标观测；俯仰姿态机动到β＝0的过程采用先规划后跟踪的方式进行，使得机动到位后相对轨道坐标系的俯仰角速度在轨道角速度附近；机动开始时的三轴姿态角为(Φ，θ，Ψ)，三轴姿态角速度为Φ、θ、Ψ、均在零附近；机动完成后的三轴姿态角为(Φ
′
，θ
′
，Ψ
′
)，三轴姿态角速度为Φ
′
、Ψ
′
、均在零附近，θ
′
在TO时刻的β附近，在轨道角速度附近；所述附近是指差值小于预设的数值范围。5.一种零动量卫星对月定标观测控制方法，其特征在于，在卫星俯仰姿态机动时增加姿态周期性偏置功能，在对月定标观测的俯仰姿态基准上增加正弦变化的偏置量；通过卫星轨道测量、姿态测量和卫星质心指向月球球心的星月矢量，计算确定月球在卫星本体坐标系下的方位，以此作为对月定标观测的基准，通过姿态控制实现星月矢量始终位于卫星本体坐标系YbObZb面内。6.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱海江，钱斌，李海生，张宏伟，缪鹏飞，高旭东，赵其昌，李叶飞，梁伟，
申请(专利权)人：上海卫星工程研究所，
类型：发明
国别省市：