用于静止轨道卫星遥感仪器观测的太阳回避方法与流程

1.本发明涉及一种用于静止轨道卫星遥感仪器观测的太阳回避方法，属于卫星遥感技术领域。


背景技术：

2.风云四号(fy-4)气象卫星是中国的新一代静止轨道气象卫星，采用三轴稳定平台，提高对地观测精度、观测频次及观测区域的灵活性，实现技术上的重大跨越。首颗试验星fy-4a于2016年12月成功发射，首颗业务星fy-4b于2021年6月成功发射，后续还将发射一颗业务卫星fy-4c，逐步实现对中国第一代静止轨道气象卫星风云二号(fy-2)的升级换代。
3.风云四号气象卫星采用的先进的三轴稳定姿态控制方式，使得卫星上的各个遥感仪器可以独立地安排观测任务，执行包括对地、对月、对星等各类复杂的观测任务。在设计观测任务的过程中，对太阳回避的处理，对于确保仪器工作安全和保证观测质量具有至关重要的意义。
4.在申请号为202110550022.5的中国专利申请中，公开了一种摄像头回避强光的方法。该方法通过光敏传感器检测摄像头所处位置的光线强度；当光敏传感器检测到的光线强度超出预设值时，启动gps模块、海拔传感器、电子罗盘模块；分别获取摄像头所处的经纬度、海拔、倾斜角度、时间，计算此时太阳的天顶角及方位角；通过太阳的天顶角及方位角，调节摄像头的倾斜角度，避开阳光直射。
5.然而，这种回避强光的方法仅适用于地表摄像装置，无法实现卫星上的遥感仪器对太阳进行复杂回避，尤其是对于既有对地观测需求又有对空间观测需求的遥感仪器。因此，亟需一种能够适用于卫星上的遥感仪器对太阳进行回避的方法。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于静止轨道卫星遥感仪器观测的太阳回避方法，以实现卫星上的遥感仪器对太阳进行有效回避。
7.为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
8.一种用于卫星上遥感仪器观测的太阳回避方法，包括如下步骤：
9.获取太阳在卫星上遥感仪器的观测任务起止时间内的空间位置；
10.将所述太阳的空间位置转换至设定坐标系中，计算太阳相对于遥感仪器观测平面的位置；
11.基于所述太阳相对于卫星遥感仪器观测平面的位置，判断太阳是否在所述遥感仪器的观测范围内；
12.若否，则直接输出任务观测指令；若是，则计算太阳回避区域，并判断所述太阳回避区域是否被地球遮蔽；
13.若是，则直接输出任务观测指令；若否，则根据所述观测任务的类型确定太阳回避策略，并基于所述太阳回避策略，输出调整后的任务观测指令。
14.其中较优地，所述观测任务的类型至少包括：快速指向类型和区域观测类型；其中，所述快速指向类型的观测任务用于卫星遥感仪器从起始点经过设定路径到达目标点，以进行指向性观测；所述区域观测类型的观测任务用于卫星遥感仪器从起始点到达设定区域，以进行区域性观测；
15.所述太阳回避策略至少包括：快速指向回避策略和区域观测回避策略；其中，所述快速指向回避策略用于调整所述设定路径，以避让所述太阳回避区域；所述区域观测回避策略用于调整所述设定区域的大小，以使得调整后的实际观测区域与所述太阳回避区域错开。
16.其中较优地，所述快速指向回避策略，具体包括：
17.根据快速指向的目标点，针对设定的颗粒度，将所述设定路径离散化，获得特定时刻的遥感仪器的光轴指向信息；
18.根据所述观测任务的任务时间表和设定的颗粒度，获取所述观测任务起止时间内，太阳在所述遥感仪器的观测范围中的精确位置信息；
19.判断所述特定时刻的遥感仪器的光轴指向信息与对应时刻的太阳回避区域是否存在交集；
20.若不存在交集，则无需变更快速指向的光轴位置；若存在交集，则变更快速指向的光轴位置，使得在重新生成的指向路径上，遥感仪器的光轴与所述太阳回避区域不相交。
21.其中较优地，所述变更快速指向的光轴位置，具体包括：
22.根据所述特定时刻的遥感仪器的光轴指向信息设定一个或两个过渡点；
23.若所述过渡点为一个，则调整所述特定时刻的遥感仪器的光轴起点指向所述过渡点，并从所述过渡点指向所述特定时刻的遥感仪器的光轴终点；
24.若所述过渡点为两个，则调整所述特定时刻的遥感仪器的光轴起点指向第一个过渡点，并从所述第一个过渡点指向第二个过渡点，再经由所述第二个过渡点指向所述特定时刻的遥感仪器的光轴终点；其中，所述第一个过渡点靠近所述特定时刻的遥感仪器的光轴起点，所述第二个过渡点靠近所述特定时刻的遥感仪器的光轴终点。
25.其中较优地，所述区域观测回避策略，具体包括：
26.判断所述设定区域与所述太阳回避区域是否存在交集；
27.若不存在交集，则无需进行太阳回避；若存在交集，则对所述设定区域进行切割，以使得切割后的实际观测区域与所述太阳回避区域相邻且不相交。
28.其中较优地，所述对所述设定区域进行切割，具体包括：
29.沿所述设定区域的长度方向进行切割，得到第一切割区域；沿所述设定区域的宽度方向进行切割，得到第二切割区域
30.比较所述第一切割区域与所述第二切割区域的大小，选取二者中数值较大的一个作为切割后的实际观测区域；
31.其中，若切割后的实际观测区域中包括多个不连续的子观测区域，则选取多个不连续的子观测区域中面积最大的一个子观测区域，作为实际子观测区域，并舍弃其余子观测区域。
32.其中较优地，所述计算太阳相对于卫星遥感仪器的观测平面的位置，具体包括：
33.基于de421星历计算太阳位置，获取指定时刻太阳在j2000.0坐标系下的位置；
34.根据卫星轨道预报信息，计算太阳相对于所述卫星的坐标；
35.根据所述卫星上的遥感仪器的安装矩阵和光路信息，获取太阳在卫星遥感仪器的观测平面的位置。
36.其中较优地，所述太阳回避区域的大小与所述遥感仪器的探测效率呈反比。
37.其中较优地，所述计算太阳回避区域，具体包括：
38.获取太阳回避半径，以所述太阳质心为圆心，以所述太阳回避半径为半径做圆，所述圆形形状所在的区域即为所述太阳回避区域；
39.其中，所述太阳回避半径包括基础半径和外扩半径；所述基础半径根据所述遥感仪器的成像特点、积分时间、灵敏度以及观测任务的类型确定；所述外扩半径基于轨道误差、太阳矢量计算误差以及热变形量确定。
40.其中较优地，所述基于所述太阳回避策略，生成对应的任务观测指令之后，还包括：
41.继续判断所述对应的任务观测指令能否实现太阳回避；
42.若是，则输出所述对应的任务观测指令，若否，则取消本次观测任务。
43.与现有技术相比较，本发明所提供的用于卫星上遥感仪器观测的太阳回避方法，能够获得太阳在卫星遥感仪器的观测平面的位置，以作为太阳回避策略的输入信息；而且，通过对太阳回避半径进行基础半径加外扩半径的设计，从而提高了最终确定的太阳回避半径的实际使用价值。此外，该方法针对不同类型的观测任务，设计不同的太阳回避策略，提高了对太阳回避的适应性。
附图说明
44.图1为本发明实施例提供的一种用于卫星遥感仪器观测的太阳回避方法的整体流程图；
45.图2为本发明实施例提供的一种用于卫星遥感仪器观测的太阳回避方法的具体流程图；
46.图3为天赤道区观测示意图；
47.图4为观测恒星过程中的光轴指向路径上遇到太阳的示意图；
48.图5为一种快速指向回避策略的示意图；
49.图6为另一种快速指向回避策略的示意图；
50.图7为太阳回避区域与区域观测任务的设定区域冲突示意图；
51.图8为图7中沿设定区域的长度方向进行切割的示意图；
52.图9为图7中沿设定区域的宽度方向进行切割的示意图；
53.图10为另一种太阳回避区域与区域观测任务的设定区域冲突示意图；
54.图11为图10中沿设定区域的长度方向进行切割的示意图；
55.图12为图10中沿设定区域的宽度方向进行切割的示意图。
具体实施方式
56.下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体地说明。
57.如图1和图2所示，为本发明实施例提供的一种用于卫星上遥感仪器观测的太阳回
避方法，具体包括步骤s1～s4：
58.s1：获取太阳在卫星遥感仪器的观测任务起止时间内的空间位置。
59.受卫星上遥感仪器观测视场的限制，对于静止轨道的对地观测卫星，遥感仪器只能观测部分空间区域。把静止轨道卫星的遥感仪器能够观测的天赤道南北两侧的区域称为天赤道区，在天赤道区内及周围分布着众多天体，如图3所示。太阳在不同的季节和时间会进入天赤道区，影响仪器的正常观测。
60.本实施例中，基于de421星历计算太阳位置，获取指定时刻太阳在j2000.0坐标系下的位置。
61.s2：将太阳的空间位置转换至设定坐标系中，计算太阳相对于卫星遥感仪器的观测平面的位置。
62.当获取指定时刻太阳在j2000.0坐标系下的位置后，根据卫星轨道预报信息，计算太阳相对卫星的坐标，并结合卫星上的遥感仪器的安装矩阵和光路信息，获取太阳在卫星遥感仪器的观测平面的位置，作为太阳回避策略的输入信息。
63.s3：基于太阳相对于卫星遥感仪器的观测平面的位置，判断太阳是否在卫星遥感仪器的观测范围内。
64.具体地，若判断结果为太阳不在遥感仪器的观测范围内，则直接输出任务观测指令；若判断结果为太阳在遥感仪器的观测范围内，则进入步骤s4。
65.s4：计算太阳回避区域，并判断太阳回避区域是否被地球遮蔽。
66.当太阳在遥感仪器的观测范围内时，需要计算出太阳回避区域。具体地，计算该太阳回避区域具体包括：获取太阳回避半径，以太阳质心为圆心，以太阳回避半径为半径做圆，圆形形状所在的区域即为太阳回避区域。其中，所设置的太阳回避半径，一方面需要确保遥感仪器的安全，另一方面需要降低对探测效率的影响。可以理解的是，太阳回避区域的大小与遥感仪器的探测效率呈反比，即太阳回避区域越大，则遥感仪器的探测效率越低，因此，需要根据需要合理设计该太阳回避半径。
67.本实施例中，根据遥感仪器的成像特点、积分时间、灵敏度等参数，对区域观测、指向观测等不同类型的观测任务，设计不同的基础半径。
68.此外，在该基础半径之外，还需要考虑以下因素，对基础半径进行外扩：
69.1)轨道误差：需要使用轨道预报而非标称轨道计算太阳矢量，则该项误差为轨道误差；
70.2)太阳矢量计算误差；
71.3)热形变量：由于轨道空间热源变化十分巨大，热传导的主要形式为辐射与传导，缺少在地面上起重要作用的对流，造成空间轨道的热环境异常恶劣；对于采用三轴稳定姿态控制方案的静止轨道卫星，这个问题更加突出。空间轨道热环境会导致三轴稳定静止轨道卫星的仪器光轴发生周期性变化。根据每个遥感仪器在轨观测恒星获得的偏移量，计算卫星平台和遥感仪器的热形变规律，取偏离标称光轴的最大热形变量作为该项需要的余量。
72.综合以上因素，外扩半径取三者的算术和。
73.当计算出太阳回避区域后，需要判断太阳回避区域是否被地球遮蔽，如果判断结果为是，则说明无需进行太阳回避，可直接输出任务观测指令。如果判断结果为否，则说明
需要进行太阳回避，此时，需要根据观测任务的类型确定太阳回避策略(下文具体说明)。而且，需要基于该太阳回避策略，输出调整后的任务观测指令，以实现太阳回避。
74.本实施例中，观测任务的类型至少包括：快速指向类型和区域观测类型。其中，快速指向类型的观测任务用于卫星遥感仪器从起始点经过设定路径到达目标点，以进行指向性观测。区域观测类型的观测任务用于卫星遥感仪器从起始点到达设定区域，以进行区域性观测。
75.相应地，太阳回避策略至少包括：快速指向回避策略和区域观测回避策略。其中，快速指向回避策略用于调整设定路径，以避让太阳回避区域。区域观测回避策略用于调整设定区域的大小，以使得调整后的实际观测区域与太阳回避区域错开。
76.设计太阳回避策略时需考虑以下原则：
77.(1)设计太阳回避策略时，必须满足仪器指令执行约束
78.仪器在观测的过程中，通常需完成包括直流恢复、电子学定标、冷空间采样等环节后，才能开始对地扫描成像，因此太阳回避指令执行过程应考虑为仪器相关约束指令执行留有足够空间。
79.(2)太阳回避策略要获得尽可能高的成像效率
80.针对静止轨道卫星上的遥感仪器，所设定的太阳回避区域越小，仪器观测效率越高。根据仿真分析，静止轨道卫星上的仪器全年受到太阳直接入射的天数约为90天，每天1～2小时，若采用大面积的回避，仪器在夜间的探测效率将明显降低。
81.(3)太阳回避要求尽可能低的复杂程度
82.为了实现仪器的观测效率最大化，需要根据仪器的实际观测方式，尽可能降低太阳回避策略的复杂程度。
83.综合上述原则，太阳回避策略必须满足仪器工作过程中的指令约束，并实现遥感仪器工作效率与回避复杂度的平衡。
84.下面详细说明根据观测任务的类型确定太阳回避策略的过程：
85.s41：针对快速指向类观测任务，确定快速指向回避策略
86.具体包括步骤s411～s414：
87.s411：根据快速指向的目标点，针对设定的颗粒度，将设定路径离散化，获得特定时刻的遥感仪器的光轴指向信息。
88.具体地，遥感仪器扫描镜从起始点指向目标点的快速指向过程中，行进路径可能穿越太阳回避区域，从而导致太阳光线经仪器扫描镜进入光学系统，给仪器带来损害。为此，需要根据太阳在视场中的位置和遥感仪器的扫描镜运动轨迹(即上述设定路径)，判断是否需要实施太阳回避并制定回避策略。
89.如图4所示，以观测恒星过程中遇到太阳为例，遥感仪器的光轴在快速指向路径上遇到太阳或邻近太阳，因此需要进行太阳回避。快速指向过程中的太阳回避策略，通过将仪器扫描镜的运动曲线离散化为多个点，判断离散点是否与太阳回避区存在交集，进而判断是否需要实施太阳回避。
90.s412：根据观测任务的任务时间表和设定的颗粒度，获取观测任务起止时间内，太阳在遥感仪器的观测范围中的精确位置信息。
91.其中，需要理解的是，在观测任务起止时间内，太阳的具体位置是不断变化的，因
此，太阳回避区域的位置也是不断变化的。根据太阳在遥感仪器的观测范围中的精确位置信息，能够得到特定时刻下，太阳回避区域所在的位置。
92.s413：判断特定时刻的遥感仪器的光轴指向信息与对应时刻的太阳回避区域是否存在交集。
93.具体地，若不存在交集，则无需变更快速指向的光轴位置；若存在交集，则进入步骤s414。
94.s414：变更快速指向的光轴位置，使得在重新生成的指向路径上，遥感仪器的光轴与太阳回避区域不相交。
95.具体地，本实施例中，根据特定时刻的遥感仪器的光轴指向信息设定一个或两个过渡点。若过渡点为一个，则调整特定时刻的遥感仪器的光轴起点指向过渡点，并从过渡点指向特定时刻的遥感仪器的光轴终点。若过渡点为两个，则调整特定时刻的遥感仪器的光轴起点指向第一个过渡点，并从第一个过渡点指向第二个过渡点，再经由第二个过渡点指向特定时刻的遥感仪器的光轴终点；其中，第一个过渡点靠近特定时刻的遥感仪器的光轴起点，第二个过渡点靠近特定时刻的遥感仪器的光轴终点。
96.下面以两个实施例进行解释说明：
97.实施例一：
98.如图5所示，当快速指向过程中存在太阳回避状况时，设计选取一个中间过渡点，使从起始点到过渡点、从过渡点到目标点的路径上均不再存在太阳直射问题。
99.具体地，扫描镜要由指向恒星a变为指向恒星d，默认路径为ad连线，但行进途中会遇到太阳，为避开路径上太阳的影响，按照仪器观测任务的起止时间，计算出两个时刻的精确太阳位置(图中两个圆形)，获得该区域的外接矩形，在矩形区域外选取中间过渡点，即图中的点b或点c，由此确保扫描镜在ab+bd路径上或ac+cd路径上不会遇到太阳，实现对太阳的有效回避，确保仪器安全。
100.实施例二：
101.如图6所示，由于目标点位置相距较大，采取常规快速指向方法得到的快速指向指令耗时较长，对此需要设计特殊的太阳回避策略。
102.具体地，考虑卫星上遥感仪器工作环境的特殊性，上述情况只可能发生在观测视场的边角位置，且在东西向或南北向的移动距离一个较大、另一个较小(小于太阳回避区域边长)，因此根据视场范围设计以下回避策略：
103.1)根据起始点位置的特点(东西向和南北向位置)，向东西或南北向中间位置移动到过渡点1；
104.2)沿视场东西或南北向中轴线向目标位置方向移动到过渡点2；
105.3)从过渡点2移动到目标位置，即结束点，完成快速指向。
106.s42：针对区域观测类观测任务，确定区域观测回避策略
107.具体包括步骤s421～s422：
108.s421：判断设定区域与太阳回避区域是否存在交集；
109.具体地，若不存在交集，则无需进行太阳回避；若存在交集，则进入步骤s422。
110.s422：对设定区域进行切割，以使得切割后的实际观测区域与太阳回避区域相邻且不相交。
111.具体地，当需要对设定区域进行切割时，为方便载荷观测，需要尽可能保留最大的有效观测区域。本实施例中，沿设定区域的长度方向进行切割，得到第一切割区域；此外，沿设定区域的宽度方向进行切割，得到第二切割区域。然后，比较第一切割区域与第二切割区域的大小，选取二者中数值较大的一个作为切割后的实际观测区域。
112.其中，若切割后的实际观测区域中包括多个不连续的子观测区域，则选取多个不连续的子观测区域中面积最大的一个子观测区域，作为实际子观测区域，并舍弃其余子观测区域。
113.下面以两个实施例进行解释说明：
114.实施例一：
115.如图7所示，太阳回避区域10与区域观测任务的设定区域20重叠，形成重叠区30，因此需要对设定区域20进行切割。
116.如图8所示，沿设定区域20的长度方向进行切割，从而得到的第一切割区域201。如图9所示，沿设定区域20的宽度方向进行切割，从而得到的第二切割区域202。由于第一切割区域201比第二切割区域202大，因此，选择第一切割区域201作为最后的实际观测区域。
117.实施例二：
118.如图10所示，太阳回避区域10与区域观测任务的设定区域20重叠，形成重叠区30，因此需要对设定区域20进行切割。其中，该设定区域20由两部分组成。
119.如图11所示，沿设定区域20的长度方向进行切割，从而得到的第一切割区域201。如图12所示，沿设定区域20的宽度方向进行切割，从而得到的第二切割区域202。由于第二切割区域202比第一切割区域201大，因此，选择第二切割区域202作为最后的实际观测区域。若考虑实际观测区域的连续性，可在此基础上进一步优化设计。
120.此外，由于最后的实际观测区域包括两个不连续的子观测区域，即第一子观测区域2021和第二子观测区域2022。由于第一子观测区域2021的面积大于第二子观测区域2022的面积，因此，选择第一子观测区域2021作为实际子观测区域，并舍弃第二子观测区域2022。
121.s5：判断对应的任务观测指令能否实现太阳回避。
122.若判断结果为是，则输出对应的任务观测指令。若判断结果为否，则取消本次观测任务。
123.具体地，依据仪器观测任务要求，若判断存在太阳回避，实施如上所述方法设计出的太阳回避策略，输出新的观测路径，包括扫描镜每一步运动所对应的精确的执行时间、起始位置和目标位置(扫描镜的指向角)等信息，生成观测指令参数后上注到卫星，引导仪器进行在轨太阳回避，以确保顺利执行对地或对空观测任务。若经设计后无法满足太阳回避要求，则取消本次任务，仪器不进行观测。
124.综上所述，本发明实施例提供的用于卫星遥感仪器观测的太阳回避方法，基于高精度的太阳预报，能够获得太阳在卫星遥感仪器的观测平面的位置，以作为太阳回避策略的输入信息；而且，通过对太阳回避半径进行基础半径加外扩半径的设计，从而提高了最终确定的太阳回避半径的实际使用价值；此外，该方法针对不同类型的观测任务，设计不同的太阳回避策略，提高了对太阳回避的适应性。
125.上面对本发明所提供的用于静止轨道卫星遥感仪器观测的太阳回避方法进行了
详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。