[发明专利]一种航天器对地表定向目标姿态角计算方法

说明书

一种航天器对地表定向目标姿态角计算方法，首先根据卫星轨道信息计算卫星在地心惯性系中的位置坐标，得到卫星指向地心的矢量在地心惯性系的值，并作为卫星指向目标矢量的初值，然后根据卫星在地心惯性系中的位置坐标计算卫星指向目标矢量与地球椭球模型球面的交点坐标，进而得到地球椭球模型在交点处切平面的负法线矢量，最后计算负法线矢量和卫星指向目标矢量的夹角，对卫星指向目标矢量进行优化，根据卫星指向目标矢量和卫星轨道信息计算得到卫星指向目标矢量在卫星轨道系中的矢量值，进而计算得到卫星对地表定向目标滚动姿态角和目标俯仰姿态角。

技术领域

本发明涉及航天器姿态确定与控制领域，特别是一种航天器对地表定向目标姿态角计算方法。

背景技术

海洋观测卫星工作载荷一般具有对地表定向的姿态控制需求。例如，海洋波谱仪是一种专门用来测量海浪方向谱的微波传感器，它工作在小入射角下，通过天线360度扫描，用于对海面进行大面积、长时间观测，从而获取海浪方向谱、风速和波高等海面参数信息。又如，高度计用于向海面垂直发射脉冲信号，并通过海面反射回波脉冲的幅值确定风速。这就要求姿态控制能够实现对地表垂直定向的功能。

在通常的卫星本体姿态坐标系定义中，Z轴的标称方向一般定义为指向地心的方向，若将地球视为理想圆球体，Z轴标称方向即与地表垂直。但由于地球实际并不是严格的球体，而更接近于椭球体，该椭球体的赤道截面为圆，子午线截面为赤道方向长半轴、南北极方向短半轴的椭圆，因此卫星与地心连线在大部分情况下并不与地表或海平面垂直。因此从这一角度出发，若要实现对地表垂直定向的功能，就需要专门计算对地表定向方向的目标滚动姿态角和俯仰姿态角，以此为目标姿态对卫星进行姿态控制，当卫星的实际滚动姿态角和俯仰姿态角与目标姿态一致时，卫星的Z轴就指向了对地表垂直定向的方向。

目前在实践中尚不存在针对该对地表定向目标姿态角计算需求的成熟算法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对对地表定向目标姿态角计算需求，提供了一种基于地球椭球体模型根据空间解析几何原理进行迭代计算的对地表定向目标姿态角计算方法，该算法可以实现的计算精度可通过事先规定的计算精度设计值参数进行调节。

本发明的技术解决方案是：一种航天器对地表定向目标姿态角计算方法，包括如下步骤：

(1)根据卫星轨道信息计算卫星在地心惯性系中的位置坐标；

(2)根据卫星轨道信息计算卫星指向地心的矢量在地心惯性系的值，并作为卫星指向目标矢量的初值；

(3)在地心惯性系构建地球椭球模型，然后根据卫星在地心惯性系中的位置坐标计算卫星指向目标矢量与地球椭球模型球面的交点坐标；

(4)根据交点坐标计算得到地球椭球模型在交点处切平面的负法线矢量；所述的负法线矢量指向地球椭球模型内部；

(5)计算负法线矢量和卫星指向目标矢量的夹角；

(6)将卫星指向目标矢量更新为步骤(4)得到的切平面负法线矢量；

(7)若步骤(5)得到的夹角小于精度阈值，则转入步骤(8)，否则转入步骤(3)，直至步骤(5)得到的夹角小于精度阈值；

(8)根据卫星指向目标矢量和卫星轨道信息计算得到卫星指向目标矢量在卫星轨道系中的矢量值，进而计算得到卫星对地表定向目标滚动姿态角和目标俯仰姿态角。

所述步骤(1)中计算卫星在地心惯性系中的坐标的方法包括如下步骤：

(1)根据卫星轨道信息包括的从地心惯性系到卫星轨道系的方向余弦阵C_OI和地心距r，计算得到卫星在地心惯性系位置坐标初值R_S为