[发明专利]低轨卫星姿态仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于摄影测量与计算机仿真领域，特别涉及低轨卫星的姿态仿真方法。

背景技术

在40-50年代，由于计算机技术的限制，只有依靠物理仿真，在美国亚利桑那大学光学中心建立了世界上第一个航空航天遥感物理仿真系统。在地面实验室里利用人造光源提供各种辐亮度和各个光谱谱段的照明条件，布置了不同背景下的各种大小尺寸靶标和军用目标模型(包括飞机、坦克、火炮等)，可以模拟卫星在轨飞行情况下的环境条件以及目标的运动等，采用可控制位置和运动模式的相机对目标按照预定的程序进行照相，以验证卫星的设计参数和成像质量。

在60年代，美国发射了多颗地球环境探测卫星，获得了大量地表、大气和地球环境的数据，这些数据为仿真实验室提供了接近真实的模型。从60年代到90年代，美国多次发射地球地理环境探测、校验和测绘卫星，用于监视和补充数据资料，修正数学模型。

80年代末期，ES公司首先在美国GE公司13个部门中的八个部门中应用了该公司的集成设计软件iSIGHT。1995年，美国NASA资助的LaRC(Landley Research Center)公布了PATCOD集成设计软件平台。美国NASA所属JPL实验室的飞行系统测试平台(Flight System Tested，FST)、Langley研究中心的SPASIM(Spacecrfat Simulation)、俄罗斯能源科学生产联合体(NPO Energiya)的综合仿真测试平台(KMC)以及德国VEGA信息技术公司开发的仿真卫星(Simulating Spacecraft)等是九十年代卫星仿真技术发展的综合反映。这些软件用于航天卫星(重点是对卫星平台等大系统)的设计和仿真。

目前国外计算机仿真技术发展很快，可以比较逼真地仿真出成像链路的特性，取得了一定成果，但是还是不能代替物理仿真。且在查到的仿真软件文献中，多数是应用成果介绍，很少见到详细的软件内容。因此发展国内的全链路仿真算法和系统来指导卫星的预研工作、从而减少物理仿真的成本是很有必要的，本发明就是涉及全链路仿真系统中比较重要的姿态仿真部分。

发明内容

本发明目的在于解决现有技术不足，提出了一种全新的低轨卫星姿态仿真方法，填补了国内在这方面的空白，为低轨卫星的预研工作提供了分析的依据。

本发明的技术方案是：对低轨卫星姿态过程进行分析，分析其标称状态下的因素以及影响其测量精度的误差因素，然后通过对这些因素进行建模，在计算机上对低轨卫星的姿态过程进行仿真。

本发明提供了一种低轨卫星标称姿态仿真方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1.1，计算三轴欧拉角速度，具体的，根据三轴姿态稳定度的设计指标，按照模拟高斯白噪声的模式模拟一组符合三轴稳定度指标的三轴欧拉姿态角速度；

步骤1.2，计算三轴欧拉角，具体的，根据三轴欧拉姿态角速度和假定景中心时刻的三轴欧拉角，根据如下公式的积分获得三轴欧拉姿态角：

其中α_t-Δt为前一时刻的三轴欧拉姿态角，为前一时刻的三轴欧拉角速度，α_t(t)为当前时刻的三轴欧拉角；

步骤1.3，生成测姿坐标系到轨道坐标系的旋转矩阵，具体的，根据设定的旋转矩阵形成顺序以及三轴欧拉角，生成测姿坐标系到轨道坐标系的旋转矩阵

步骤1.4，生成测姿坐标系到J2000的旋转矩阵，根据以下公式，计算测姿坐标系带J2000坐标系的旋转矩阵以及相应的J2000坐标系下姿态角：

其中：

式中，X_s，Y_s，Z_s和分别为卫星质心在J2000坐标系中的位置和速度；

步骤1.5，叠加星敏测姿的高频可测颤振；颤振公式如下：

ω=2πf

式中，t为采样间隔，f为颤振的频率，A为颤振的幅度，为相位角，y为颤振大小；

步骤1.6，生成本体坐标系到测姿坐标系的旋转矩阵；具体的，根据设定的旋转矩阵形成顺序以及测姿仪器三轴欧拉安装角，形成本体坐标系到测姿坐标系的旋转矩阵

步骤1.7，生成相机坐标系到本体坐标系的旋转矩阵；具体的，根据设定的旋转矩阵形成顺序以及传感器三轴欧拉安装角，生成相机坐标系到本体坐标系的旋转矩阵