本發(fā)明涉及衛(wèi)星姿態(tài)確定技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種快速計(jì)算太陽(yáng)光與太陽(yáng)同步衛(wèi)星星敏感器最小夾角的方法。
背景技術(shù)：
星敏感器作為姿態(tài)測(cè)量的主要部件，其輸出的高精度測(cè)量信息是保證衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量精度的先決條件。因此，必須在星敏感器布局時(shí)，保證在左右側(cè)視工作狀態(tài)下，其頭部應(yīng)盡量不受地球、太陽(yáng)等雜散光的影響；為減小雜散光的影響，星敏感器安裝時(shí)，必須保證在星敏感器頭部每個(gè)探頭的光軸為中心抗雜光范圍內(nèi)不得有雜散光。
星敏感器初步安裝布局后，首先需要計(jì)算太陽(yáng)光與星敏感器光軸之間的最小夾角，判斷是否滿足星敏感器抗雜光角的要求。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)常用的方法就是利用專用軟件stk進(jìn)行一年的仿真計(jì)算，這需要在具備專用軟件以及設(shè)計(jì)人員熟悉該軟件的情況才能進(jìn)行。而本發(fā)明的算法充分利用了太陽(yáng)和衛(wèi)星運(yùn)行的固有特性，用簡(jiǎn)單的公式計(jì)算太陽(yáng)光與太陽(yáng)同步衛(wèi)星星敏感器最小夾角，便于設(shè)計(jì)人員理解計(jì)算原理和易于編程實(shí)現(xiàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種快速計(jì)算太陽(yáng)光與太陽(yáng)同步衛(wèi)星星敏感器最小夾角的方法，選取衛(wèi)星運(yùn)行一年中具有典型意義的的春分、秋分、冬至、夏至四個(gè)時(shí)間點(diǎn)；根據(jù)四個(gè)時(shí)間點(diǎn)計(jì)算相對(duì)j2000.0的儒略日，計(jì)算四個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)在地心黃道坐標(biāo)系的平均橢圓軌道參數(shù)；根據(jù)衛(wèi)星的降交點(diǎn)地方時(shí)計(jì)算得到四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的衛(wèi)星的升交點(diǎn)赤經(jīng)；再計(jì)算一圈中太陽(yáng)矢量在軌道面的投影以及一圈中太陽(yáng)矢量與星敏感器視場(chǎng)的夾角，所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后得到的最小夾角則為衛(wèi)星在軌太陽(yáng)光與衛(wèi)星星敏感器最小夾角。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
一種快速計(jì)算太陽(yáng)光與太陽(yáng)同步衛(wèi)星星敏感器最小夾角的方法，其特征是，包含以下步驟：
s1、選取衛(wèi)星運(yùn)行一年中的春分、秋分、冬至、夏至四個(gè)時(shí)間點(diǎn)；
s2、計(jì)算其中一個(gè)時(shí)間點(diǎn)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)歷年j2000.0和該時(shí)間點(diǎn)相對(duì)觀測(cè)時(shí)刻之間用儒略世紀(jì)數(shù)表示的時(shí)間間隔；
s3、根據(jù)步驟s2獲得的時(shí)間間隔計(jì)算該時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)在地心黃道坐標(biāo)系的平均橢圓軌道參數(shù)；
s4、根據(jù)步驟s3中獲得的平均橢圓軌道參數(shù)計(jì)算該時(shí)間點(diǎn)衛(wèi)星的升交點(diǎn)赤經(jīng)；
s5、計(jì)算一圈中太陽(yáng)矢量在軌道面的投影，進(jìn)而求得一圈中太陽(yáng)矢量與星敏感器視場(chǎng)的夾角；
s6、重復(fù)步驟s2～s5，分別計(jì)算出春分、秋分、冬至、夏至四個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)矢量與星敏感器視場(chǎng)的夾角，取其最小值即為太陽(yáng)光與太陽(yáng)同步衛(wèi)星星敏感器最小夾角。
上述的快速計(jì)算太陽(yáng)光與太陽(yáng)同步衛(wèi)星星敏感器最小夾角的方法，其中，所述的步驟s2中一個(gè)時(shí)間點(diǎn)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)歷年j2000.0和該時(shí)間點(diǎn)相對(duì)觀測(cè)時(shí)刻之間用儒略世紀(jì)數(shù)表示的時(shí)間間隔的計(jì)算方式為：
設(shè)陽(yáng)歷時(shí)間為年y、月m、日d、時(shí)間t，儒略日jd計(jì)算如下：
y＝y(tǒng)；m＝mm＞2
y＝y(tǒng)-1；m＝m+12m<＝2
jd＝fix(365.25*y)+fix(30.6001*(m+1))+d+1720981.5
式中，fix表示取整數(shù)；
標(biāo)準(zhǔn)歷年j2000.0的儒略日jdj2000計(jì)算如下：
jdj2000＝fix(365.25*1999)+fix(30.6001*(13+1))+1.5+1720981.5；
計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)歷年j2000.0和觀測(cè)時(shí)刻之間，用儒略世紀(jì)數(shù)表示的時(shí)間間隔t：
t＝(jd-jdj2000+t/24)/36525。
上述的快速計(jì)算太陽(yáng)光與太陽(yáng)同步衛(wèi)星星敏感器最小夾角的方法，其中，所述的步驟s3具體包含：
根據(jù)時(shí)間間隔t計(jì)算時(shí)間點(diǎn)的太陽(yáng)軌道參數(shù)：
偏心率：
es＝0.01670862-0.00004204*t-0.00000124*t*t；
軌道傾角：
ε＝(23.439291-0.01300417*t-0.00000016*t*t)*π/180；
近地點(diǎn)幅角：
ωs＝(282.937347+0.32256206*t-0.00015757*t*t)*π/180；
平近點(diǎn)角：
ms＝(357.5291+0.9856002804*t*36525-0.0007734*t*t)*π/180；
太陽(yáng)軌道的緯度幅角：
λ＝ms+2*es*sin(ms)+ωs+1.25*es*es*sin(2*ms)。
上述的快速計(jì)算太陽(yáng)光與太陽(yáng)同步衛(wèi)星星敏感器最小夾角的方法，其中，所述的步驟s4具體包含：
根據(jù)太陽(yáng)軌道參數(shù)和太陽(yáng)同步衛(wèi)星的降交點(diǎn)地方時(shí)clock1計(jì)算衛(wèi)星的升交點(diǎn)赤經(jīng)：
ω＝[atan2(cos(23.433*π/180)*sin(λ),cos(λ))+(clock1-12)*(1-0.00273)*15-180]*π/18。
上述的快速計(jì)算太陽(yáng)光與太陽(yáng)同步衛(wèi)星星敏感器最小夾角的方法，其中，所述的步驟s5中計(jì)算一圈中太陽(yáng)矢量在軌道面的投影的過(guò)程為：
根據(jù)衛(wèi)星的軌道參數(shù)偏心率e、半場(chǎng)軸a、近地點(diǎn)幅角ω、軌道傾角i，這四個(gè)參數(shù)也是短期保持不變的，一圈衛(wèi)星軌道緯度幅角u變化360°，間隔一度取一個(gè)計(jì)算點(diǎn)，根據(jù)軌道傾角i，升交點(diǎn)赤經(jīng)ω和一圈衛(wèi)星軌道緯度幅角u計(jì)算軌道坐標(biāo)系相對(duì)地心慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣aoi：
aoi11＝-sinucosω-cosucosisinω
aoi12＝-sinusinω+cosucosicosω
aoi13＝cosusini
aoi21＝-sinisinω
aoi122＝sinicosω
aoi23＝-cosi
aoi31＝-cosucosω+sinucosisinω
aoi32＝-cosusinω-sinucosicosω
aoi33＝-sinusini
計(jì)算太陽(yáng)矢量在軌道面上的投影sox、soy、soz：
sox＝aoi11cosλ+aoi12sinλcosε+aoi13sinλsinε
soy＝aoi21cosλ+aoi22sinλcosε+aoi23sinλsinε
soz＝aoi31cosλ+aoi32sinλcosε+aoi33sinλsinε。
上述的快速計(jì)算太陽(yáng)光與太陽(yáng)同步衛(wèi)星星敏感器最小夾角的方法，其中：
所述的步驟s5中運(yùn)用太陽(yáng)矢量在軌道面上的投影以及星敏感器光軸在軌道坐標(biāo)系下的矢量投影計(jì)算得到太陽(yáng)矢量與星敏感器視場(chǎng)的夾角。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：能夠快速方便的計(jì)算布局后的星敏感器與強(qiáng)光的夾角，提高了系統(tǒng)的抗雜光能力。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明的方法流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，通過(guò)詳細(xì)說(shuō)明一個(gè)較佳的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。
天體術(shù)語(yǔ)描述：黃道與天赤道相交的兩點(diǎn)分別叫春分點(diǎn)γ和秋分點(diǎn)ω。春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)的區(qū)別在于：當(dāng)沿逆時(shí)針?lè)较蛟诒碧鞓O觀測(cè)，黃道由赤道從北穿到赤道以南，其交點(diǎn)為秋分點(diǎn)，由赤道以南穿到赤道以北時(shí)的交點(diǎn)即為春分點(diǎn)。冬至和夏至就是在黃道上與春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)相差90°位置的兩點(diǎn)。
由于是太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，該衛(wèi)星軌道平面在空間的移動(dòng)與太陽(yáng)向東運(yùn)動(dòng)(從地球上看)同步，太陽(yáng)同步軌道的主要特點(diǎn)是太陽(yáng)照射軌道面的方向在一年內(nèi)基本不變，精確而言，軌道平面法線與太陽(yáng)方向在赤道面上的投影之間的夾角保持不變，即衛(wèi)星經(jīng)過(guò)赤道節(jié)點(diǎn)的地方時(shí)不變。簡(jiǎn)單認(rèn)為衛(wèi)星的降交點(diǎn)地方時(shí)在一定范圍之內(nèi)是不變的。
另一方面，太陽(yáng)的黃經(jīng)在一年之內(nèi)從春分時(shí)刻大致均勻地從0度變化到360度，黃道平面與赤道平面存在一個(gè)大約23.5度的黃赤交角。軌道法線與太陽(yáng)方向視線的夾角定義為軌道太陽(yáng)角β：
β＝arccos[sinωscosδssini+sinδscosi]
式中，ωs為升交點(diǎn)的地方平太陽(yáng)時(shí)角，對(duì)太陽(yáng)同步軌道該值為常值，取決于發(fā)射窗口；δs為太陽(yáng)赤緯，該數(shù)據(jù)為變量，范圍在-23.5°～23.5°，因此軌道太陽(yáng)角緊隨季節(jié)變化。因此一年中太陽(yáng)與星敏感器之間的交角關(guān)系具有典型意義的的春分、秋分、冬至、夏至四個(gè)時(shí)間點(diǎn)，這四個(gè)時(shí)間點(diǎn)計(jì)算后就是大致趨勢(shì)，可認(rèn)為包含最小交角。
基于上述原理，本發(fā)明方法是基于衛(wèi)星的降交點(diǎn)地方時(shí)在一定范圍之內(nèi)是不變的。另一方面，太陽(yáng)的黃經(jīng)在一年之內(nèi)從春分時(shí)刻大致均勻地從0度變化到360度，黃道平面與赤道平面存在一個(gè)大約23.433度的黃赤交角，因此選擇一年中太陽(yáng)與星敏感器之間的交角關(guān)系具有典型意義的春分、秋分、冬至、夏至四個(gè)時(shí)間點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)得到衛(wèi)星的軌道參數(shù)偏心率e、半場(chǎng)軸a、近地點(diǎn)幅角ω、軌道傾角i，這四個(gè)參數(shù)也是短期保持不變的，另外時(shí)刻在變化的就是衛(wèi)星的緯度幅角，一圈衛(wèi)星軌道緯度幅角u變化360°，可適當(dāng)間隔取一個(gè)計(jì)算點(diǎn)。
基于上述，本發(fā)明提出的一種快速計(jì)算太陽(yáng)光與太陽(yáng)同步衛(wèi)星星敏感器最小夾角的方法，具體包含以下步驟：
s1、選取衛(wèi)星運(yùn)行一年中的春分、秋分、冬至、夏至四個(gè)時(shí)間點(diǎn)；具體的，從年歷上獲取想要計(jì)算年份的春分、秋分、冬至、夏至四個(gè)時(shí)間點(diǎn)；
s2、計(jì)算其中一個(gè)時(shí)間點(diǎn)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)歷年j2000.0和該時(shí)間點(diǎn)相對(duì)觀測(cè)時(shí)刻之間用儒略世紀(jì)數(shù)表示的時(shí)間間隔；
s3、根據(jù)步驟s2獲得的時(shí)間間隔計(jì)算該時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)在地心黃道坐標(biāo)系的平均橢圓軌道參數(shù)；
s4、根據(jù)步驟s3中獲得的平均橢圓軌道參數(shù)計(jì)算該時(shí)間點(diǎn)衛(wèi)星的升交點(diǎn)赤經(jīng)；
s5、計(jì)算一圈中太陽(yáng)矢量在軌道面的投影，進(jìn)而求得一圈中太陽(yáng)矢量與星敏感器視場(chǎng)的夾角；
s6、重復(fù)步驟s2～s5，分別計(jì)算出春分、秋分、冬至、夏至四個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)矢量與星敏感器視場(chǎng)的夾角，取其最小值即為太陽(yáng)光與太陽(yáng)同步衛(wèi)星星敏感器最小夾角。即所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后得到的最小夾角則為衛(wèi)星在軌太陽(yáng)光與衛(wèi)星星敏感器最小夾角。
其中，所述的步驟s2中，一個(gè)時(shí)間點(diǎn)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)歷年j2000.0和該時(shí)間點(diǎn)相對(duì)觀測(cè)時(shí)刻之間用儒略世紀(jì)數(shù)表示的時(shí)間間隔的計(jì)算過(guò)程為：
首先，給出日期轉(zhuǎn)換之間的關(guān)系，設(shè)時(shí)間為y、m、d、t(表示通常民用日期年、月、日及時(shí)間，即陽(yáng)歷)，則儒略日jd計(jì)算如下：
y＝y(tǒng)；m＝m；m＞2
y＝y(tǒng)-1；m＝m+12；m<＝2(1)
jd＝fix(365.25*y)+fix(30.6001*(m+1))+d+1720981.5；
式中，fix表示取整數(shù)；
目前的標(biāo)準(zhǔn)歷年j2000.0的儒略日jdj2000計(jì)算如下：
jdj2000＝fix(365.25*1999)+fix(30.6001*(13+1))+1.5+1720981.5(2)
計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)歷年j2000.0和觀測(cè)時(shí)刻之間，用儒略世紀(jì)(36525平太陽(yáng)日)數(shù)表示的時(shí)間間隔t：
t＝(jd-jdj2000+t/24)/36525(3)。
其中，所述的步驟s3中，計(jì)算時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)在地心黃道坐標(biāo)系的平均橢圓軌道參數(shù)的具體過(guò)程為：
有了步驟s2獲得的時(shí)間參數(shù)t以后，計(jì)算該時(shí)間點(diǎn)的太陽(yáng)軌道參數(shù)：
偏心率：
es＝0.01670862-0.00004204*t-0.00000124*t*t(4)；
軌道傾角(即黃赤交角)：
ε＝(23.439291-0.01300417*t-0.00000016*t*t)*π/180(5)；
近地點(diǎn)幅角：
ωs＝(282.937347+0.32256206*t-0.00015757*t*t)*π/180(6)；
平近點(diǎn)角：
ms＝(357.5291+0.9856002804*t*36525-0.0007734*t*t)*π/180(7)；
太陽(yáng)軌道的緯度幅角：
λ＝ms+2*es*sin(ms)+ωs+1.25*es*es*sin(2*ms)(8)。
其中，所述的步驟s4具體包含：
根據(jù)步驟s3計(jì)算得到的太陽(yáng)參數(shù)和太陽(yáng)同步衛(wèi)星的降交點(diǎn)地方時(shí)clock1，則計(jì)算衛(wèi)星的升交點(diǎn)赤經(jīng)：
ω＝[atan2(cos(23.433*π/180)*sin(λ),cos(λ))+(clock1-12)*(1-0.00273)*15-180]*π/180(9)。
其中，所述的步驟s5中，具體的通過(guò)計(jì)算一圈中太陽(yáng)矢量在軌道面的投影來(lái)得到一圈中太陽(yáng)矢量與星敏感器視場(chǎng)的夾角：
根據(jù)設(shè)計(jì)得到衛(wèi)星的軌道參數(shù)偏心率e、半場(chǎng)軸a、近地點(diǎn)幅角ω、軌道傾角i，這四個(gè)參數(shù)也近似認(rèn)為是保持不變的，一圈衛(wèi)星軌道緯度幅角u變化360°，可間隔一度取一個(gè)計(jì)算點(diǎn)。根據(jù)軌道根數(shù)i、衛(wèi)星的升交點(diǎn)赤經(jīng)ω和緯度幅角u計(jì)算軌道坐標(biāo)系相對(duì)地心慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣aoi：
計(jì)算太陽(yáng)矢量在軌道面上的投影sox、soy、soz，sox、soy、soz的計(jì)算公式為：
sox＝aoi11cosλ+aoi12sinλcosε+aoi13sinλsinε
soy＝aoi21cosλ+aoi22sinλcosε+aoi23sinλsinε
soz＝aoi31cosλ+aoi32sinλcosε+aoi33sinλsinε(11)。
再根據(jù)太陽(yáng)矢量在軌道面上的投影計(jì)算一圈中太陽(yáng)矢量與星敏感器視場(chǎng)的夾角，具體的，一般情況下星敏感器在衛(wèi)星上安裝固定后，則與軌道系的指向關(guān)系不變，根據(jù)星敏感器光軸在軌道坐標(biāo)系下的矢量投影為ssx、ssy、ssz，該矢量與太陽(yáng)矢量sox、soy、soz的夾角直接用矢量夾角公式計(jì)算得到。
盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。