本發(fā)明屬于空間天氣監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種空間對地觀測儀器的自動避日方法，尤其適用于空間對地觀測中自動規(guī)避太陽光進入儀器的探測視場。

背景技術(shù)：

極光主要是由太陽風(fēng)和地球磁層中的高能帶電粒子沿地球磁場線注入高緯度地區(qū)，將高層大氣分子或原子電離激發(fā)產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象，極光產(chǎn)生于地球的高磁緯地區(qū)上空即地球的南北兩極區(qū)域，一般為大于磁緯60°的區(qū)域。

儀器在830km高度的極軌太陽同步軌道上對地球南北兩極極光進行沿軌掃描觀測時，由于儀器瞬時視場角達到130°×10°(其中10°為沿軌道方向，130°為跨軌道方向)，掃描范圍跨越了前向和后向臨邊高度。當(dāng)儀器轉(zhuǎn)動至面對太陽一側(cè)臨邊高度時，太陽會進入儀器的瞬時視場，極強的太陽輻射會損壞儀器的探測器，所以在儀器實時測量過程中需要規(guī)避太陽光照射。

現(xiàn)有技術(shù)中，主要采用地面干預(yù)的方式實現(xiàn)避日，即通過地面的觀測和計算調(diào)節(jié)軌道上儀器的方向，但這種方法操作復(fù)雜且不及時。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中地面干預(yù)避日方法的復(fù)雜性和適時性差的缺點，提供一種空間對地觀測儀器的自動避日方法。

空間對地觀測儀器的自動避日方法，步驟如下：

步驟一、將太陽矢量[X_s,Y_s,Z_s]從軌道坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至衛(wèi)星坐標(biāo)系，得到衛(wèi)星太陽矢量S₁＝[S_1x S_1y S_1z]^T＝T₁×[X_s Y_s Z_s]^T；

式中，T₁為軌道坐標(biāo)系至衛(wèi)星坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；

步驟二、將衛(wèi)星太陽矢量S₁從衛(wèi)星坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至儀器坐標(biāo)系，得到儀器太陽矢量S₂＝[S_2x S_2y S_2z]^T＝T₂×[S_1x S_1y S_1z]^T；

式中，T₂為衛(wèi)星坐標(biāo)系至儀器坐標(biāo)系的標(biāo)定轉(zhuǎn)換矩陣；

步驟三、計算太陽光線與當(dāng)前時刻儀器瞬時視場光軸在XcZc平面內(nèi)的夾角γ；

式中，α＝arcsin(S_2x)，為儀器太陽矢量S₂與儀器坐標(biāo)系YcZc平面的夾角，β為當(dāng)前時刻儀器瞬時視場光軸與YZ面的夾角，規(guī)定機械軸零位時β＝0°，沿飛行方向掃描通過零位后β大于0，逆飛行方向掃描通過零位后β小于0；

步驟四、判斷是否需要避日，避日判據(jù)：

(1)儀器位于陽照區(qū)，且Zs>0；

(2)在北極區(qū)域，儀器掃描方向為逆飛行方向，且β<0，或者在南極區(qū)域，儀器掃描方向為沿飛行方向，且β>0；

(3)γ≤γ₀，γ₀為預(yù)先設(shè)定的避日角度閾值；

如果上述條件都滿足，則需要避日，此時控制儀器向反方向轉(zhuǎn)動，遠離太陽輻射；如果上述條件未都滿足，則不需要避日，此時控制儀器沿原方向轉(zhuǎn)動；

步驟五、循環(huán)步驟一至步驟四，至儀器在軌運行結(jié)束。

進一步的，將步驟二替換為：判斷衛(wèi)星姿態(tài)角變化是否在0.1°以內(nèi)；

如果不在，將衛(wèi)星太陽矢量S₁從衛(wèi)星坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至儀器坐標(biāo)系，得到儀器太陽矢量S₂＝[S_2x S_2y S_2z]^T＝T₂×[S_1x S_1y S_1z]^T；

式中，T₂為衛(wèi)星坐標(biāo)系至儀器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩；

如果在，儀器太陽矢量S₂＝衛(wèi)星太陽矢量S₁。

進一步的，T₁通過衛(wèi)星姿態(tài)計算；更進一步的，T₁寫為：

c_y＝cosθ_y,s_y＝sinθ_y,

c_r＝cosθ_r,s_r＝sinθ_r,

c_p＝cosθ_p,s_p＝sinθ_p

式中，θ_p為衛(wèi)星俯仰角、θ_r為衛(wèi)星滾動角和θ_y為衛(wèi)星偏航角。

進一步的，T₂根據(jù)地面標(biāo)定衛(wèi)星基準(zhǔn)立方鏡和儀器上的基準(zhǔn)立方鏡之間的夾角計算。

進一步的，γ₀的角度值為第一個大于等于θ的整數(shù)角度，θ＝θ₁+θ₂+θ₃+θ₄，θ₁為儀器光學(xué)系統(tǒng)的半視場角度，θ₂為儀器光學(xué)系統(tǒng)曝光時間內(nèi)的儀器轉(zhuǎn)動角，θ₃為太陽矢量廣播時間內(nèi)儀器轉(zhuǎn)動角，θ₄為太陽矢量廣播時間內(nèi)的變化。

進一步的，θ＝θ₁+θ₂+θ₃+θ₄+θ₅，θ₅為儀器光學(xué)系統(tǒng)雜光抑制角度。

更進一步的，先確定γ₀的角度值為第一個大于等于θ的整數(shù)角度，然后儀器在軌測試初期通過數(shù)據(jù)注入調(diào)整，逐漸減小，保證儀器安全的同時確保盡量長的觀測時間。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的空間對地觀測儀器的自動避日方法，解決了空間大視場對地觀測儀器在軌運行中自動避日的問題，可以有效提高系統(tǒng)的安全性，在軌自動測量，不用地面干預(yù)，節(jié)省人員和成本，實時性強，易于實現(xiàn)。

附圖說明

圖1為空間大視場對地觀測示意圖；

圖2為本發(fā)明的空間對地觀測儀器的自動避日方法的流程圖；

圖3中，a為在北極區(qū)域，太陽光線與儀器瞬時視場夾角示意圖，b為在南極區(qū)域，太陽光線與儀器瞬時視場夾角示意圖；

圖中，1、儀器，2、衛(wèi)星，3、衛(wèi)星軌道。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明的原理是：如圖1所示，本發(fā)明中涉及的空間對地觀測，O_C-X_CY_CZ_C為儀器坐標(biāo)系，O_S-X_SY_SZ_S為衛(wèi)星坐標(biāo)系，O_O-X_OY_OZ_O為軌道坐標(biāo)系。三者皆為直角坐標(biāo)系，彼此間沒有位置限制。圖1中儀器1光軸沿O_CZ_C軸方向，儀器1繞O_CY_C軸進行轉(zhuǎn)動，從而沿O_SX_S軸方向進行往復(fù)掃描觀測。130°視場方向總能包含太陽矢量，而太陽光能否進入儀器視場的關(guān)鍵是太陽光與10°視場方向的夾角，即太陽光與儀器坐標(biāo)系Y_CZ_C面的夾角。本發(fā)明根據(jù)衛(wèi)星廣播的太陽矢量，將太陽矢量轉(zhuǎn)換至儀器坐標(biāo)系，并計算太陽光在儀器坐標(biāo)系中相對于儀器光軸的夾角，根據(jù)設(shè)定的夾角閾值自動判斷是否需要規(guī)避太陽。

如圖2所示，空間對地觀測儀器的自動避日方法，步驟如下：

步驟一、根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)角計算軌道坐標(biāo)系至衛(wèi)星坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣T₁，通過地面標(biāo)定衛(wèi)星基準(zhǔn)立方鏡和儀器1上的基準(zhǔn)立方鏡之間的夾角計算衛(wèi)星坐標(biāo)系至儀器坐標(biāo)系的標(biāo)定轉(zhuǎn)換矩陣T₂；

衛(wèi)星姿態(tài)決定了衛(wèi)星坐標(biāo)系和軌道坐標(biāo)系之間的關(guān)系，它們之間的轉(zhuǎn)換矩陣是衛(wèi)星的俯仰角θ_p、滾動角θ_r和偏航角θ_y的函數(shù)。由于衛(wèi)星姿態(tài)通常是變化的，所以軌道坐標(biāo)系到衛(wèi)星坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣也是隨時間變化的；

T₁這個轉(zhuǎn)換矩陣寫為：

c_y＝cosθ_y,s_y＝sinθ_y,

c_r＝cosθ_r,s_r＝sinθ_r,

c_p＝cosθ_p,s_p＝sinθ_p；

T₂的確定為本領(lǐng)域技術(shù)人員常規(guī)技術(shù)。

步驟二、將太陽矢量從軌道坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至衛(wèi)星坐標(biāo)系，得到衛(wèi)星太陽矢量S₁＝[S_1xS_1y S_1z]^T＝T₁×[X_s Y_s Z_s]^T。

太陽矢量S＝[X_s,Y_s,Z_s]是太陽在軌道坐標(biāo)系中的方向的單位矢量，T表示矩陣的轉(zhuǎn)置。

步驟三、判斷衛(wèi)星姿態(tài)角變化是否在0.1°以內(nèi)，定義若俯仰角θ_p、滾動角θ_r和偏航角θ_y都在0.1°以內(nèi)，衛(wèi)星姿態(tài)角變化在0.1°以內(nèi)，若俯仰角θ_p、滾動角θ_r和偏航角θ_y有任意一個不在0.1°以內(nèi)，衛(wèi)星姿態(tài)角變化在0.1°以上；

如果衛(wèi)星姿態(tài)角變化不在0.1°以內(nèi)，將衛(wèi)星太陽矢量S₁從衛(wèi)星坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至儀器坐標(biāo)系，得到儀器太陽矢量S₂＝[S_2x S_2y S_2z]^T＝T₂×[S_1x S_1y S_1z]^T；

如果衛(wèi)星姿態(tài)角變化在0.1°以內(nèi)，儀器坐標(biāo)系與衛(wèi)星坐標(biāo)系之間的夾角為分級的誤差，對計算結(jié)果影響較小，因此可以省略衛(wèi)星坐標(biāo)系至儀器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，令儀器太陽矢量S₂＝衛(wèi)星太陽矢量S₁；

也可以為了保證當(dāng)衛(wèi)星姿態(tài)出現(xiàn)較大偏差時計算的準(zhǔn)確性，不判斷衛(wèi)星姿態(tài)角變化是否在0.1°以內(nèi)，直接將衛(wèi)星太陽矢量S₁從衛(wèi)星坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至儀器坐標(biāo)系，得到儀器太陽矢量S₂＝[S_2x S_2y S_2z]^T＝T₂×[S_1x S_1y S_1z]^T；

式中，T表示矩陣的轉(zhuǎn)置。

步驟四、如圖3所示，計算太陽光線與當(dāng)前時刻儀器瞬時視場光軸在XcZc平面內(nèi)的夾角γ；

式中，α＝arcsin(S_2x)，為儀器太陽矢量S₂與儀器坐標(biāo)系YcZc平面的夾角，β為當(dāng)前時刻儀器瞬時視場光軸與YcZc面的夾角，規(guī)定機械軸零位時β＝0°，沿飛行方向掃描通過零位后β大于0，逆飛行方向掃描通過零位后β小于0；

步驟五、判斷是否需要避日，避日判據(jù)：

(1)儀器位于陽照區(qū)，且Zs>0；

(2)在北極區(qū)域，儀器掃描方向為逆飛行方向，且β<0，或者在南極區(qū)域，儀器掃描方向為沿飛行方向，且β>0；

(3)γ≤γ₀，γ₀為預(yù)先設(shè)定的避日角度閾值；

如果上述條件都滿足，則需要避日，此時控制儀器向反方向轉(zhuǎn)動，遠離太陽輻射；如果上述條件未都滿足，則不需要避日，此時控制儀器沿原方向轉(zhuǎn)動；

避日角度閾值γ₀的角度值為第一個大于等于θ的整數(shù)角度，θ＝θ₁+θ₂+θ₃+θ₄，θ₁為儀器光學(xué)系統(tǒng)的半視場角度，θ₂為儀器光學(xué)系統(tǒng)曝光時間內(nèi)的儀器轉(zhuǎn)動角，θ₃為太陽矢量廣播時間內(nèi)儀器轉(zhuǎn)動角，θ₄為太陽矢量廣播時間內(nèi)的變化。也可以先設(shè)定為上述角度閾值γ₀，然后根據(jù)儀器1在軌測試初期通過數(shù)據(jù)注入調(diào)整，逐漸減小，保證儀器1安全的同時確保盡量長的觀測時間；

如，儀器1采用廣角極光成像儀，其掃描機構(gòu)由步進電機驅(qū)動，步進為0.01125°/步。儀器1指向星下點(即處于機械軸零位)時β＝0°，前向(沿飛行方向)掃描最大值為β＝60°，后向(逆飛行方向)掃描最大值為β＝-60°。理想情況下，太陽光與儀器10°視場中心平面的夾角小于5.0°時，太陽光進入儀器1視場；考慮2s廣播一次的廣播時間延遲，避日判據(jù)中需要預(yù)留2s的提前量，2s內(nèi)儀器1轉(zhuǎn)動的角度為2.25°；同時考慮儀器1掃描速度為1.125°/s，每一幅圖像的曝光時間最長為3.4s；2s內(nèi)太陽矢量的變化，在極軌太陽同步軌道，2s內(nèi)太陽矢量的變化小于0.1°；為保證當(dāng)前圖像曝光過程中不出現(xiàn)太陽光入射情況，最終取避日角度為12.0°；

為了進一步增加避日判斷的可靠性，θ＝θ₁+θ₂+θ₃+θ₄+θ₅，θ₅為儀器光學(xué)系統(tǒng)雜光抑制角度。

步驟六、循環(huán)步驟一至步驟五，直到儀器在軌運行結(jié)束；

通常，衛(wèi)星每2s廣播一次太陽矢量，上述避日過程也要每2s判斷一次。

本發(fā)明中，根據(jù)衛(wèi)星廣播確定太陽矢量實際值和衛(wèi)星姿態(tài)角實際值為現(xiàn)有技術(shù)：衛(wèi)星每2s廣播一次太陽矢量，最高位為符號位，低15位為有效值，將有效值除以32767.0即可得到實際的數(shù)值，得到的值域范圍[-1.0，1.0]；衛(wèi)星每1s廣播一次衛(wèi)星的姿態(tài)角，最高位為符號位，低15位為有效值，轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.009?？梢酝ㄟ^1553B總線接收衛(wèi)星廣播。