一种近圆轨道成像卫星自主任务规划方法技术

本发明专利技术是一种近圆轨道成像卫星自主任务规划方法。本发明专利技术涉及卫星星务管理、姿态控制及轨道确定领域，解决现有地面规划方法耗费人力物力大、规划过程繁琐以及卫星资源利用率低等问题，本发明专利技术首先应用地面轨迹解析方法划定卫星观测范围，初步筛选出规划周期内可能成像点；进而预估业务参数，较精确地估算可覆盖目标点的成像侧摆角、过顶时间窗口及载荷配置参数；最后通过基于优先级的序列填充算法规划最优成像方案。本发明专利技术所述的星上自主规划方法，无需消耗大量人力物力，充分利用卫星成像资源，在自主规划程序中输入目标库、卫星当前位置速度轨道信息及对应UTC时间，运行自主规划方法，快速准确地完成多目标点的自主成像任务规划。规划。规划。

【技术实现步骤摘要】
一种近圆轨道成像卫星自主任务规划方法


[0001]本专利技术涉及卫星星务管理、姿态控制及轨道确定
，是一种近圆轨道成像卫星自主任务规划方法。

技术介绍

[0002]随着成像卫星数量大幅增长，传统测控与任务规划机制的短板逐渐暴露，星上自主规划可以大幅减少用户在地面任务规划所耗费的人力物力，提高卫星使用效率，且无需依赖国外专用航天专业分析软件及方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术为克服现有技术的不足，本专利技术为能够解决现有的高价值卫星成像资源与紧张的地面系统矛盾问题，本专利技术提供了一种近圆轨道成像卫星自主任务规划方法。
[0004]需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0005]一种近圆轨道成像卫星自主任务规划方法，所述方法包括以下步骤：
[0006]步骤1：设定卫星初始的轨道信息和4096点目标经纬度等信息；所述卫星初始的轨道信息，包括卫星该轨任意时刻t0，t0时刻卫星的位置r0及速度v0；
[0007]步骤2：根据步骤1的卫星初始的轨道位置，使用解析法计算星下点轨迹，获取卫星该轨观测范围，然后采用同纬度线比对经度算法筛选可成像目标点；
[0008]步骤3：预测步骤2所筛选目标点的业务参数，包括成像侧摆角、过顶时间窗口及载荷配置参数；
[0009]步骤4：将步骤3计算的业务参数，通过基于优先级的序列填充算法，自主规划最优成像方案并执行。
[0010]优选地，所述步骤1具体为：
[0011]步骤1.1：在TOD坐标系下，考虑J2平均摄动效果，星下点经纬度变化率的通过下式表示：
[0012][0013][0014]其中，φ和λ分别为地心纬度和地心经度，δ和α分别为赤纬和赤经，i为轨道倾角，u为纬度幅角，Ω为升交点赤经，w
E
为地球自转角速度，w
u
＝du/dt是纬度幅角的变化率，对于
小偏心率轨道采用下式表示：
[0015][0016]推导出地心经度对地心纬度的导数表达式为：
[0017][0018]步骤1.2：确定得到对应纬度下的卫星纬度幅角；
[0019]卫星成像最大侧摆角为α，轨迹上成像点与目标点连线对应的地心角为β，轨迹点经纬度坐标为M＝(A1,A2)，则最大侧摆机动后的成像点坐标N＝(B1,B2)为：
[0020][0021][0022]步骤1.3：当在最大侧摆角为40
°
，按照轨道条件计算，得到星下点轨迹对应的最大侧摆成像范围。
[0023]优选地，所述步骤2具体为：
[0024]在已知ΔL1,ΔL2,ΔL3,首先判定目标点在轨迹的左侧还是右侧，然后依据下式作为条件进行判断：
[0025][0026]满足上式其中之一的即判定对该点成像，否则不能成像；对所有目标点依次进行成像判定；
[0027]对于轨迹上纬度最高的一小段区域，轨迹和成像范围线离散点的经度误差较大，以经度比对得到的结果误差较大。
[0028]优选地，适用于
±
70
°
纬度范围内。
[0029]优选地，所述步骤3具体为：
[0030]步骤3.1：预测步骤二所筛选目标点的业务参数，包括成像侧摆角、过顶时间窗口及载荷配置参数；采用侧摆角度预测方法，根据侧摆成像时卫星与地面目标点的几何关系，S点为卫星成像点，P点为地面目标点，R点为卫星在地平面的投影点，H为轨道高度，θ为卫星侧摆角度，Re为地球半径；
[0031]确定卫星侧摆角θ需要利用卫星覆盖范围判定算法推得的卫星成像点坐标(b1,l1)，确定R点的经纬度坐标同样为(b1,l1)，在预存P点坐标(b2,l2)已知的情况下，由半正矢公式计算PR两点的球面距离d
PR
通过下式表示：
[0032][0033]PR两点间的直线距离L
PR
通过下式计算得出：
[0034][0035]推导出卫星侧摆角θ如下：
[0036]θ＝tan
‑1(L
PR
/H)
[0037]步骤3.2：采用过顶时间窗口预测方法，当不考虑卫星前后侧摆时，通过求解卫星的过顶时间可以预估过顶时间窗口，在大地坐标系下，当轨卫星过顶时刻与目标点的距离为最小值，卫星与目标点的距离L
SP
通过下式表示为：
[0038][0039]由于H近似为定值，求解L
SP
的极小值即为求解当轨dPR的最小值，其唯一解记为(b0,l0)；
[0040]已知卫星经过升交点时刻为t0，轨道倾角为i，近圆轨道地心纬度φ通过如下方程计算：
[0041]φ
’
＝arcsin(sin(n(t
‑
t0))sini)
[0042]其中，n表示卫星围绕地球运动的平均角速度，记μ为地心引力常数，a为卫星轨道的长半径，则n可表示为：
[0043][0044]步骤3.3：采用载荷参数预测方法，卫星成像载荷参数和成像时刻的太阳高度角相关，根据正弦公式、边的余弦公式及第一五元素公式推导出太阳高度角A的计算公式如下：
[0045][0046]其中，b为目标点的纬度，(t,δ)为当轨太阳在时角坐标系下的位置。
[0047]根据预测的太阳高度角区间，自主配置载荷参数包括PGA增益、积分级数以及行转移时间等，卫星根据地面运管经验预存合理的载荷参数是图像质量的重要保障。
[0048]优选地，所述步骤3.2中为提高计算精度，考虑地球扁率f＝1/298.257，得到地理纬度b与地心纬度φ的转换关系为：
[0049][0050]将纬度解b0带入，可求解目标点成像中心时刻，根据载荷幅宽及图像切片大小等实际约束，计算出卫星成像时间窗口。
[0051]优选地，所述步骤4具体为：
[0052]基于优先级的序列填充算法以目标优先级为强约束，在算法执行初期即将可覆盖目标集合按照优先级分类，先规划出最高优先级目标的成像序列，然后依次将各低优先级目标序列按照约束条件插入最高优先级序列，最后从多个可行序列中选取最优序列。
[0053]一种近圆轨道成像卫星自主任务规划系统，所述系统包括：
[0054]设定模块，所述设定模块设定卫星初始的轨道信息和4096点目标经纬度等信息；所述卫星初始的轨道信息，包括卫星该轨任意时刻t0，t0时刻卫星的位置r0及速度v0；
[0055]解析模块，所述解析模块根据卫星初始的轨道位置，使用解析法计算星下点轨迹，
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种近圆轨道成像卫星自主任务规划方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：步骤1：设定卫星初始的轨道信息和4096点目标经纬度等信息；所述卫星初始的轨道信息，包括卫星该轨任意时刻t0，t0时刻卫星的位置r0及速度v0；步骤2：根据步骤1的卫星初始的轨道位置，使用解析法计算星下点轨迹，获取卫星该轨观测范围，然后采用同纬度线比对经度算法筛选可成像目标点；步骤3：预测步骤2所筛选目标点的业务参数，包括成像侧摆角、过顶时间窗口及载荷配置参数；步骤4：将步骤3计算的业务参数，通过基于优先级的序列填充算法，自主规划最优成像方案并执行。2.根据权利要求1所述的一种近圆轨道成像卫星自主任务规划方法，其特征是：所述步骤1具体为：步骤1.1：在TOD坐标系下，考虑J2平均摄动效果，星下点经纬度变化率的通过下式表示：示：其中，φ和λ分别为地心纬度和地心经度，δ和α分别为赤纬和赤经，i为轨道倾角，u为纬度幅角，Ω为升交点赤经，w
E
为地球自转角速度，w
u
＝du/dt是纬度幅角的变化率，对于小偏心率轨道采用下式表示：推导出地心经度对地心纬度的导数表达式为：步骤1.2：确定得到对应纬度下的卫星纬度幅角；卫星成像最大侧摆角为α，轨迹上成像点与目标点连线对应的地心角为β，轨迹点经纬度坐标为M＝(A1,A2)，则最大侧摆机动后的成像点坐标N＝(B1,B2)为：)为：步骤1.3：当在最大侧摆角为40
°
，按照轨道条件计算，得到星下点轨迹对应的最大侧摆成像范围。3.根据权利要求2所述的一种近圆轨道成像卫星自主任务规划方法，其特征是：所述步骤2具体为：在已知ΔL1,ΔL2,ΔL3,首先判定目标点在轨迹的左侧还是右侧，然后依据下式作为条件进行判断：
满足上式其中之一的即判定对该点成像，否则不能成像；对所有目标点依次进行成像判定；对于轨迹上纬度最高的一小段区域，轨迹和成像范围线离散点的经度误差较大，以经度比对得到的结果误差较大。4.根据权利要求3所述的一种近圆轨道成像卫星自主任务规划方法，其特征是：适用于
±
70
°
纬度范围内。5.根据权利要求4所述的一种近圆轨道成像卫星自主任务规划方法，其特征是：所述步骤3具体为：步骤3.1：预测步骤2所筛选目标点的业务参数，包括成像侧摆角、过顶时间窗口及载荷配置参数；采用侧摆角度预测方法，根据侧摆成像时卫星与地面目标点的几何关系，S点为卫星成像点，P点为地面目标点，R点为卫星在地平面的投影点，H为轨道高度，θ为卫星侧摆角度，Re为地球半径；确定卫星侧摆角θ需要利用卫星覆盖范围判定算法推得的卫星成像点坐标(b1,l1)，确定R点的经纬度坐标同样为(b1,l1)，在预存P点坐标(b2,l2)已知的情况下，由半正矢公式计算PR两点的球面距离d
PR
通过下式表示：PR两点间的直线距离L
PR
通过下式计算得出：推导出卫星侧摆角θ如下：θ＝tan
‑1(L
PR
/H)步...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔源伯，任颢，刘东宸，贺小军，邹吉炜，
申请(专利权)人：长光卫星技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：