本發(fā)明屬于航天測量與控制應(yīng)用領(lǐng)域，涉及航天器對地面目標(biāo)觀測的姿態(tài)機(jī)動計算方法，適用于地球資源航天器及遙感航天器在飛行過程中對地面目標(biāo)觀測的姿態(tài)機(jī)動計算。
背景技術(shù)：
：隨著空間對地觀測技術(shù)的迅猛發(fā)展，遙感航天器越來越多，對地面目標(biāo)的訪問模式也由以往的固定星下點模式、單側(cè)擺模式發(fā)展可多自由度姿態(tài)調(diào)節(jié)傳感器模式。以往的固定星下點模式、單側(cè)擺模式無法對同時能夠兩個方向、多自由度姿態(tài)調(diào)節(jié)傳感器模式進(jìn)行建模計算，且計算過程冗長復(fù)雜。隨著新型航天器和傳感器的出現(xiàn)，需要研究新的可多自由度姿態(tài)調(diào)節(jié)的對地面目標(biāo)觀測姿態(tài)機(jī)動計算方法。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明索要解決的技術(shù)問題是提出一種航天器對地面目標(biāo)觀測的姿態(tài)計算方法，建立了地面目標(biāo)點和衛(wèi)航天器坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，依據(jù)空間幾何關(guān)系給出了航天器對地面目標(biāo)觀測的方程，并得到了該方程的分析解，由航天器姿態(tài)求取地面目標(biāo)點位置。。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：基于衛(wèi)星姿態(tài)角的地面目標(biāo)點位置的計算方法，包括以下步驟：(1)根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)旋轉(zhuǎn)過程和姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角求得衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系中的位置矢量；(2)根據(jù)衛(wèi)星在地心J2000慣性坐標(biāo)系中的位置速度矢量和速度矢量求出軌道坐標(biāo)系到地心J2000慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣C；(3)用轉(zhuǎn)換矩陣C將衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系中的位置矢量轉(zhuǎn)換至地心J2000慣性坐標(biāo)系中的位置矢量；(4)將衛(wèi)星在地心J2000慣性坐標(biāo)系中的位置矢量轉(zhuǎn)換至地固坐標(biāo)系中的矢量；(5)根據(jù)衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系中的矢量和衛(wèi)星質(zhì)點坐標(biāo)求得地面目標(biāo)點坐標(biāo)；完成基于衛(wèi)星姿態(tài)角的地面目標(biāo)點位置的計算。其中，步驟(1)的求解算法有以下四種方法：衛(wèi)星繞X軸旋轉(zhuǎn)時的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角為橫滾角，繞Y軸旋轉(zhuǎn)時的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角為俯仰角θ，繞Z軸旋轉(zhuǎn)時的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角為偏航角ψ；方法1：衛(wèi)星先繞Y軸旋轉(zhuǎn)，再繞X軸旋轉(zhuǎn)，衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系中的位置矢量為：方法2：衛(wèi)星先繞X軸旋轉(zhuǎn)，再繞Y軸旋轉(zhuǎn)，衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系中的位置矢量為：方法3：衛(wèi)星先繞Z軸旋轉(zhuǎn)，再繞Y軸旋轉(zhuǎn)，衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系中的位置矢量為：xyz=sinθcosψsinθsinψcosθ;]]>方法4：衛(wèi)星先繞Z軸旋轉(zhuǎn)，再繞X軸旋轉(zhuǎn)，衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系中的位置矢量為：其中，地面目標(biāo)點需要滿足三個條件：(a)地面目標(biāo)點與衛(wèi)星質(zhì)點的連線與衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系中的矢量相平行；(b)地面目標(biāo)點為地球上的點；(c)地面目標(biāo)點位于衛(wèi)星質(zhì)點到地心的矢量和衛(wèi)星指向地固坐標(biāo)系中的矢量相交的平面內(nèi)；步驟(5)具體包括以下步驟：(501)由地面目標(biāo)點滿足的三個條件對應(yīng)得到三個方程：i(x-X0)+j(y-Y0)+k(z-Z0)＝0；式中，(i,j,k)為衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系中的矢量，(X0,Y0,Z0)為衛(wèi)星質(zhì)點坐標(biāo)，(x,y,z)為地面目標(biāo)點坐標(biāo)；x2+y2R12+z2R22=1;]]>式中，R1和R2分別為地球赤道半徑和極半徑；Ax+By+Cz＝0；式中，(A,B,C)為地面目標(biāo)點位于衛(wèi)星質(zhì)點到地心的矢量和衛(wèi)星指向地固坐標(biāo)系中的矢量相交的平面的法向量，A=|Y0Z0jk|B=|Z0X0ki|C=|X0Y0ij|]]>(502)求解以上三個條件組成的三元二次方程，解得：z=-s±s2-4st2r,x=e+fz,y=g+hz;]]>式中，其中，求解三個條件組成的三元二次方程，若存在實數(shù)解，則(x,y,z)有兩個解，根據(jù)距離關(guān)系排除地球反面的交點，即距離衛(wèi)星較近的結(jié)果為所求目標(biāo)點坐標(biāo)；若無實數(shù)解，則該矢量與地球無交點，指向地球外部。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)點為：(1)根據(jù)給出航天器對地觀測所滿足的方程組，對已知兩個姿態(tài)角反求地面目標(biāo)點給出準(zhǔn)確的分析解。(2)航天器對地實時觀測計算效率及精度高。(3)增長衛(wèi)星的對地觀測時間，實現(xiàn)衛(wèi)星對地面目標(biāo)的凝視效果。附圖說明圖1是衛(wèi)星、地面目標(biāo)和地球空間幾何關(guān)系。圖2是已知衛(wèi)星J2000系位置速度和姿態(tài)角求地面目標(biāo)點位置的流程圖。具體實施方式1用到的坐標(biāo)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換1.1坐標(biāo)系的定義表1坐標(biāo)系的定義1.2定義旋轉(zhuǎn)矩陣在右旋直角坐標(biāo)系中，以坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)而實現(xiàn)的坐標(biāo)變換，可以通過旋轉(zhuǎn)矩陣來表示新老坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系。定義如下三個旋轉(zhuǎn)矩陣：Rx(θ)=1000cosθsinθ0-sinθcosθ]]>Ry(θ)=cosθ0-sinθ010sinθ0cosθ]]>Rz(θ)=cosθsinθ0-sinθcosθ0001]]>其中RK(θ)表示繞K軸正向旋轉(zhuǎn)θ角(逆時針方向)。例，設(shè)新坐標(biāo)系由原坐標(biāo)系繞Z軸逆時針旋轉(zhuǎn)θ角而得，則目標(biāo)在新坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(X’,Y’,Z’)與原坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(X,Y,Z)存在如下關(guān)系：X′Y′Z′=RZ(θ)XYZ]]>1.3J2000.0慣性坐標(biāo)系和地固坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換這兩個坐標(biāo)系之間的差別是極移、地球自轉(zhuǎn)以及歲差章動。對于J2000.0慣性坐標(biāo)系和地固系中的位置矢量rJ2000和rEG，有：rEG＝(EP)(ER)(NR)(PR)rJ2000(PR)為歲差矩陣，(NR)為章動矩陣，(ER)為地球自轉(zhuǎn)矩陣，(EP)為極移矩陣。它們分別由下列各式表達(dá)：(EP)＝Ry(-xp)Rx(-yp)(ER)＝Rz(SG)(NR)＝Rx(-Δε)Ry(Δθ)Rz(-Δμ)(PR)＝Rz(-zA)Ry(θA)Rz(-ζA)各式中的xp,yp為極移分量，SG為格林尼治恒星時，ζA,θA,zA為歲差量，Δε,Δθ,Δμ為章動量。1.4大地坐標(biāo)與地固坐標(biāo)系直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換(X,Y,Z)為地固坐標(biāo)系直角坐標(biāo)；(B,L,H)為大地緯度、大地經(jīng)度、大地高程；Re＝6378137m為地球赤道半徑，ec為地球子午圈的偏心率。則X=(Re1-ec2sin2B+H)cosBcosLY=(Re1-ec2sin2B+H)cosBsinLZ=(Re1-ec2sin2B(1-ec2)+H)sinB]]>1.5J2000.0慣性坐標(biāo)系和衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換記位置矢量從J2000.0慣性坐標(biāo)系到衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為C，由衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系的定義可得轉(zhuǎn)換矩陣C的各元素為：C(3,i)=-rJ2000rJ2000]]>C(2,i)=-rJ2000×r·J2000|rJ2000×r·J2000|]]>C(1,i)＝C(2,j)×C(3,k)其中：i＝1,2,3對應(yīng)著轉(zhuǎn)換矩陣C中每個行向量的三個分量。C(1,i),C(2,j),C(3,k)分別為矩陣C中第一行、第二行和第三行的行向量。1.6衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系和衛(wèi)星本體坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換在衛(wèi)星軌道系中，定義繞X軸旋轉(zhuǎn)為滾動角φ(也可稱為側(cè)擺)，定義繞Y軸旋轉(zhuǎn)俯仰角θ，繞Z軸旋轉(zhuǎn)偏航角：ψ，經(jīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)到衛(wèi)星本體系。根據(jù)旋轉(zhuǎn)次序不同有個定義。1.7衛(wèi)星本體坐標(biāo)系和傳感器基準(zhǔn)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換可認(rèn)為衛(wèi)星本體坐標(biāo)系和傳感器基準(zhǔn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點相同，轉(zhuǎn)換關(guān)系可根據(jù)安裝位置定義的通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)得到。傳感器安裝于衛(wèi)星本體系Z軸。2、基于衛(wèi)星姿態(tài)角度的地面目標(biāo)點位置計算方法，包括以下步驟：(1)根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)旋轉(zhuǎn)過程和姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角求得衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系中的位置矢量r(x,y,z)；定義衛(wèi)星繞X軸旋轉(zhuǎn)時的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角為橫滾角，繞Y軸旋轉(zhuǎn)時的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角為俯仰角θ，繞Z軸旋轉(zhuǎn)時的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角為偏航角ψ；有以下四種方法，方法1：衛(wèi)星先繞Y軸旋轉(zhuǎn)，再繞X軸旋轉(zhuǎn)，衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系中的位置矢量為：方法2：衛(wèi)星先繞X軸旋轉(zhuǎn)，再繞Y軸旋轉(zhuǎn)，衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系中的位置矢量為：方法3：衛(wèi)星先繞Z軸旋轉(zhuǎn)，再繞Y軸旋轉(zhuǎn)，衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系中的位置矢量為：xyz=sinθcosψsinθsinψcosθ;]]>方法4：衛(wèi)星先繞Z軸旋轉(zhuǎn)，再繞X軸旋轉(zhuǎn)，衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系中的位置矢量為：(2)根據(jù)衛(wèi)星在地心J2000慣性坐標(biāo)系中的位置速度矢量rJ2000和速度矢量求出軌道坐標(biāo)系到地心J2000慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣C；(3)用轉(zhuǎn)換矩陣C將衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系中的位置矢量r(x,y,z)轉(zhuǎn)換至地心J2000慣性坐標(biāo)系中的位置矢量；(4)將衛(wèi)星在地心J2000慣性坐標(biāo)系中的位置矢量robj轉(zhuǎn)換至地固坐標(biāo)系中的矢量；(5)根據(jù)衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系中的矢量和衛(wèi)星質(zhì)點坐標(biāo)求得地面目標(biāo)點坐標(biāo)；地面目標(biāo)點需要滿足三個條件：(a)地面目標(biāo)點與衛(wèi)星質(zhì)點的連線與衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系中的矢量相平行；(b)地面目標(biāo)點為地球上的點；(c)地面目標(biāo)點位于衛(wèi)星質(zhì)點到地心的矢量和衛(wèi)星指向地固坐標(biāo)系中的矢量相交的平面內(nèi)；步驟(5)具體包括以下步驟：(501)由地面目標(biāo)點滿足的三個條件對應(yīng)得到三個方程：i(x-X0)+j(y-Y0)+k(z-Z0)＝0；式中，(i,j,k)為衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系中的矢量，(X0,Y0,Z0)為衛(wèi)星質(zhì)點坐標(biāo)，(x,y,z)為地面目標(biāo)點坐標(biāo)；x2+y2R12+z2R22=1;]]>式中，R1和R2分別為地球赤道半徑和極半徑；Ax+By+Cz＝0；式中，(A,B,C)為地面目標(biāo)點位于衛(wèi)星質(zhì)點到地心的矢量和衛(wèi)星指向地固坐標(biāo)系中的矢量相交的平面的法向量，A=|Y0Z0jk|B=|Z0X0ki|C=|X0Y0ij|]]>(502)求解以上三個條件組成的三元二次方程，解得：x＝e+fz，y＝g+hz；式中，求解三個條件組成的三元二次方程，若存在實數(shù)解，則(x,y,z)有兩個解，根據(jù)距離關(guān)系排除地球反面的交點，即距離衛(wèi)星較近的結(jié)果為所求目標(biāo)點坐標(biāo)；若無實數(shù)解，則該矢量與地球無交點，指向地球外部?，F(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：已知J2000坐標(biāo)系下航天器某一時刻的位置速度矢量rJ2000和速度矢量航天器的姿態(tài)角按照圖2的步驟計算航天器傳感器指向矢量和地面目標(biāo)點坐標(biāo)(B,L,H)。例：北京時2016年1月1日21：30航天器位置速度為/4406328.0，5117483.0，1311255.0，1699.0，448.0，-7406.0/表2四種轉(zhuǎn)序的姿態(tài)角根據(jù)表2得到的姿態(tài)角反求地面點坐標(biāo)，結(jié)果見表3表3由地面點求出的四種轉(zhuǎn)序的姿態(tài)角姿態(tài)轉(zhuǎn)序緯度B(度)經(jīng)度L(度)高程H(米)1先Y軸再繞X軸9.9999999790119.999999973-0.008662先X軸再繞Y軸9.9999999999119.999999999-0.008663先Z軸再繞Y軸9.9999999791119.999999974-0.008664先Z軸再繞X軸9.9999999791119.999999974-0.00866當(dāng)前第1頁1 2 3