一种推扫成像过程中的空间目标方位计算方法与流程

本发明涉及卫星姿态控制，具体涉及一种推扫成像过程中的空间目标方位计算方法。

背景技术：

1、在某些任务中，光学相机载荷需要对空间目标区域进行推扫成像。为计算卫星平台所提供的相机指向目标过程中的姿态，则应首先确定目标在惯性空间的位置和速度信息。当存在较多限制条件时，如卫星转动惯量大、执行机构能力有限、相机视场约束等，则希望在满足任务要求的前提下，尽量保证卫星与目标间有较小的相对位姿变化。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了提供一种推扫成像过程中的空间目标方位计算方法。此方法旨在解决满足任务要求的前提下，尽量保证卫星与目标间有较小的相对位姿变化的问题。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种推扫成像过程中的空间目标方位计算方法，包括：

3、步骤s1：根据推扫成像的任务需求，获取卫星工作区间及其对应的观测目标弧段，根据所述卫星工作区间及其对应的观测目标弧段，建立用于描述卫星和目标相对关系的辅助坐标系；

4、步骤s2：确定所述辅助坐标系与惯性坐标系的关系；

5、步骤s3：根据所述辅助坐标系和惯性坐标系的关系，计算目标弧段惯性坐标系下的位置和速度。

6、优选的，所述的步骤s1中，获取卫星工作区间及其对应的观测目标弧段，根据所述卫星工作区间及其对应的观测目标弧段，其具体包括：

7、步骤s1.1：根据推扫成像的任务需求，获取推扫成像过程中卫星所处纬度幅角u的范围，即起始时的纬度幅角u0和结束时的纬度幅角uf。

8、优选的，所述的步骤s1中，建立用于描述卫星和目标相对关系的辅助坐标系，其具体包括：步骤s1.2：建立辅助直角坐标系oixauyauzau，其坐标原点oi为地心，令xauoiyau与赤道平面重合，-xau方向过b点，所述b点为卫星运行至纬度幅角umid＝(u0+uf)/2时所处的位置在赤道平面上的投影，yau和zau方向满足右手定则，

9、其中，弧abc为卫星从纬度幅角u0运行至uf的轨迹在xauoiyau平面的投影，弧def为推扫成像的地球同步轨道带弧段，线段ad、be、cf相互平行。

10、优选的，在所述步骤s2中，确定所述辅助坐标系与惯性坐标系的关系，其具体步骤包括：

11、步骤s2.1：将所述b点分别在惯性坐标系和所述辅助坐标系中表示；

12、步骤s2.2：计算所述辅助坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵。

13、优选的，在所述步骤s2.1中，将所述b点分别在惯性坐标系和所述辅助坐标系中表示，其具体包括：

14、地心指向卫星的矢量rs在卫星轨道系中表示为：

15、

16、其中，‘t’标志转置运算，右上角标‘o’表示矢量在轨道系下的描述，rs为轨道半径，rs采样如下公式进行计算：

17、

18、其中，a、e和f分别为卫星轨道的半长轴、偏心率和真近点角。

19、rs在惯性坐标系中表示为：

20、

21、其中，右上角标‘i’表示矢量在惯性坐标系下的描述，aoi为从惯性坐标系到轨道系的转换矩阵，为aoi的转置，

22、

23、其中，i和ω分别为卫星轨道的倾角和升交点赤经，

24、令中的纬度幅角u＝umid可得umid处的惯性位置矢量取出其前两维坐标和则b点在惯性坐标系中的表示为：

25、

26、根据几何关系可知b点在辅助坐标系中的表示为：

27、

28、其中，右上角标‘au’表示矢量在辅助坐标系下的描述。

29、优选的，在所述步骤s2.2中，计算辅助坐标系与所述惯性坐标系之间的转换矩阵，辅助坐标系绕zau轴旋转γ角可以得到惯性坐标系，则转换矩阵aiau表示为：

30、

31、根据关系计算转角γ，所述转角γ采用如下公式计算：

32、

33、以得到转换矩阵aiau。

34、优选的，在所述步骤s3中，根据所述辅助坐标系和惯性坐标系的关系，计算目标弧段惯性坐标系下的位置和速度，其具体包括：

35、步骤s3.1：计算rs在辅助坐标系下的表示；

36、步骤s3.2：根据所述rs在辅助坐标系下的表示，计算目标弧段惯性坐标系下的位置和速度。

37、优选的，在所述步骤s3.1中，所述的计算rs在辅助坐标系下的表示，其具体包括：为地心到卫星的速度矢量，利用转换矩阵aiau可计算rs与在辅助坐标系下的表示，

38、

39、

40、其中，ωoi＝[0 -|ω0| 0]t，ω0为轨道角速度，为ωoi的反对称矩阵，

41、

42、优选的，在所述步骤s3.2中，根据所述rs在辅助坐标系下的表示，计算目标弧段惯性坐标系下的位置和速度，其具体包括：

43、在xauoiyau面目标弧段def的运行轨迹为近似圆轨迹，可得目标的位置矢量rt和速度矢量在辅助坐标系的表示：

44、

45、

46、其中，rgeo为地球同步轨道的半径，和分别为和在yau轴的分量。

47、整个成像过程中保证目标弧段的yau向速度与卫星yau向运行速度相等，则有：

48、

49、

50、其中，和分别为和在yau轴的分量，rtau为目标的位置矢量、速度矢量

51、得到目标弧段惯性坐标系下的位置和速度为：

52、

53、

54、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

55、本发明提供了一种推扫成像任务下地球同步轨道目标弧段位置计算方法，可保证成像过程中相机与目标具有较小的相对位姿变化。

技术特征：

1.一种推扫成像过程中的空间目标方位计算方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的推扫成像过程中的空间目标方位计算方法，其特征在于，所述的步骤s1中，获取卫星工作区间及其对应的观测目标弧段，根据所述卫星工作区间及其对应的观测目标弧段，其具体包括：

3.如权利要求2所述的推扫成像过程中的空间目标方位计算方法，其特征在于，所述的步骤s1中，建立用于描述卫星和目标相对关系的辅助坐标系，其具体包括：步骤s1.2：建立辅助直角坐标系oixauyauzau，其坐标原点oi为地心，令xauoiyau与赤道平面重合，-xau方向过b点，所述b点为卫星运行至纬度幅角umid＝(u0+uf)/2时所处的位置在赤道平面上的投影，yau和zau方向满足右手定则，

4.如权利要求3所述的推扫成像过程中的空间目标方位计算方法，其特征在于，在所述步骤s2中，确定所述辅助坐标系与惯性坐标系的关系，其具体步骤包括：

5.如权利要求2所述的推扫成像过程中的空间目标方位计算方法，其特征在于，在所述步骤s2.1中，将所述b点分别在惯性坐标系和所述辅助坐标系中表示，其具体包括：

6.如权利要求3所述的推扫成像过程中的空间目标方位计算方法，其特征在于，在所述步骤s2.2中，计算辅助坐标系与所述惯性坐标系之间的转换矩阵，辅助坐标系绕zau轴旋转γ角可以得到惯性坐标系，则转换矩阵aiau表示为：

7.如权利要求6所述的推扫成像过程中的空间目标方位计算方法，其特征在于，在所述步骤s3中，根据所述辅助坐标系和惯性坐标系的关系，计算目标弧段惯性坐标系下的位置和速度，其具体包括：

8.如权利要求7所述的推扫成像过程中的空间目标方位计算方法，其特征在于，在所述步骤s3.1中，所述的计算rs在辅助坐标系下的表示，其具体包括：为地心到卫星的速度矢量，利用转换矩阵aiau可计算rs与在辅助坐标系下的表示，

9.如权利要求8所述的推扫成像过程中的空间目标方位计算方法，其特征在于，在所述步骤s3.2中，根据所述rs在辅助坐标系下的表示，计算目标弧段惯性坐标系下的位置和速度，其具体包括：

技术总结
本发明公开了一种推扫成像过程中的空间目标方位计算方法，利用轨道信息和相对几何关系，确定光学相机推扫高轨目标区域的具体方位，即惯性坐标系下的位置速度矢量，进而可计算卫星平台的姿态指令用于姿态控制。本发明提供了一种推扫成像任务下地球同步轨道目标弧段位置计算方法，可保证成像过程中相机与目标具有较小的相对位姿变化。

技术研发人员：张超,钟金凤,张增安,杨智颖,石晓涵,裴甲瑞,郭思岩,林扬皓
受保护的技术使用者：上海航天控制技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17