專(zhuān)利名稱(chēng)：奔月段紫外敏感器地月拍圖時(shí)間預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種奔月段采用紫外敏感器進(jìn)行地月拍圖時(shí)間預(yù)測(cè)的方法，屬 光學(xué)成像姿態(tài)敏感器領(lǐng)域。
技術(shù)背景隨著成像探測(cè)器件以及處理器技術(shù)的快速進(jìn)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(chǎng)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(xué) 數(shù)據(jù)上重要價(jià)值而且利用獲取的地月圖像信息并配合慣性姿態(tài)對(duì)于實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo) 航有重要價(jià)值。首先紫外敏感器具有特殊的組合式視場(chǎng)分布，形成分瓣的天球覆蓋，因此需要分析紫外敏感器視場(chǎng)模型；另外地球、月球?qū)儆诜瓷涮?yáng)光成像，拍攝條 件還需要有一定的太陽(yáng)、地球/月球、衛(wèi)星位置需求；還有，在不影響衛(wèi)星運(yùn)動(dòng) 模式狀態(tài)下拍攝需要對(duì)衛(wèi)星的下一步運(yùn)動(dòng)以及姿態(tài)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)然月球/ 地球出現(xiàn)在視場(chǎng)內(nèi)的時(shí)間較短需要拍攝點(diǎn)時(shí)刻的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)才能實(shí)現(xiàn)地球/月球 的成<象。紫外敏感器本身是一項(xiàng)全新的成像式姿態(tài)敏感器，本專(zhuān)利內(nèi)容是在紫外敏 感器基礎(chǔ)上進(jìn)行的擴(kuò)展應(yīng)用研究。此外，奔月段利用紫外敏感器進(jìn)行月球/地球 拍攝技術(shù)驗(yàn)證也是一項(xiàng)新任務(wù)，并經(jīng)過(guò)了在軌飛行試驗(yàn)。利用紫外敏感器對(duì)月 球/地球拍攝時(shí)間的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)算法均未見(jiàn)國(guó)內(nèi)外報(bào)道。國(guó)外科技動(dòng)態(tài)[J], 2006年第9期，"歐洲第一個(gè)月球探測(cè)飛船智慧1號(hào)" 中講到Smart-1利用高精度相機(jī)在奔月,爻對(duì)月球進(jìn)行成像，但沒(méi)有具體說(shuō)明弧 段選擇準(zhǔn)則、最佳拍攝時(shí)刻的預(yù)測(cè)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(jī)的情況，不足在未說(shuō)明拍攝弧段、最佳拍攝時(shí)間的選擇方法。美國(guó)專(zhuān)利US5319969,名稱(chēng)"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(yù)測(cè)問(wèn)題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種奔月段紫外敏 感器地月拍圖時(shí)間預(yù)測(cè)方法，該方法根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果地面發(fā)送指令在最佳時(shí)刻拍 攝地月紫外圖像，達(dá)到不改變衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)對(duì)地球/月球的拍攝。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是奔月段紫外敏感器地月拍圖時(shí)間預(yù)測(cè)方法，包 括下列步驟(1 )根據(jù)標(biāo)稱(chēng)軌道、衛(wèi)星本體系內(nèi)太陽(yáng)矢量和月心矢量進(jìn)行光照分析，選 擇滿(mǎn)足地月拍攝光照條件的軌道弧段；(2) 按照預(yù)先設(shè)計(jì)的衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)獲得滿(mǎn)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(chǎng)區(qū) 域內(nèi)，選擇滿(mǎn)足紫外敏感器視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的軌道弧段；(3) 將同時(shí)滿(mǎn)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(lái)之前，輸入所述可選軌道對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)軌道位 置、可選軌道之前某一時(shí)刻姿態(tài)矩陣、日月地星歷及衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模型；計(jì)算 預(yù)測(cè)時(shí)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(chǎng)中心矢 量夾角隨時(shí)間變化的曲線，由曲線與紫外敏感器視場(chǎng)大小得到連續(xù)的地球/月球 可見(jiàn)時(shí)間范圍[A "，才艮據(jù)得到的連續(xù)可見(jiàn)時(shí)間范圍計(jì)算最佳時(shí)刻。所述步驟(1)中的光照分析過(guò)程為計(jì)算太陽(yáng)矢量「s與月心矢量4或地 心矢量^之間的夾角3,計(jì)算公式為 3 = acos(rs.K)，當(dāng)3 > ^,認(rèn)為此軌道位置下滿(mǎn)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(jì)算公式為其中，^為姿態(tài)變換矩陣，根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模型確定；Co為輸入的某一時(shí)刻姿態(tài)矩陣。 所述步驟(3)中計(jì)算月心/地心矢量公式為五,=A .五o其中，t時(shí)刻的月心矢量； Ef—t時(shí)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(yùn)動(dòng)模型確定； M0—輸入的某一時(shí)刻to對(duì)應(yīng)的月心矢量。 所述步驟(3)中可見(jiàn)時(shí)間范圍確定過(guò)程如下首先，計(jì)算t時(shí)刻的月心矢量Mf與地心矢量Et與紫外敏感器視場(chǎng)的中心矢 量Fs的夾角3，計(jì)算公式為3M (/) = a cos(i^. M,)然后，將曲線對(duì)應(yīng)的值與視場(chǎng)閾值7>^進(jìn)行比較，當(dāng)3似<7>^,說(shuō)明月球 可見(jiàn),否則不可見(jiàn)；當(dāng)3￡<7>^,說(shuō)明地球可見(jiàn)，否則不可見(jiàn)；連續(xù)可見(jiàn)的時(shí) 間邊界即為可見(jiàn)時(shí)間范圍；其中，7>^為視場(chǎng)閾值等于紫外敏感器光學(xué)系統(tǒng)的 3見(jiàn)場(chǎng)大小。所述步驟(3)中最佳時(shí)刻取所述可見(jiàn)時(shí)間范圍[纟i "的中間值，或[^ "] 時(shí)間范圍最小的夾角3對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為(1 )本發(fā)明技術(shù)將地月拍圖預(yù)測(cè)分為發(fā)射前軌道選擇工作及發(fā)射后及時(shí)預(yù) 測(cè)工作，并按照視場(chǎng)角對(duì)最優(yōu)拍攝點(diǎn)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，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(wèn)題。(2 )本發(fā)明通過(guò)計(jì)算太陽(yáng)矢量與月心矢量/地心矢量之間的夾角進(jìn)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(xué)工程價(jià) 值。(3)本發(fā)明利用月心/地心矢量與視場(chǎng)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(jì)算簡(jiǎn)單、完備的優(yōu)點(diǎn)。(4 )本發(fā)明技術(shù)使用時(shí)間居中或最小夾角方法可以獲得最優(yōu)的拍才聶時(shí)刻 點(diǎn)，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(shù)算法流程圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例月心矢量與視場(chǎng)中心矢量夾角曲線； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例月心矢量連續(xù)處于視場(chǎng)內(nèi)曲線； 圖4為本方明實(shí)施例拍攝仿真圖像。
具體實(shí)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(qǐng)的專(zhuān)利號(hào)為 US5837894名稱(chēng)"Wide Field of View Sensor with diffractive Optical Corrector"中公開(kāi)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(guó)專(zhuān) 利US5319969名4爾"Method for determining 3-axis spacecraft attitude"中乂>開(kāi)的一種利用紫外鐠段的三軸姿態(tài)敏感器。 下面對(duì)月球拍照為例具體進(jìn)行說(shuō)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(shí)現(xiàn)過(guò)程。 (1)才艮據(jù)標(biāo)稱(chēng)軌道(U，z)、衛(wèi)星本體系內(nèi)太陽(yáng)矢量和月心矢量進(jìn)行光照 分析，選擇滿(mǎn)足地球/月球拍攝光照條件的軌道弧段；光照分析過(guò)程為根據(jù)太陽(yáng)矢量^、月心矢量^計(jì)算夾角^當(dāng)/ > ^ ,認(rèn)為此軌道位置下滿(mǎn)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(jìn)行選擇，其中90。對(duì)應(yīng)弦月，而一般要求大于30。否則只能看 到很小的月牙，實(shí)施例閾值選擇30°。(2) 按照預(yù)先設(shè)計(jì)的衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)獲得滿(mǎn)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(chǎng)區(qū) 域內(nèi)，選擇滿(mǎn)足紫外敏感器視場(chǎng)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(chǎng)區(qū)域內(nèi)，方法為判斷 矢量與視場(chǎng)中心矢量Fs的夾角3是否小于視場(chǎng)角，選擇紫外敏感器視場(chǎng)區(qū)域內(nèi) 的矢量對(duì)應(yīng)的軌道位置；(3) 將同時(shí)滿(mǎn)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(lái)之前，輸入所述可選軌道對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)軌道位 置、可選軌道之前某一時(shí)刻t。姿態(tài)矩陣、日月地星歷及衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模型；計(jì) 算預(yù)測(cè)時(shí)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(chǎng)中心 矢量夾角隨時(shí)間變化的曲線，由曲線與紫外敏感器^f見(jiàn)場(chǎng)大小得到連續(xù)的地球/月球可見(jiàn)時(shí)間范圍,根據(jù)得到的連續(xù)可見(jiàn)時(shí)間范圍計(jì)算最佳時(shí)刻。 本體系下的月心矢量^:x—moon=-0.6802; y—moon=0.3213; z—moon=-0.6589;太陽(yáng)矢量^:x—sun=1; y_sun=0; z—sun二O;太陽(yáng)矢量與月心矢量夾角" y5 = flcos(J^ 。 = 132.86° 可見(jiàn)夾角遠(yuǎn)大于30。，處于弦月與滿(mǎn)月之間表現(xiàn)為凸月。才艮據(jù)t0姿態(tài)矩陣C0計(jì)算預(yù)測(cè)時(shí)間區(qū)間[to tn]對(duì)應(yīng)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(yùn)動(dòng)模型確定，運(yùn)用實(shí)例中設(shè)定衛(wèi)星圍繞+X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，速度為0.1。/S記為/，選擇預(yù)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度tL-trrto為1小時(shí)，實(shí)施例中記tn=3600s，t0=0s， 為<formula>formula see original document page 9</formula>若選擇繞+Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)則:<formula>formula see original document page 9</formula>若選擇繞+Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)則<formula>formula see original document page 9</formula>才艮據(jù)姿態(tài)變換矩陣A獲得時(shí)刻t下的月心矢量4(和地心矢量4<formula>formula see original document page 9</formula>計(jì)算月心矢量Mf地心矢量Ef與視場(chǎng)的中心法線Fs的夾角3<formula>formula see original document page 9</formula>月球可見(jiàn)，否則不可見(jiàn)<formula>formula see original document page 9</formula>地球可見(jiàn)，否則不可見(jiàn)7>^為視場(chǎng)閾值這就是敏感器光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)大小，例子中設(shè)定為10。。實(shí)施例中Fs取值如下x—Fs=0y—Fs=0 z_Fs=1預(yù)測(cè)時(shí)間選擇1小時(shí)，那么計(jì)算得到的預(yù)測(cè)時(shí)間內(nèi)月心矢量與視場(chǎng)中心的夾角曲線見(jiàn)圖2，搜索后視場(chǎng)內(nèi)連續(xù)小于10。的曲線見(jiàn)圖3,得到時(shí)間 t^2510(s) t2=2760(s)則最佳時(shí)刻^"^:按照時(shí)間均值有<formula>formula see original document page 10</formula>
[6 "時(shí)間范圍最小夾角3對(duì)應(yīng)時(shí)刻<formula>formula see original document page 10</formula>
可見(jiàn)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下預(yù)測(cè)時(shí)間非常近似，時(shí)間平均值對(duì)應(yīng)拍攝的仿真圖見(jiàn)圖4。 本發(fā)明思想與方法可以推廣應(yīng)用于其它空間敏感器的時(shí)間預(yù)測(cè)上，只要利 用本發(fā)明的思想實(shí)現(xiàn)的方法都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明未詳細(xì)說(shuō)明部分 屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。
權(quán)利要求
1、奔月段紫外敏感器地月拍圖時(shí)間預(yù)測(cè)方法，其特征在于包括下列步驟(1)根據(jù)標(biāo)稱(chēng)軌道、衛(wèi)星本體系內(nèi)太陽(yáng)矢量和月心矢量進(jìn)行光照分析，選擇滿(mǎn)足地月拍攝光照條件的軌道弧段；(2)按照預(yù)先設(shè)計(jì)的衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)獲得滿(mǎn)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(chǎng)區(qū)域內(nèi)，選擇滿(mǎn)足紫外敏感器視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的軌道弧段；(3)將同時(shí)滿(mǎn)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(lái)之前，輸入所述可選軌道對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)軌道位置、可選軌道之前某一時(shí)刻姿態(tài)矩陣、日月地星歷及衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模型；計(jì)算預(yù)測(cè)時(shí)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(chǎng)中心矢量夾角隨時(shí)間變化的曲線，由曲線與紫外敏感器視場(chǎng)大小得到連續(xù)的地球/月球可見(jiàn)時(shí)間范圍[t1～t2]，根據(jù)得到的連續(xù)可見(jiàn)時(shí)間范圍計(jì)算最佳時(shí)刻。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍圖時(shí)間預(yù)測(cè)方法，其 特征在于所述步驟(1 )中的光照分析過(guò)程為計(jì)算太陽(yáng)矢量^與月心矢量4 或地心矢量^之間的夾角3,計(jì)算公式為<formula>formula see original document page 2</formula>當(dāng)a>~,認(rèn)為此軌道位置下滿(mǎn)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(quán)利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍圖時(shí)間預(yù)測(cè)方法，其 特征在于所述步驟(3)中姿態(tài)矩陣的計(jì)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(yùn)動(dòng)才莫型確定； Co為輸入的某一時(shí)刻姿態(tài)矩陣。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍圖時(shí)間預(yù)測(cè)方法，其 特征在于所述步驟(3)中計(jì)算月心/地心矢量公式為五,=A .五o其中，/Wf—t時(shí)刻的月心矢量； E廠t時(shí)刻的地心矢量；^為姿態(tài)變換矩陣，根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模型確定； Mo—輸入的某一時(shí)刻to對(duì)應(yīng)的月心矢量。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍圖時(shí)間預(yù)測(cè)方法，其 特征在于所述步驟(3)中可見(jiàn)時(shí)間范圍確定過(guò)程如下首先，計(jì)算t時(shí)刻的月心矢量W與地心矢量Et與紫外敏感器視場(chǎng)的中心矢 量Fs的夾角3，計(jì)算公式為3五(0 = acos(/^._E》然后，將曲線對(duì)應(yīng)的值與視場(chǎng)閾值7>^進(jìn)行比較，S3M<rroF,說(shuō)明月球 可見(jiàn)，否則不可見(jiàn)；當(dāng)3￡<7>?！?，說(shuō)明地球可見(jiàn)，否則不可見(jiàn)；連續(xù)可見(jiàn)的時(shí) 間邊界即為可見(jiàn)時(shí)間范圍；其中，7V^為視場(chǎng)閾值等于紫外敏感器光學(xué)系統(tǒng)的 -現(xiàn)場(chǎng)大小。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的奔月段紫外敏感器地月拍圖時(shí)間預(yù)測(cè)方法，其 特征在于所述步驟(3)中最佳時(shí)刻取所述可見(jiàn)時(shí)間范圍^ "的中間值，或 ^ ~ "時(shí)間范圍最小的夾角3對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種奔月段紫外敏感器地月拍圖時(shí)間預(yù)測(cè)方法，包括下列步驟(1)選擇滿(mǎn)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(chǎng)區(qū)域內(nèi)的軌道弧段；(3)將同時(shí)滿(mǎn)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(lái)之前，輸入所述可選軌道對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)軌道位置、可選軌道之前某一時(shí)刻姿態(tài)矩陣、日月地星歷及衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模型；計(jì)算預(yù)測(cè)時(shí)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(chǎng)中心矢量夾角隨時(shí)間變化的曲線，由曲線與紫外敏感器視場(chǎng)大小得到連續(xù)的地球/月球可見(jiàn)時(shí)間范圍[t₁～t₂]，根據(jù)得到的連續(xù)可見(jiàn)時(shí)間范圍計(jì)算最佳時(shí)刻。
文檔編號(hào)G01C21/02GK101236090SQ20081005734
公開(kāi)日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2008年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者葉培健, 紅 宗, 李鐵壽, 立 王 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所