专利名称：一种测量地球反照辐射照度的方法
技术领域：
本发明涉及一种测量地球反照辐射照度的方法，属于星敏感器设计技术领域。
背景技术：
星敏感器具有精度高、集成度高等特点，并能提供三轴姿态信息，这使其逐渐成为卫星或导弹等空间飞行器中重要的姿态测量设备。星敏感器通过敏感恒星辐射来测定卫星相对于天球坐标系的三轴姿态。恒星辐射一般较弱，空间环境中的杂散光会对星敏感器敏感的微弱星光形成干扰，降低系统的成像质量，严重时会淹没恒星光强，使星敏感器无法正常工作。因此确定星敏感器在轨的杂光影响，保证其正常工作成为了星敏感器设计中必须考虑的问题。星敏感器在轨的杂散光源主要有太阳光、月球反照光、地球反照光和卫星表面反射光等。太阳光张角较小，可以通过将星敏安装在阴影区进行躲避；月光反照光相对太阳光亮度低得多，张角更小，因此对星敏感器影响较小；星体表面散射光可以通过对星体表面进行发黑等方法减小星体表面散射；地球反照光具有范围广、影响大等特点，虽可以通过将星敏感器光轴上仰等方法进行部分规避，但要完全避免地球反照对星敏感器在轨时的影响仍十分困难。现有的杂光分析软件如TraceI^ro、Lighttools、ASAP等仿真分析多基于 Monte-Carlo技术。Monte-Carlo技术是一种基于随机数计算的随机方法。杂光分析中的 Monte-Carlo技术需追迹大量的地球反照光线后才能得到地球反照产生的杂光影响。对在空间飞行的星敏感器而言，地球反照区域面积极大，要得到准确的地球反照影响，需追迹大量的地球反照光线，这对现有的杂光分析软件和计算机硬件都提出了极大的要求；当追迹光线数较少时，其计算结果的正确性和精度很难得到保证。并且采用现有软件模拟，很难将星敏感器在轨时的太阳和卫星的相对位置、地球表面相应地理位置的地表反照率相结合。 这给分析地球反照对星敏感器的杂光影响带来了极大的困难。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有基于Monte-Carlo技术的分析方法的不足， 提供一种测量地球反照辐照照度的方法，具有计算速度快，测量准确度高的优点。本发明的技术解决方案是一种测量地球反照辐射照度的方法，步骤如下(1)以地球地心为坐标原点，建立地球坐标系，太阳在地球坐标系中的经纬度位置 asun, β sun，根据卫星轨道参数确定卫星在地球坐标系中的经纬度位置asat，^sat以及在地球坐标系中的星敏感器光轴指向Vst ；其中α ■为太阳在地球坐标系中的经度位置，β sun为太阳在地球坐标系中的纬度位置，α sat为卫星在地球坐标系中的经度位置，i3sat为卫星在地球坐标系中的纬度位置；(2)对地球表面进行经纬度划分形成M个地表面元ds，M > 10000 ；(3)任选一个地表面元ds，保存该地表面元ds所处的经纬度α ds，β ds，计算所述地表面元ds的当地法线N与太阳入射矢量S的夹角cps_n ；连接任意一个地表面元ds和星敏感器遮光罩入口中心形成地表-星敏连接线，计算每个地表面元ds的当地法线N与地表-星敏连接线的夹角代-,，地表-星敏连接线的长度为li，，i = 1,2...M-LMai由卫星在地球坐标系中的经纬度位置α sat，β sat和每个地表面元ds位置确定；计算任意一个地表-星敏连接线与所述星敏感器光轴指向Vst的夹角Vl-St ； (4)判断每个地表面元ds是否会被太阳照射，当地表面元ds的当地法线N与太阳入射矢量S的夹角约_ 小于等于90°时则该地表面元ds会被太阳照射，否则该地表面元 ds未被太阳照射，其中太阳入射矢量S由太阳在地球坐标系中的经纬度位置α·，β·所确定； (5)判断每个地表面元ds是否会被星敏感器遮光罩所视见，当地表面元ds的当地法线N与地表-星敏连接线的夹角^V,小于等于90°时则该地表面元ds会被星敏感器遮光罩所视见，否则该地表面元ds未被星敏感器遮光罩所视见；(6)判断每个地表面元ds是否会对星敏感器带来杂光干扰，若地表面元ds既被太阳照射，又被星敏感器遮光罩所视见，则该地表面元ds的地球反照光会对星敏感器带来杂光干扰，否则该地表面元ds的地球反照光不会对星敏感器带来杂光干扰；(7)根据每个地表面元ds的地表反射率P计算该地表面元ds的辐射亮度Li，假设地表反照为朗伯辐射体，则每个地表面元ds的辐射亮度为L,=瓦 tt0S^_ )[TCW;r，其中Esun为太阳在地球大气层外的辐照度，C为在星敏感器工作谱段内的太阳辐射能量与太阳全谱段内辐射能量的比值；(8)根据每个地表面元ds的辐射亮度Li得到每个地表面元ds在遮光罩入口处的辐射亮度ClEi CiEi 二 Z,.)0:08(^)0 //,2，其中dA为地表面元ds的面积；(9)根据每个地表面元ds在遮光罩入口处的辐射亮度ClEi得到每个地表面元ds 在星敏感器像面上的辐射照度dE。 dEo = dEfPSTi^—JIw^pl-J，其中PST为星敏感器的点源透射比；(10)对所有地表面元ds在星敏感器像面上的辐射照度进行求和，即可测量得到星敏感器像面处的地球反照辐射照度E。。本发明与现有技术相比的有益效果是(1)该方法相对于现有的基于Monte-Carlo技术的杂光分析方法，计算速度快，准确度高；Monte-Carlo技术需要追迹足够多的光线才可以达到一定的准确度，对空间飞行器而言，地球反照区一般具有面积大、影响广泛等特点，对其进行杂光分析，基于 Monte-Carlo技术的杂光分析方法需仿真大量的光线，使其计算量呈几何倍数递增，运算比较费时，本发明通过对地表适当划分经纬度网格即可达到较高的测量准确度，计算速度较快。(2)现有分析中大多假设地表反照率均勻，这与实际情况有时差异较大。本发明可以根据卫星轨道分析软件和地表反射率数据库接口，对复杂的地表环境进行分析，分析结果更接近于真实情况；本发明不仅适用于计算地球反照对星敏感器的杂光影响，也适用于计算地球反照对其他各类空间相机的分析计算。
图1为本发明的测量原理图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行进一步的详细描述。本发明的实现原理是以地球地心为坐标原点，建立地球坐标系，根据卫星轨道参数和星敏感器在星上的安装位置，确定卫星和太阳在特定时刻的在地球坐标系中的经纬度位置；对地球表面进行经纬度划分，选取地表小面元，判断该小面元是否能同时即被太阳照射又能被星敏感器遮光罩所视见，若能则通过太阳、面元和星敏感器的辐射传输关系计算该小面元散射的太阳光对星敏感器的杂光影响。遍历地表各面元，并将各面元对星敏感器的杂光影响进行叠加，即可得到地表面元对星敏感器的综合影响。如图1所示，本发明的具体实现过程为(1)以地球地心为坐标原点，建立地球坐标系，太阳在地球坐标系中的经纬度位置 asun, β sun，根据卫星轨道参数确定卫星在地球坐标系中的经纬度位置asat，^sat以及在地球坐标系中的星敏感器光轴指向Vst ；其中α ■为太阳在地球坐标系中的经度位置，β sun为太阳在地球坐标系中的纬度位置，α sat为卫星在地球坐标系中的经度位置，i3sat为卫星在地球坐标系中的纬度位置；(2)对地球表面进行经纬度划分形成M个地表面元ds，M > 10000 ；(3)任选一个地表面元ds，保存该地表面元ds所处的经纬度Cids，i3ds，计算所述地表面元ds的当地法线N与太阳入射矢量S的夹角约_ ；连接任意一个地表面元ds和星敏感器遮光罩入口中心形成地表-星敏连接线，计算每个地表面元ds的当地法线N与地表-星敏连接线的夹角％-,，地表-星敏连接线的长度为li;，i = 1,2...M-LMjIi由卫星在地球坐标系中的经纬度位置α sat，β sat和每个地表面元ds位置确定；计算任意一个地表-星敏连接线与所述星敏感器光轴指向Vst的夹角(P1-,；(4)判断每个地表面元ds是否会被太阳照射，当地表面元ds的当地法线N与太阳入射矢量S的夹角朽_ 小于等于90°时则该地表面元ds会被太阳照射，否则该地表面元 ds未被太阳照射，其中太阳入射矢量S由太阳在地球坐标系中的经纬度位置α·，所确定；(5)判断每个地表面元ds是否会被星敏感器遮光罩所视见，当地表面元ds的当地法线N与地表-星敏连接线的夹角小于等于90°时则该地表面元ds会被星敏感器遮光罩所视见，否则该地表面元ds未被星敏感器遮光罩所视见；(6)判断每个地表面元ds是否会对星敏感器带来杂光干扰，若地表面元ds既被太阳照射，又被星敏感器遮光罩所视见，则该地表面元ds的地球反照光会对星敏感器带来杂光干扰，否则该地表面元ds的地球反照光不会对星敏感器带来杂光干扰；(7)根据每个地表面元ds的地表反射率P计算该地表面元ds的辐射亮度Li，假设地表反照为朗伯辐射体，则每个地表面元ds的辐射亮度为A+ =瓦《 cos(代_ )·(·/ /T，其中Esun为太阳在地球大气层外的辐照度，C为在星敏感器工作谱段内的太阳辐射能量与太阳全谱段内辐射能量的比值；(8)根据每个地表面元ds的辐射亮度Li得到每个地表面元ds在遮光罩入口处的辐射亮度ClEi CiEi =，其中dA为地表面元ds的面积；(9)根据每个地表面元ds在遮光罩入口处的辐射亮度ClEi得到每个地表面元ds在星敏感器像面上的辐射照度dE。 dEo = dEgSTDkoD，其中PST为星敏感器的点源透射比；(10)对所有地表面元ds在星敏感器像面上的辐射照度进行求和，即可测量得到星敏感器像面处的地球反照辐射照度E。。其中星敏感器的点源透射比(PST( θ ))为星敏感器像面照度与垂直于入射光传播方向上的照度之比，该入射光与光轴夹角为θ ；星敏感器的PST曲线可以通过对星敏感器进行杂光追迹得到。本发明可以定量计算星敏感器在不同轨道高度和安装方位时的地球反照对星敏感器的杂光影响，为星敏感器的在轨使用提供依据，在实际工程应用中具有较好的应用价值。本发明未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
权利要求
1. 一种测量地球反照辐射照度的方法，其特征在于步骤如下(1)以地球地心为坐标原点，建立地球坐标系，太阳在地球坐标系中的经纬度位置 asun, β sun，根据卫星轨道参数确定卫星在地球坐标系中的经纬度位置asat，^sat以及在地球坐标系中的星敏感器光轴指向Vst ；其中α ■为太阳在地球坐标系中的经度位置，β sun为太阳在地球坐标系中的纬度位置，α sat为卫星在地球坐标系中的经度位置，i3sat为卫星在地球坐标系中的纬度位置；(2)对地球表面进行经纬度划分形成M个地表面元ds，M> 10000 ；(3)任选一个地表面元ds，保存该地表面元ds所处的经纬度Cids，βds，计算所述地表面元ds的当地法线N与太阳入射矢量S的夹角；连接任意一个地表面元ds和星敏感器遮光罩入口中心形成地表-星敏连接线，计算每个地表面元ds的当地法线N与地表-星敏连接线的夹角队-,，地表-星敏连接线的长度为Ii,，i = 1，2. . . M-I, M，Ii由卫星在地球坐标系中的经纬度位置α sat，β sat和每个地表面元ds位置确定；计算任意一个地表-星敏连接线与所述星敏感器光轴指向Vst的夹角約；(4)判断每个地表面元ds是否会被太阳照射，当地表面元ds的当地法线N与太阳入射矢量S的夹角約_ 小于等于90°时则该地表面元ds会被太阳照射，否则该地表面元ds未被太阳照射，其中太阳入射矢量S由太阳在地球坐标系中的经纬度位置α·，所确定；(5)判断每个地表面元ds是否会被星敏感器遮光罩所视见，当地表面元ds的当地法线 N与地表-星敏连接线的夹角代-,小于等于90°时则该地表面元ds会被星敏感器遮光罩所视见，否则该地表面元ds未被星敏感器遮光罩所视见；(6)判断每个地表面元ds是否会对星敏感器带来杂光干扰，若地表面元ds既被太阳照射，又被星敏感器遮光罩所视见，则该地表面元ds的地球反照光会对星敏感器带来杂光干扰，否则该地表面元ds的地球反照光不会对星敏感器带来杂光干扰；(7)根据每个地表面元ds的地表反射率P计算该地表面元ds的辐射亮度Li,假设地表反照为朗伯辐射体，则每个地表面元ds的辐射亮度为A·，其中Esun 为太阳在地球大气层外的辐照度，C为在星敏感器工作谱段内的太阳辐射能量与太阳全谱段内辐射能量的比值；(8)根据每个地表面元ds的辐射亮度Li得到每个地表面元ds在遮光罩入口处的辐射亮度ClEi 逝,.=Attos(艮Jttosb—P^//,2，其中dA为地表面元ds的面积；(9)根据每个地表面元ds在遮光罩入口处的辐射亮度ClEi得到每个地表面元ds在星敏感器像面上的辐射照度dE。. Εο= Εβ>8Τ{φι_5,)Ι^{φι_3,)，其中PST为星敏感器的点源透射比；(10)对所有地表面元ds在星敏感器像面上的辐射照度进行求和，即可测量得到星敏感器像面处的地球反照辐射照度E。。
全文摘要
本发明公开了一种测量地球反照辐射照度的方法，该方法以地球地心为坐标原点，建立地球坐标系，根据卫星轨道参数和星敏感器在星上的安装位置，确定卫星和太阳在特定时刻的在地球坐标系中的经纬度位置；对地球表面进行经纬度划分，选取地表小面元，判断该小面元是否能同时即被太阳照射又能被星敏感器遮光罩所视见，若能则通过太阳、面元和星敏感器的辐射传输关系计算该小面元散射的太阳光对星敏感器的杂光影响。遍历地表各面元，并将各面元对星敏感器的杂光影响进行叠加，即可得到地表面元对星敏感器的综合影响，具有计算速度快，测量准确度高的优点。
文档编号G01J1/00GK102564574SQ201110460940
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者余成武, 刘婧, 卢欣, 唐勇, 张春明, 李春江, 李晓, 梁士通, 王晓燕, 程会艳, 赵春晖, 郝云彩, 钟俊, 钟红军, 黄欣 申请人:北京控制工程研究所