本發(fā)明屬于航天測(cè)量與控制應(yīng)用領(lǐng)域，涉及航天器對(duì)地面目標(biāo)觀測(cè)的姿態(tài)機(jī)動(dòng)計(jì)算方法，適用于地球資源航天器及遙感航天器在飛行過程中對(duì)地面目標(biāo)觀測(cè)的姿態(tài)機(jī)動(dòng)計(jì)算。
背景技術(shù)：
：隨著空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，遙感航天器越來越多，對(duì)地面目標(biāo)的訪問模式也由以往的固定星下點(diǎn)模式、單側(cè)擺模式發(fā)展可多自由度姿態(tài)調(diào)節(jié)傳感器模式。以往的固定星下點(diǎn)模式、單側(cè)擺模式無法對(duì)同時(shí)能夠兩個(gè)方向、多自由度姿態(tài)調(diào)節(jié)傳感器模式進(jìn)行建模計(jì)算，且計(jì)算過程冗長(zhǎng)復(fù)雜。隨著新型航天器和傳感器的出現(xiàn)，需要研究新的可多自由度姿態(tài)調(diào)節(jié)的對(duì)地面目標(biāo)觀測(cè)姿態(tài)機(jī)動(dòng)計(jì)算方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是航天器對(duì)地面目標(biāo)觀測(cè)的姿態(tài)計(jì)算方法，建立了地面目標(biāo)點(diǎn)和衛(wèi)航天器坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，依據(jù)空間幾何關(guān)系給出了航天器對(duì)地面目標(biāo)觀測(cè)的方程，并得到了該方程的分析解，計(jì)算航天器觀測(cè)該目標(biāo)所需姿態(tài)。該結(jié)果可用于多自由度姿態(tài)調(diào)節(jié)傳感器模式的航天器對(duì)地面目標(biāo)觀測(cè)的姿態(tài)計(jì)算中。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：基于地面目標(biāo)點(diǎn)位置的衛(wèi)星姿態(tài)角的計(jì)算方法，包括以下步驟：(1)將地面目標(biāo)點(diǎn)在大地坐標(biāo)系中的經(jīng)度、緯度和高程轉(zhuǎn)換為地固坐標(biāo)系中的直角坐標(biāo)；(2)將地面目標(biāo)點(diǎn)在地固坐標(biāo)系中的直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地心J2000慣性坐標(biāo)系中的位置矢量；(3)根據(jù)衛(wèi)星在地心J2000慣性坐標(biāo)系中的位置速度矢量和速度矢量求出地心J2000慣性坐標(biāo)系到衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣C；(4)用轉(zhuǎn)換矩陣C將地面目標(biāo)點(diǎn)在地心J2000慣性坐標(biāo)系中的位置矢量轉(zhuǎn)換成衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系中的位置矢量；(5)根據(jù)地面目標(biāo)點(diǎn)在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系中的位置矢量求得衛(wèi)星的姿態(tài)角；完成基于地面目標(biāo)點(diǎn)位置的衛(wèi)星姿態(tài)角的計(jì)算。其中，步驟(5)具體為：衛(wèi)星繞X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角為橫滾角繞Y軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角為俯仰角θ，繞Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角為偏航角ψ；衛(wèi)星繞兩個(gè)軸旋轉(zhuǎn)，有以下四種方法可得到衛(wèi)星的姿態(tài)角；方法1：衛(wèi)星先繞Y軸旋轉(zhuǎn)，再繞X軸旋轉(zhuǎn)；由：得式中，(x,y,z)為地面目標(biāo)點(diǎn)在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系中的位置矢量，r為位置矢量(x,y,z)的絕對(duì)值；方法2：衛(wèi)星先繞X軸旋轉(zhuǎn)，再繞Y軸旋轉(zhuǎn)：由：得式中，(x,y,z)為地面目標(biāo)點(diǎn)在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系中的位置矢量，r為位置矢量(x,y,z)的絕對(duì)值；方法3：衛(wèi)星先繞Z軸旋轉(zhuǎn)，再繞Y軸旋轉(zhuǎn)：由xyz=sinθcosψsinθsinψcosθ]]>得式中，(x,y,z)為地面目標(biāo)點(diǎn)在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系中的位置矢量，r為位置矢量(x,y,z)的絕對(duì)值；方法4：衛(wèi)星先繞Z軸旋轉(zhuǎn)，再繞X軸旋轉(zhuǎn)：由得式中，(x,y,z)為地面目標(biāo)點(diǎn)在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系中的位置矢量，r為位置矢量(x,y,z)的絕對(duì)值。與
背景技術(shù)：
相比本發(fā)明的有益效果為：(1)基于空間幾何關(guān)系給出航天器對(duì)地觀測(cè)方程。該方法從幾何觀測(cè)出發(fā)，適應(yīng)航天器兩個(gè)姿態(tài)角可調(diào)節(jié)對(duì)地觀測(cè)的需求。(2)航天器對(duì)地實(shí)時(shí)觀測(cè)計(jì)算效率及精度高。(3)增長(zhǎng)衛(wèi)星的對(duì)地觀測(cè)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對(duì)地面目標(biāo)的凝視效果。附圖說明圖1是衛(wèi)星、地面目標(biāo)和地球空間幾何關(guān)系。圖2是已知地面目標(biāo)點(diǎn)位置衛(wèi)星J2000系位置速度求衛(wèi)星姿態(tài)角度步驟圖。具體實(shí)施方式1用到的坐標(biāo)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換1.1坐標(biāo)系的定義表1坐標(biāo)系的定義1.2定義旋轉(zhuǎn)矩陣在右旋直角坐標(biāo)系中，以坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)的坐標(biāo)變換，可以通過旋轉(zhuǎn)矩陣來表示新老坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系。定義如下三個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣：Rx(θ)=1000cosθsinθ0-sinθcosθ]]>Ry(θ)=cosθ0-sinθ010sinθ0cosθ]]>Rz(θ)=cosθsinθ0-sinθcosθ0001]]>其中RK(θ)表示繞K軸正向旋轉(zhuǎn)θ角(逆時(shí)針方向)。例，設(shè)新坐標(biāo)系由原坐標(biāo)系繞Z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ角而得，則目標(biāo)在新坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(X’,Y’,Z’)與原坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(X,Y,Z)存在如下關(guān)系：X′Y′Z′=RZ(θ)XYZ]]>1.3J2000.0慣性坐標(biāo)系和地固坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換這兩個(gè)坐標(biāo)系之間的差別是極移、地球自轉(zhuǎn)以及歲差章動(dòng)。對(duì)于J2000.0慣性坐標(biāo)系和地固系中的位置矢量rJ2000和rEG，有：rEG＝(EP)(ER)(NR)(PR)rJ2000(PR)為歲差矩陣，(NR)為章動(dòng)矩陣，(ER)為地球自轉(zhuǎn)矩陣，(EP)為極移矩陣。它們分別由下列各式表達(dá)：(EP)＝Ry(-xp)Rx(-yp)(ER)＝Rz(SG)(NR)＝Rx(-Δε)Ry(Δθ)Rz(-Δμ)(PR)＝Rz(-zA)Ry(θA)Rz(-ζA)各式中的xp,yp為極移分量，SG為格林尼治恒星時(shí)，ζA,θA,zA為歲差量，Δε,Δθ,Δμ為章動(dòng)量。1.4大地坐標(biāo)系與地固坐標(biāo)系直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換(X,Y,Z)為地固坐標(biāo)系直角坐標(biāo)；(B,L,H)為大地緯度、大地經(jīng)度、大地高程；Re＝6378137m為地球赤道半徑，ec為地球子午圈的偏心率。則X=(Re1-ec2sin2B+H)cosBcosLY=(Re1-ec2sin2B+H)cosBsinLZ=(Re1-ec2sin2B(1-ec2)+H)sinB]]>1.5J2000.0慣性坐標(biāo)系和衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換記位置矢量從J2000.0慣性坐標(biāo)系到衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為C，由衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系的定義可得轉(zhuǎn)換矩陣C的各元素為：C(3,i)=-rJ2000rJ2000]]>C(2,i)=-rJ2000×r·J2000|rJ2000×r·J2000|]]>C(1,i)＝C(2,j)×C(3,k)其中：i＝1,2,3對(duì)應(yīng)著轉(zhuǎn)換矩陣C中每個(gè)行向量的三個(gè)分量。C(1,i),C(2,j),C(3,k)分別為矩陣C中第一行、第二行和第三行的行向量。1.6衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系和衛(wèi)星本體坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換在衛(wèi)星軌道系中，定義繞X軸旋轉(zhuǎn)為滾動(dòng)角φ(也可稱為側(cè)擺)，定義繞Y軸旋轉(zhuǎn)俯仰角θ，繞Z軸旋轉(zhuǎn)偏航角：ψ，經(jīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)到衛(wèi)星本體系。根據(jù)旋轉(zhuǎn)次序不同有個(gè)定義。1.7衛(wèi)星本體坐標(biāo)系和傳感器基準(zhǔn)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換可認(rèn)為衛(wèi)星本體坐標(biāo)系和傳感器基準(zhǔn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)相同，轉(zhuǎn)換關(guān)系可根據(jù)安裝位置定義的通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)得到。傳感器安裝于衛(wèi)星本體系Z軸。2、已知地面目標(biāo)點(diǎn)位置航天器J2000系位置速度求衛(wèi)星姿態(tài)角度航天器、地面目標(biāo)和地球空間幾何關(guān)系如圖1所示，已知地面目標(biāo)點(diǎn)位置(大地坐標(biāo)系下經(jīng)度B、緯度L、高程H)，J2000坐標(biāo)系下航天器某一時(shí)刻的位置速度矢量rJ2000和速度矢量步驟如下：1)將地面目標(biāo)點(diǎn)在大地坐標(biāo)系中的經(jīng)度B、緯度L和高程H轉(zhuǎn)換為地固坐標(biāo)系中的直角坐標(biāo)；2)將地面目標(biāo)點(diǎn)在地固坐標(biāo)系中的直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地心J2000慣性坐標(biāo)系中的位置矢量robj；3)根據(jù)衛(wèi)星在地心J2000坐標(biāo)系中的位置速度矢量rJ2000和速度矢量求出地心J2000慣性坐標(biāo)系到衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；4)用轉(zhuǎn)換矩陣C將地面目標(biāo)點(diǎn)在地心J2000慣性坐標(biāo)系中的位置矢量robj轉(zhuǎn)換成衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系中的位置矢量r(x,y,z)；5)根據(jù)地面目標(biāo)點(diǎn)在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系中的位置矢量r(x,y,z)求得衛(wèi)星的姿態(tài)角，定義衛(wèi)星繞X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角為橫滾角繞Y軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角為俯仰角θ，繞Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)角為偏航角ψ；衛(wèi)星繞兩個(gè)軸旋轉(zhuǎn)，有以下四種方法可得到衛(wèi)星的姿態(tài)角；方法1：衛(wèi)星先繞Y軸旋轉(zhuǎn)，再繞X軸旋轉(zhuǎn)；由：得式中，(x,y,z)為地面目標(biāo)點(diǎn)在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系中的位置矢量，r為位置矢量(x,y,z)的絕對(duì)值；方法2：衛(wèi)星先繞X軸旋轉(zhuǎn)，再繞Y軸旋轉(zhuǎn)：由：得式中，(x,y,z)為地面目標(biāo)點(diǎn)在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系中的位置矢量，r為位置矢量(x,y,z)的絕對(duì)值；方法3：衛(wèi)星先繞Z軸旋轉(zhuǎn)，再繞Y軸旋轉(zhuǎn)：由xyz=sinθcosψsinθsinψcosθ]]>得式中，(x,y,z)為地面目標(biāo)點(diǎn)在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系中的位置矢量，r為位置矢量(x,y,z)的絕對(duì)值；方法4：衛(wèi)星先繞Z軸旋轉(zhuǎn)，再繞X軸旋轉(zhuǎn)：由得式中，(x,y,z)為地面目標(biāo)點(diǎn)在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系中的位置矢量，r為位置矢量(x,y,z)的絕對(duì)值。完成基于地面目標(biāo)點(diǎn)位置的衛(wèi)星姿態(tài)角度的計(jì)算?，F(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：已知地面目標(biāo)點(diǎn)位置(大地坐標(biāo)系下經(jīng)度B、緯度L、高程H)，J2000坐標(biāo)系下航天器某一時(shí)刻的位置速度矢量rJ2000和速度矢量按照?qǐng)D2的步驟計(jì)算出航天器的姿態(tài)角(φ,θ,ψ)。例：北京時(shí)2016年1月1日21：30航天器位置速度為/4406328.0，5117483.0，1311255.0，1699.0，448.0，-7406.0/若已知地面目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)為(B＝10.0度L＝120.0度H＝0.0米)則計(jì)算出的四種轉(zhuǎn)序的姿態(tài)角見表2。表2由地面點(diǎn)求出的四種轉(zhuǎn)序的姿態(tài)角當(dāng)前第1頁1 2 3