一种可变步长掩星预报方法
【专利摘要】一种可变步长掩星预报方法，先定义“卫星-目标源”坐标系并建立其相对于WGS-84坐标系的转换矩阵；然后建立卫星在“卫星-目标源”坐标系中掩星事件的判据，若满足判据，进一步判断卫星与目标源连线的矢量是否在卫星掩星天线可观测范围内，若在，则认为发生一次掩星事件，进而对掩星事件进行有效预报，本发明采用坐标变换的思想，将掩星发生过程变换为“卫星-目标源”平面内定点转动射线切割圆周的几何问题，从本质上揭示了掩星事件发生的物理机理，是一种可变步长的掩星预报算法，该方法可有效地提高计算效率，且与卫星掩星天线安装相结合，适合实际工程应用，尤其适用于长期地对太阳或GPS掩星事件进行预报。
【专利说明】一种可变步长掩星预报方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种掩星预报方法，特别是一种可变步长掩星预报方法，该方法基于 坐标变换的思想获得掩星事件的判据，且结合卫星掩星天线的相关信息，适用于长期地对 太阳掩星或GPS掩星事件进行预报。
【背景技术】
[0002] 目前，气候变化问题已成为全世界共同发展的焦点问题。大气污染是世界各国面 临的最大挑战之一，各国政府非常重视，尤其是温室气体的排放。因此，开展大气探测技术 有助于进一步了解人类在温室气体排放和导致全球气候变化方面所扮演的角色。全球变暖 危及人类的可持续发展，需要大力减少温室气体排放，减排涉及能源安全、经济发展和生活 水平，具有现实代价。
[0003] 对大气成分的观测模式主要包括：天底模式、闪耀模式、目标模式、临边模式和掩 星观测模式。根据卫星观测目标源的不同，掩星探测可分为太阳掩星（目标源为太阳）和 无线电掩星（目标源为GPS或LE0卫星）。
[0004] 基于掩星观测模式的太阳掩星，可以有效地利用卫星获取的对地观测数据，获取 全球温室气体分布与变化信息，实时监测大气温室气体变化，估算全球碳源汇区域格局，为 减缓和适应全球变化提供数据和理论依据。GPS掩星大气探测技术是数值天气预报、大气 空间环境探测的重要手段，可用于获取常规技术和手段不能达到的敏感地区的气象情报资 料，为现代主战武器系统、侦察系统和通信系统提供高时间分辨率、高时效性、高精度的气 象水文保障。
[0005] 发展掩星大气探测技术并开展其仿真研究，模拟计算电波在大气中的传播路径， 有利于我们了解掩星观测的物理过程、分析大气中的物理过程对掩星的影响、掌握掩星观 测量的特征和变化规律等，而对掩星事件的有效预报直接影响着大气成份探测的结果。
[0006] 现有针对掩星事件进行预报的方法通常以距离或夹角等为判据，通过采取定步长 轨道递推的方式对掩星事件（发生时间和持续长度等）进行预报，这种方法类似于权举计 算，所涉及的计算量较大，计算效率较低，尤其不适合针对掩星事件进行长期的预报。
【发明内容】
[0007] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可变步长掩星预报 方法，采用坐标变换的方法，将掩星的发生过程变换为"卫星-地球-目标源"平面内定点 转动射线切割圆周的几何问题，进而从本质上揭示了掩星事件发生的物理机理，基于该思 路得到了可变步长的掩星事件预报算法，可有效地提高计算效率，且该掩星预报方法与卫 星掩星天线相关信息结合，适合实际工程应用。
[0008] 本发明的技术解决方案是：一种可变步长掩星预报方法，步骤如下：
[0009] (1)建立"卫星-目标源"坐标系，即Sst坐标系，所述Sst坐标系具体为：
[0010] 以地球中心为坐标原点，X轴为从地心指向卫星的矢量RSat，卫星至目标源连 线的矢量
【权利要求】
1. 一种可变步长掩星预报方法，其特征在于步骤如下： (1) 建立"卫星-目标源"坐标系，即Sst坐标系，所述Sst坐标系具体为： 以地球中心为坐标原点，X轴为从地心指向卫星的矢量RSat，卫星至目标源连线 的矢量·
在XY平面内，Z轴由RSat与
的叉乘确定，即Z轴的单位矢量为
，Y轴方向由X轴方向和Z轴方向的单位矢量叉乘确定，即Y轴的单位矢 量为
； (2) 计算步骤（1)中建立的Sst坐标系与WGS-84坐标系之间的转换矩阵；并求得卫星 至目标源连线在"卫星-目标源"坐标系中的单位向量；所述转换矩阵由公式：
给出，其中R为转换矩阵，其中i由公式：
给出，式中，λ和％分别为卫星在WGS-84坐标系中的地理经度和地理纬度； f由公式：
给出，其中，
由公式：
给出，其中，λ τ和朽分别为WGS-84坐标系中的目标源的经度和纬度； 7由公式： y = ΖΧ.Υ 给出； 卫星至目标源连线在"卫星-目标源"坐标系中的单位向量由公式：
给出； (3) 计算步骤（2)中得到的卫星至目标源连线在"卫星-目标源"坐标系中的单位向量 与Sst坐标系X轴之间的夹角，并利用卫星在S st坐标系中掩星事件判据，判断是否发生掩星 事件；若满足掩星事件判据，则计算满足掩星事件判据的卫星至目标源连线在"卫星-目标 源"坐标系中的单位向量，进入步骤（4);并利用中心切点判据求得发生掩星事件的中心切 占. (4) 利用步骤（2)得到的Sst坐标系与WGS-84坐标系之间的转换矩阵将步骤（3)中满足 掩星事件判据的卫星至目标源连线在"卫星-目标源"坐标系中的单位向量转换到WGS-84 坐标系中，然后利用WGS-84坐标系与卫星本体系之间的转换矩阵将卫星至目标源连线的 单位向量转换到卫星本体系中，并判断是否满足掩星事件有效判据，若满足，则发生了一次 掩星事件，否则没有发生掩星事件。
2. 根据权利要求1中的一种可变步长掩星预报方法，其特征在于：所述步骤（3)中的 卫星在Sst坐标系中掩星事件判据具体为：
式中，α为卫星至目标源连线在"卫星-目标源"坐标系中的单位向量与Sst坐标系X 轴之间的夹角，a为卫星的轨道半长轴，hmin、hmax和h_n分别为发生掩星事件过程中对应的 大气层的最小高度、最大高度和中心切点的大气高度，h min、hmax和h_n均为预先给定的固定 值；Re为地球半径。
3. 根据权利要求1中的一种可变步长掩星预报方法，其特征在于：所述步骤（3)中的 中心切点判据为：
由上述判据计算得到求得中心切点时对应的卫星至目标源连线在"卫星-目标源"坐 标系中的单位向量与Sst坐标系X轴之间的夹角，所述中心切点为Sst坐标系XY平面 内卫星至目标源连线在"卫星-目标源"坐标系中的单位向量与S st坐标系X轴之间的夹角 为α'时，通过地心且与卫星至目标源连线垂直的直线与卫星至目标源连线的交点。
4. 根据权利要求1中的一种可变步长掩星预报方法，其特征在于：所述步骤（4)中的 Sst坐标系与WGS-84坐标系之间的转换矩阵，具有由公式：
给出，其中&为卫星在1-2-3转序下三轴姿态机动角度分别为口、Θ和φ情况下的姿 态矩阵，
；Rx、Ry和R z分别为卫星本体系中绕X轴、Y轴和Z轴的 基元变换矩阵；i、Ω和u分别为卫星运行轨道的轨道倾角、升交点赤经和纬度幅角；a e为 格林威治赤经。
5. 根据权利要求1中的一种可变步长掩星预报方法，其特征在于：所述步骤（4)中的 掩星事件有效判据具体为： 判断矢量
的夹角是否小于掩星天线半张角β，若满足掩星事件 有效判据，则发生一次有效掩星事件，进而对该次掩星事件进行有效预报；否则没有发生有 效掩星事件，不进行掩星事件有效预报，所述矢量
为卫星至目标源连线的在卫 星本体系中的单位矢量，
为卫星掩星天线在卫星本体系中的安装方位。
【文档编号】G01W1/10GK104216031SQ201410469450
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】吕秋杰, 徐 明, 谭田, 蒙薇, 张燕, 李志武, 陈罗婧 申请人:航天东方红卫星有限公司