專利名稱：奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種奔月段采用紫外敏感器進行地月拍圖時間預測的方法，屬 光學成像姿態(tài)敏感器領域。
技術背景隨著成像探測器件以及處理器技術的快速進步，航天器姿態(tài)敏感器逐漸由 單元掃描式向成像式發(fā)展，紫外敏感器就是一種有別于傳統(tǒng)地平儀的大視場成 像式姿態(tài)敏感器。紫外敏感器具備奔月段獲取紫外地球、紫外月球圖像的能力，不僅在科學 數(shù)據(jù)上重要價值而且利用獲取的地月圖像信息并配合慣性姿態(tài)對于實現(xiàn)自主導 航有重要價值。首先紫外敏感器具有特殊的組合式視場分布，形成分瓣的天球覆蓋，因此需要分析紫外敏感器視場模型；另外地球、月球屬于反射太陽光成像，拍攝條 件還需要有一定的太陽、地球/月球、衛(wèi)星位置需求；還有，在不影響衛(wèi)星運動 模式狀態(tài)下拍攝需要對衛(wèi)星的下一步運動以及姿態(tài)變化進行預測，當然月球/ 地球出現(xiàn)在視場內(nèi)的時間較短需要拍攝點時刻的準確預測才能實現(xiàn)地球/月球 的成<象。紫外敏感器本身是一項全新的成像式姿態(tài)敏感器，本專利內(nèi)容是在紫外敏 感器基礎上進行的擴展應用研究。此外，奔月段利用紫外敏感器進行月球/地球 拍攝技術驗證也是一項新任務，并經(jīng)過了在軌飛行試驗。利用紫外敏感器對月 球/地球拍攝時間的準確預測算法均未見國內(nèi)外報道。國外科技動態(tài)[J], 2006年第9期，"歐洲第一個月球探測飛船智慧1號" 中講到Smart-1利用高精度相機在奔月,爻對月球進行成像，但沒有具體說明弧 段選擇準則、最佳拍攝時刻的預測方式方法。A elfving，L Stagnearo,A Winton， SMART-1:Key technologies and autonomy implementations. Acta Astronautic 52(2003)中介紹了用于奔月段月球拍攝相機的情況，不足在未說明拍攝弧段、最佳拍攝時間的選擇方法。美國專利US5319969,名稱"Method for determining 3誦axis spacecraft attitude"中介紹了一種利用紫外譜段姿態(tài)敏感器的三軸姿態(tài)確定方法，其中未 涉及奔月段的拍攝預測問題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種奔月段紫外敏 感器地月拍圖時間預測方法，該方法根據(jù)預測結果地面發(fā)送指令在最佳時刻拍 攝地月紫外圖像，達到不改變衛(wèi)星運動模式實現(xiàn)對地球/月球的拍攝。本發(fā)明的技術解決方案是奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法，包 括下列步驟(1 )根據(jù)標稱軌道、衛(wèi)星本體系內(nèi)太陽矢量和月心矢量進行光照分析，選 擇滿足地月拍攝光照條件的軌道弧段；(2) 按照預先設計的衛(wèi)星姿態(tài)運動獲得滿足步驟(1 )中的軌道弧段位置 下的地球/月心矢量集，判斷所述矢量集中是否有矢量存在于紫外敏感器視場區(qū) 域內(nèi)，選擇滿足紫外敏感器視場區(qū)域內(nèi)的軌道弧段；(3) 將同時滿足步驟(1 )和步驟(2)的軌道位置作為拍攝可選軌道， 衛(wèi)星發(fā)射后在所述的可選軌道到來之前，輸入所述可選軌道對應的預測軌道位 置、可選軌道之前某一時刻姿態(tài)矩陣、日月地星歷及衛(wèi)星姿態(tài)運動模型；計算 預測時間段內(nèi)的姿態(tài)矩陣、月心/地心矢量，并做出月心/地心矢量與視場中心矢 量夾角隨時間變化的曲線，由曲線與紫外敏感器視場大小得到連續(xù)的地球/月球 可見時間范圍[A "，才艮據(jù)得到的連續(xù)可見時間范圍計算最佳時刻。所述步驟(1)中的光照分析過程為計算太陽矢量「s與月心矢量4或地 心矢量^之間的夾角3,計算公式為 3 = acos(rs.K)，當3 > ^,認為此軌道位置下滿足地月拍攝光照條件獲得較好月相；其中，K代表月心矢量^或地心矢量^;^為夾角閾值，大小根據(jù)拍攝需求確定。所述步驟(3)中姿態(tài)矩陣的計算公式為其中，^為姿態(tài)變換矩陣，根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)運動模型確定；Co為輸入的某一時刻姿態(tài)矩陣。 所述步驟(3)中計算月心/地心矢量公式為五,=A .五o其中，t時刻的月心矢量； Ef—t時刻的地心矢量；A為姿態(tài)變換矩陣，根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)運動模型確定； M0—輸入的某一時刻to對應的月心矢量。 所述步驟(3)中可見時間范圍確定過程如下首先，計算t時刻的月心矢量Mf與地心矢量Et與紫外敏感器視場的中心矢 量Fs的夾角3，計算公式為3M (/) = a cos(i^. M,)然后，將曲線對應的值與視場閾值7>^進行比較，當3似<7>^,說明月球 可見,否則不可見；當3￡<7>^,說明地球可見，否則不可見；連續(xù)可見的時 間邊界即為可見時間范圍；其中，7>^為視場閾值等于紫外敏感器光學系統(tǒng)的 3見場大小。所述步驟(3)中最佳時刻取所述可見時間范圍[纟i "的中間值，或[^ "] 時間范圍最小的夾角3對應的時刻。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有益效果為(1 )本發(fā)明技術將地月拍圖預測分為發(fā)射前軌道選擇工作及發(fā)射后及時預 測工作，并按照視場角對最優(yōu)拍攝點進行了預測，解決了利用紫外敏感器奔月 階段成功在軌拍攝地球、月球的問題。(2 )本發(fā)明通過計算太陽矢量與月心矢量/地心矢量之間的夾角進行光照 分析，保證了所選擇拍攝弧段內(nèi)月球/地球圖像具備較高成像條件與科學工程價 值。(3)本發(fā)明利用月心/地心矢量與視場中心矢量夾角分析手段獲得連續(xù)成 像區(qū)間的方法具有計算簡單、完備的優(yōu)點。(4 )本發(fā)明技術使用時間居中或最小夾角方法可以獲得最優(yōu)的拍才聶時刻 點，保證能拍攝到月球/地球并能拍攝到最優(yōu)的圖像。
圖1為本發(fā)明技術算法流程圖；圖2為本發(fā)明實施例月心矢量與視場中心矢量夾角曲線； 圖3為本發(fā)明實施例月心矢量連續(xù)處于視場內(nèi)曲線； 圖4為本方明實施例拍攝仿真圖像。
具體實施方式
本發(fā)明中涉及的紫外敏感器可以采用Honeywell公司申請的專利號為 US5837894名稱"Wide Field of View Sensor with diffractive Optical Corrector"中公開的一種利用紫外譜段的三軸姿態(tài)敏感器。還可以釆用美國專 利US5319969名4爾"Method for determining 3-axis spacecraft attitude"中乂>開的一種利用紫外鐠段的三軸姿態(tài)敏感器。 下面對月球拍照為例具體進行說明。如圖1所示，為本發(fā)明的方法流程圖，下面具體介紹該方法的實現(xiàn)過程。 (1)才艮據(jù)標稱軌道(U，z)、衛(wèi)星本體系內(nèi)太陽矢量和月心矢量進行光照 分析，選擇滿足地球/月球拍攝光照條件的軌道弧段；光照分析過程為根據(jù)太陽矢量^、月心矢量^計算夾角^當/ > ^ ,認為此軌道位置下滿足光照條件獲得較好月球圖像，&為相角闊值才艮據(jù)需求進行選擇，其中90。對應弦月，而一般要求大于30。否則只能看 到很小的月牙，實施例閾值選擇30°。(2) 按照預先設計的衛(wèi)星姿態(tài)運動獲得滿足步驟(1 )中的軌道弧段位置 下的地球/月心矢量集，判斷所述矢量集中是否有矢量存在于紫外敏感器視場區(qū) 域內(nèi)，選擇滿足紫外敏感器視場區(qū)域內(nèi)的軌道弧段；判斷所述矢量集中是否有矢量存在于紫外敏感器視場區(qū)域內(nèi)，方法為判斷 矢量與視場中心矢量Fs的夾角3是否小于視場角，選擇紫外敏感器視場區(qū)域內(nèi) 的矢量對應的軌道位置；(3) 將同時滿足步驟(1 )和步驟(2)的軌道位置作為拍攝可選軌道， 衛(wèi)星發(fā)射后在所述的可選軌道到來之前，輸入所述可選軌道對應的預測軌道位 置、可選軌道之前某一時刻t。姿態(tài)矩陣、日月地星歷及衛(wèi)星姿態(tài)運動模型；計 算預測時間段內(nèi)的姿態(tài)矩陣、月心/地心矢量，并做出月心/地心矢量與視場中心 矢量夾角隨時間變化的曲線，由曲線與紫外敏感器^f見場大小得到連續(xù)的地球/月球可見時間范圍,根據(jù)得到的連續(xù)可見時間范圍計算最佳時刻。 本體系下的月心矢量^:x—moon=-0.6802; y—moon=0.3213; z—moon=-0.6589;太陽矢量^:x—sun=1; y_sun=0; z—sun二O;太陽矢量與月心矢量夾角" y5 = flcos(J^ 。 = 132.86° 可見夾角遠大于30。，處于弦月與滿月之間表現(xiàn)為凸月。才艮據(jù)t0姿態(tài)矩陣C0計算預測時間區(qū)間[to tn]對應姿態(tài)矩陣Ct:其中A為姿態(tài)變換矩陣，是由衛(wèi)星姿態(tài)運動模型確定，運用實例中設定衛(wèi)星圍繞+X軸轉動，速度為0.1。/S記為/，選擇預測時間長度tL-trrto為1小時，實施例中記tn=3600s，t0=0s， 為<formula>formula see original document page 9</formula>若選擇繞+Y軸轉動則:<formula>formula see original document page 9</formula>若選擇繞+Z軸轉動則<formula>formula see original document page 9</formula>才艮據(jù)姿態(tài)變換矩陣A獲得時刻t下的月心矢量4(和地心矢量4<formula>formula see original document page 9</formula>計算月心矢量Mf地心矢量Ef與視場的中心法線Fs的夾角3<formula>formula see original document page 9</formula>月球可見，否則不可見<formula>formula see original document page 9</formula>地球可見，否則不可見7>^為視場閾值這就是敏感器光學系統(tǒng)的視場大小，例子中設定為10。。實施例中Fs取值如下x—Fs=0y—Fs=0 z_Fs=1預測時間選擇1小時，那么計算得到的預測時間內(nèi)月心矢量與視場中心的夾角曲線見圖2，搜索后視場內(nèi)連續(xù)小于10。的曲線見圖3,得到時間 t^2510(s) t2=2760(s)則最佳時刻^"^:按照時間均值有<formula>formula see original document page 10</formula>
[6 "時間范圍最小夾角3對應時刻<formula>formula see original document page 10</formula>
可見兩個標準下預測時間非常近似，時間平均值對應拍攝的仿真圖見圖4。 本發(fā)明思想與方法可以推廣應用于其它空間敏感器的時間預測上，只要利 用本發(fā)明的思想實現(xiàn)的方法都落入本發(fā)明的保護范圍，本發(fā)明未詳細說明部分 屬本領域技術人員公知常識。
權利要求
1、奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法，其特征在于包括下列步驟(1)根據(jù)標稱軌道、衛(wèi)星本體系內(nèi)太陽矢量和月心矢量進行光照分析，選擇滿足地月拍攝光照條件的軌道弧段；(2)按照預先設計的衛(wèi)星姿態(tài)運動獲得滿足步驟(1)中的軌道弧段位置下的地球/月心矢量集，判斷所述矢量集是否存在于紫外敏感器視場區(qū)域內(nèi)，選擇滿足紫外敏感器視場區(qū)域內(nèi)的軌道弧段；(3)將同時滿足步驟(1)和步驟(2)的軌道位置作為拍攝可選軌道，衛(wèi)星發(fā)射后在所述的可選軌道到來之前，輸入所述可選軌道對應的預測軌道位置、可選軌道之前某一時刻姿態(tài)矩陣、日月地星歷及衛(wèi)星姿態(tài)運動模型；計算預測時間段內(nèi)的姿態(tài)矩陣、月心/地心矢量，并做出月心/地心矢量與視場中心矢量夾角隨時間變化的曲線，由曲線與紫外敏感器視場大小得到連續(xù)的地球/月球可見時間范圍[t1～t2]，根據(jù)得到的連續(xù)可見時間范圍計算最佳時刻。
2、 根據(jù)權利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法，其 特征在于所述步驟(1 )中的光照分析過程為計算太陽矢量^與月心矢量4 或地心矢量^之間的夾角3,計算公式為<formula>formula see original document page 2</formula>當a>~,認為此軌道位置下滿足地月拍才聶光照條件獲得較好月相；其中，K代表月心矢量^或地心矢量^;^為夾角閾值，大小根據(jù)拍攝需求確定。
3、 根據(jù)權利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法，其 特征在于所述步驟(3)中姿態(tài)矩陣的計算公式為<formula>formula see original document page 2</formula>其中，^為姿態(tài)變換矩陣，根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)運動才莫型確定； Co為輸入的某一時刻姿態(tài)矩陣。
4、 根據(jù)權利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法，其 特征在于所述步驟(3)中計算月心/地心矢量公式為五,=A .五o其中，/Wf—t時刻的月心矢量； E廠t時刻的地心矢量；^為姿態(tài)變換矩陣，根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)運動模型確定； Mo—輸入的某一時刻to對應的月心矢量。
5、 根據(jù)權利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法，其 特征在于所述步驟(3)中可見時間范圍確定過程如下首先，計算t時刻的月心矢量W與地心矢量Et與紫外敏感器視場的中心矢 量Fs的夾角3，計算公式為3五(0 = acos(/^._E》然后，將曲線對應的值與視場閾值7>^進行比較，S3M<rroF,說明月球 可見，否則不可見；當3￡<7>?！?，說明地球可見，否則不可見；連續(xù)可見的時 間邊界即為可見時間范圍；其中，7V^為視場閾值等于紫外敏感器光學系統(tǒng)的 -現(xiàn)場大小。
6、 根據(jù)權利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法，其 特征在于所述步驟(3)中最佳時刻取所述可見時間范圍^ "的中間值，或 ^ ~ "時間范圍最小的夾角3對應的時刻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種奔月段紫外敏感器地月拍圖時間預測方法，包括下列步驟(1)選擇滿足地月拍攝光照條件的軌道弧段；(2)選擇地月出現(xiàn)在紫外敏感器視場區(qū)域內(nèi)的軌道弧段；(3)將同時滿足步驟(1)和步驟(2)的軌道位置作為拍攝可選軌道，衛(wèi)星發(fā)射后在所述的可選軌道到來之前，輸入所述可選軌道對應的預測軌道位置、可選軌道之前某一時刻姿態(tài)矩陣、日月地星歷及衛(wèi)星姿態(tài)運動模型；計算預測時間段內(nèi)的姿態(tài)矩陣、月心/地心矢量，并做出月心/地心矢量與視場中心矢量夾角隨時間變化的曲線，由曲線與紫外敏感器視場大小得到連續(xù)的地球/月球可見時間范圍[t<sub>1</sub>～t<sub>2</sub>]，根據(jù)得到的連續(xù)可見時間范圍計算最佳時刻。
文檔編號G01C21/02GK101236090SQ20081005734
公開日2008年8月6日 申請日期2008年1月31日 優(yōu)先權日2008年1月31日
發(fā)明者葉培健, 紅 宗, 李鐵壽, 立 王 申請人:北京控制工程研究所