CN112960145B - 一种遥感卫星对地姿态机动扫描的轨迹规划方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种遥感卫星对地姿态机动扫描的轨迹规划方法及系统，涉及卫星设计方案论证技术领域，该方法包括：步骤S1：在地球固连坐标系下规划2D地面扫描轨迹，并将2D地面扫描轨迹转化至地球惯性坐标系下的3D扫描轨迹；步骤S2：根据卫星轨道参数，对3D扫描轨迹的扫描弧段进行前推和后推计算，获取卫星轨道数据；步骤S3：通过卫星轨道数据和3D扫描轨迹，再根据时间点逐一计算指向矢量序列，获取轨道坐标系下的两个指向角；步骤S4：将两个所述指向角发送给姿轨控系统作为目标姿态完成闭环控制。本发明能够执行地面扫描轨迹到指向角的转换，为姿控系统设计提供设计输入，并完成姿态闭环控制。

Description

一种遥感卫星对地姿态机动扫描的轨迹规划方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星设计方案论证技术领域，具体地，涉及一种遥感卫星对地姿态机动扫描的轨迹规划方法及系统。

背景技术

随着现代态势感知趋于智能化，要求卫星在一次过境，具备对目标区域进行一次甚至多次完整扫描的能力，这给卫星的平台设计带来了诸多技术上的挑战。特别是，为了确保载荷的综合性能，常要求对地扫描由平台姿态机动实现，而载荷固定安装在平台上，这带来了姿控系统、轨道及扫描方案设计的强耦合性，需要进行深入分析，通过多次迭代以完成设计。扫描由平台姿态机动实现，因此当地面扫描轨迹不合理时，将对姿控能力提出过高的要求，姿控系统难以实现扫描机动。通过平台机动实现对地扫描的可行性与指向矢量紧密相关，卫星平台通过对指向矢量的跟踪完成对地扫描，因此通过计算指向矢量的角度可以分析姿控系统的可行性，进而可评估地面扫描轨迹规划的合理性。在获得指向矢量的角度后，便可作为控制指令，用于驱动姿控系统实现预期的对地扫描。为此，如何解决地面扫描轨迹规划合理性评估，及姿控系统设计输入问题成为目前存在的技术难题。

公开号为CN102682201A的中国发明专利，公开了一种获得卫星实时对地扫描区域的方法，根据空间几何关系对卫星对地扫描区域计算进行了建模，给出了一种实时对地扫描区域计算方法，该方法具有解析解，计算量小，便于实时在线计算。与其不同，本发明主要关注扫描过程的指向矢量角计算，为地面扫描轨迹的实现提供一种技术途径。

公开号为专利CN104198052A的中国发明专利，公开了基于海洋二号卫星扫描微波辐射计的海冰密集度获取方法，提出了一种根据典型特征区域的第一亮温数据获取海冰密集度的获取方法，为基于海洋二号卫星获取的数据获取相应监测区域的海冰密集度提供了一种技术途径。该方法侧重载荷数据的处理，而本发明则重点关注卫星与扫描区域的空间几何关系，是一种卫星设计的技术手段。

论文“陈素芳,钟兴旺,刘晗,等.星间链路天线扫描策略研究[J].电子设计工程,2016,23(20):92-95”针对空间交会过程中追踪航天器精确捕获目标航天器问题，提出了一种卫星对卫星的最优扫描策略，为星间链路建立过程中天线扫描方式的选择提供依据。该方法主要对卫星间的扫描策略进行了设计，而本发明则关注卫星对地扫描，涉及的对象、模型与方法均与之存在较大的差异。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种遥感卫星对地姿态机动扫描的轨迹规划方法及系统，能够执行地面扫描轨迹到指向角的转换，为姿控系统设计提供设计输入，并完成姿态闭环控制。

根据本发明提供的一种遥感卫星对地姿态机动扫描的轨迹规划方法及系统，所述方案如下：

第一方面，提供了一种遥感卫星对地姿态机动扫描的轨迹规划方法，所述方法包括：

步骤S1：在地球固连坐标系下规划2D地面扫描轨迹，并将2D地面扫描轨迹转化至地球惯性坐标系下的3D扫描轨迹；

步骤S2：根据卫星轨道参数，对3D扫描轨迹的扫描弧段进行前推和后推计算，获取卫星轨道数据；

步骤S3：通过卫星轨道数据和3D扫描轨迹，再根据时间点逐一计算指向矢量序列，获取轨道坐标系下的两个指向角。

步骤S4：将两个所述指向角发送给姿轨控系统作为目标姿态完成闭环控制。

优选的，所述步骤S1包括：

根据地球椭球模型，以目标扫描区域内某一点作为原点构建平面坐标系，所述平面坐标系为地球固连坐标系，用于执行2D地面扫描轨迹的规划；

将该坐标系的2D地面扫描轨迹转化至地心固连坐标系下的3D扫描轨迹；

根据规划的时间序列及初始历元，将3D扫描轨迹转化至地心惯性坐标系下。

优选的，所述步骤S2包括：

根据扫描轨迹的时间序列、初始历元、卫星轨道参数及目标扫描区域，确定在仰角约束下的扫描弧段；

以该弧段的中心点为零时刻，采用J2模型对轨道进行前推和后推计算，获取扫描过程地心惯性坐标系下的卫星轨道数据。

优选的，所述步骤S3包括：

根据地心惯性坐标系下的卫星轨道数据及3D扫描轨迹数据，以时间为检索点，逐一计算卫星指向光斑中心的指向矢量；

利用卫星轨道数据构建轨道坐标系，并建立地心惯性坐标系到轨道坐标系下的转换矩阵；

利用指向矢量在地心惯性坐标系下的表达及转换矩阵，获取指向矢量在轨道坐标系下的数据序列，进而计算得到该坐标系下指向矢量的俯仰角及方位角。

优选的，所述步骤S4包括：

设定卫星滚转角保持不变，将两个所述指向角转化为欧拉角或者四元素；

将转化的欧拉角或者四元素发送给姿轨控系统作为目标姿态；

最后，卫星在姿控算法驱动下完成闭环控制。

第二方面，提供了一种遥感卫星对地姿态机动扫描的轨迹规划系统，所述系统包括：

模块M1：在地球固连坐标系下规划2D地面扫描轨迹，并将2D地面扫描轨迹转化至地球惯性坐标系下的3D扫描轨迹；

模块M2：根据卫星轨道参数，对3D扫描轨迹的扫描弧段进行前推和后推计算，获取卫星轨道数据；

模块M3：通过卫星轨道数据和3D扫描轨迹，再根据时间点逐一计算指向矢量序列，获取轨道坐标系下的两个指向角。

模块M4：将两个所述指向角发送给姿轨控系统作为目标姿态完成闭环控制。

优选的，所述模块M1包括：

根据地球椭球模型，以目标扫描区域内某一点作为原点构建平面坐标系，所述平面坐标系为地球固连坐标系，用于执行2D地面扫描轨迹的规划；

将该坐标系的2D地面扫描轨迹转化至地心固连坐标系下的3D扫描轨迹；

根据规划的时间序列及初始历元，将3D扫描轨迹转化至地心惯性坐标系下。

优选的，所述模块M2包括：

根据扫描轨迹的时间序列、初始历元、卫星轨道参数及目标扫描区域，确定在仰角约束下的扫描弧段；

以该弧段的中心点为零时刻，采用J2模型对轨道进行前推和后推计算，获取扫描过程地心惯性坐标系下的卫星轨道数据。

优选的，所述模块M3包括：

根据地心惯性坐标系下的卫星轨道数据及3D扫描轨迹数据，以时间为检索点，逐一计算卫星指向光斑中心的指向矢量；

利用卫星轨道数据构建轨道坐标系，并建立地心惯性坐标系到轨道坐标系下的转换矩阵；

利用指向矢量在地心惯性坐标系下的表达及转换矩阵，获取指向矢量在轨道坐标系下的数据序列，进而计算得到该坐标系下指向矢量的俯仰角及方位角。

优选的，所述模块M4包括：

设定卫星滚转角保持不变，将两个所述指向角转化为欧拉角或者四元素；

将转化的欧拉角或者四元素发送给姿轨控系统作为目标姿态；

最后，卫星在姿控算法驱动下完成闭环控制。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

可以实现地面扫描轨迹到指向矢量的转换，获取指向角及角速度信息，并为姿态闭环控制提供目标姿态，为姿控系统设计提供设计输入，并完成姿态闭环控制。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为一种遥感卫星对地姿态机动扫描的轨迹规划方法的流程示意图；

图2为卫星对地扫描示意图；

图3为计算地心惯性坐标系下3D扫描轨迹的流程示意图；

图4为计算地心惯性坐标系下的卫星轨道数据的流程示意图；

图5为计算轨道坐标系下的指向矢量的俯仰角及方位角的流程示意图；

图6为计算地心惯性坐标系下完成闭环控制的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种遥感卫星对地姿态机动扫描的轨迹规划方法，如图1和图2所示，首先，步骤S1当中，在地球固连坐标系下规划2D地面扫描轨迹，并将2D地面扫描轨迹转化至地球惯性坐标系下的3D扫描轨迹，具体如下：

如图1和图3所示，步骤S1-1：根据地球椭球模型，以目标扫描区域内某一点作为原点构建平面坐标系，其中X轴指向东，Y轴在当地水平面内垂直X轴指向北，平面坐标系为地球固连坐标系，用于执行2D地面扫描轨迹的规划。步骤S1-2：依照步骤S1-1中所建立的坐标系原点的经纬度，计算该坐标系到地心固连坐标系的转换矩阵，利用该转换矩阵将S1-1中的2D地面扫描轨迹转化至地心固连坐标系下的3D扫描轨迹。步骤S1-3：根据规划的时间序列及初始历元，计算地心固连坐标系到地心惯性坐标系的转换矩阵，然后利用该转换矩阵，将3D扫描轨迹转化至地心惯性坐标系下。

通过步骤S1-1～步骤S1-3后，可以获得地心惯性坐标系3D扫描轨迹。

如图1和图4所示，在步骤S2当中，根据卫星轨道参数，对3D扫描轨迹的扫描弧段进行前推和后推计算，获取卫星轨道数据，具体地：

步骤S2-1：根据扫描轨迹的时间序列、初始历元、卫星轨道参数及目标扫描区域，确定在仰角约束下的扫描弧段。步骤S2-2：以步骤S2-1中扫描弧段的中心点为零时刻，采用J2模型对轨道进行前推计算。步骤S2-3：以步骤S2-1中扫描弧段的中心点为零时刻，采用J2模型对轨道进行后推计算。

通过步骤S2-1～步骤S2-3，可以获得扫描过程地心惯性坐标系下的卫星轨道数据。

如图1和图5所示，步骤S3：通过卫星轨道数据和3D扫描轨迹，再根据时间点逐一计算指向矢量序列，获取轨道坐标系下的两个指向角，具体地：

步骤S3-1：根据地心惯性坐标系下的卫星轨道数据及3D扫描轨迹数据，以时间为检索点，逐一计算卫星指向光斑中心的指向矢量。步骤S3-2：利用卫星轨道数据构建轨道坐标系，并建立地心惯性坐标系到轨道坐标系下的转换矩阵。步骤S3-3：利用指向矢量在地心惯性坐标系下的表达及转换矩阵，获取指向矢量在轨道坐标系下的数据序列，进而计算得到该坐标系下指向矢量的俯仰角及方位角。

通过步骤S3-1～步骤S3-3后，可以获得轨道坐标系下的指向矢量的俯仰角及方位角。

如图1和图6所示，最后，在步骤S4当中，将两个指向角发送给姿轨控系统作为目标姿态完成闭环控制，具体地：

设定卫星滚转角保持不变，将两个指向角转化为欧拉角或者四元素，并将转化的欧拉角或者四元素发送给姿轨控系统作为目标姿态，具体过程中采用姿态旋转顺序为3-1-2，即偏航-滚动-俯仰，设定滚动角恒为零，再将卫星本体系下载荷指向投影至轨道坐标系，联立步骤S3轨道坐标系下的指向矢量，建立未知变量偏航角和俯仰角的方程组，对该方程组进行迭代求解，获得偏航角和俯仰角，并将三个姿态角发送姿控系统作为目标姿态，最后，卫星在姿控算法驱动下完成闭环控制。

本发明实施例提供了一种遥感卫星对地姿态机动扫描的轨迹规划方法，可以实现地面扫描轨迹到指向矢量的转换，获取指向角及角速度信息，并为姿态闭环控制提供目标姿态，为姿控系统设计提供设计输入，并完成姿态闭环控制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种遥感卫星对地姿态机动扫描的轨迹规划方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1：在地球固连坐标系下规划2D地面扫描轨迹，并将2D地面扫描轨迹转化至地球惯性坐标系下的3D扫描轨迹；

步骤S2：根据卫星轨道参数，对3D扫描轨迹的扫描弧段进行前推和后推计算，获取卫星轨道数据；

步骤S3：通过卫星轨道数据和3D扫描轨迹，再根据时间点逐一计算指向矢量序列，获取轨道坐标系下的两个指向角；

步骤S4：将两个所述指向角发送给姿轨控系统作为目标姿态完成闭环控制；

所述步骤S2包括：

步骤S2-1：根据扫描轨迹的时间序列、初始历元、卫星轨道参数及目标扫描区域，确定在仰角约束下的扫描弧段；

步骤S2-2：以该弧段的中心点为零时刻，采用J2模型对轨道进行前推和后推计算，获取扫描过程地心惯性坐标系下的卫星轨道数据；

所述步骤S3包括：

步骤S3-1：根据地心惯性坐标系下的卫星轨道数据及3D扫描轨迹数据，以时间为检索点，逐一计算卫星指向光斑中心的指向矢量；

步骤S3-2：利用卫星轨道数据构建轨道坐标系，并建立地心惯性坐标系到轨道坐标系下的转换矩阵；

步骤S3-3：利用指向矢量在地心惯性坐标系下的表达及转换矩阵，获取指向矢量在轨道坐标系下的数据序列，进而计算得到该坐标系下指向矢量的俯仰角及方位角；

所述步骤S4包括：

步骤S4-1：设定卫星滚转角保持不变，将两个所述指向角转化为欧拉角或者四元素；

步骤S4-2：将转化的欧拉角或者四元素发送给姿轨控系统作为目标姿态；

步骤S4-3：卫星在姿控算法驱动下完成闭环控制；

采用姿态旋转顺序为3-1-2，即偏航-滚动-俯仰，设定滚动角恒为零，再将卫星本体系下载荷指向投影至轨道坐标系，联立步骤S3轨道坐标系下的指向矢量，建立未知变量偏航角和俯仰角的方程组，对该方程组进行迭代求解，获得偏航角和俯仰角，并将三个姿态角发送姿控系统作为目标姿态，最后，为姿控系统设计提供设计输入，卫星在姿控算法驱动下完成闭环控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

步骤S1-1：根据地球椭球模型，以目标扫描区域内某一点作为原点构建平面坐标系，所述平面坐标系为地球固连坐标系，用于执行2D地面扫描轨迹的规划；

步骤S1-2：将该坐标系的2D地面扫描轨迹转化至地心固连坐标系下的3D扫描轨迹；

步骤S1-3：根据规划的时间序列及初始历元，将3D扫描轨迹转化至地心惯性坐标系下。

3.一种遥感卫星对地姿态机动扫描的轨迹规划系统，其特征在于，所述系统包括：

模块M1：在地球固连坐标系下规划2D地面扫描轨迹，并将2D地面扫描轨迹转化至地球惯性坐标系下的3D扫描轨迹；

模块M2：根据卫星轨道参数，对3D扫描轨迹的扫描弧段进行前推和后推计算，获取卫星轨道数据；

模块M3：通过卫星轨道数据和3D扫描轨迹，再根据时间点逐一计算指向矢量序列，获取轨道坐标系下的两个指向角；

模块M4：将两个所述指向角发送给姿轨控系统作为目标姿态完成闭环控制；

所述模块M2包括：

根据扫描轨迹的时间序列、初始历元、卫星轨道参数及目标扫描区域，确定在仰角约束下的扫描弧段；

以该弧段的中心点为零时刻，采用J2模型对轨道进行前推和后推计算，获取扫描过程地心惯性坐标系下的卫星轨道数据；

所述模块M3包括：

根据地心惯性坐标系下的卫星轨道数据及3D扫描轨迹数据，以时间为检索点，逐一计算卫星指向光斑中心的指向矢量；

利用卫星轨道数据构建轨道坐标系，并建立地心惯性坐标系到轨道坐标系下的转换矩阵；

利用指向矢量在地心惯性坐标系下的表达及转换矩阵，获取指向矢量在轨道坐标系下的数据序列，进而计算得到该坐标系下指向矢量的俯仰角及方位角；

所述模块M4包括：

设定卫星滚转角保持不变，将两个所述指向角转化为欧拉角或者四元素；

将转化的欧拉角或者四元素发送给姿轨控系统作为目标姿态；

卫星在姿控算法驱动下完成闭环控制；

采用姿态旋转顺序为3-1-2，即偏航-滚动-俯仰，设定滚动角恒为零，再将卫星本体系下载荷指向投影至轨道坐标系，联立步骤S3轨道坐标系下的指向矢量，建立未知变量偏航角和俯仰角的方程组，对该方程组进行迭代求解，获得偏航角和俯仰角，并将三个姿态角发送姿控系统作为目标姿态，最后，为姿控系统设计提供设计输入，卫星在姿控算法驱动下完成闭环控制。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述模块M1包括：

根据地球椭球模型，以目标扫描区域内某一点作为原点构建平面坐标系，所述平面坐标系为地球固连坐标系，用于执行2D地面扫描轨迹的规划；

将该坐标系的2D地面扫描轨迹转化至地心固连坐标系下的3D扫描轨迹；

根据规划的时间序列及初始历元，将3D扫描轨迹转化至地心惯性坐标系下。

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