多测站情况下GEO卫星激光反射器的斜置角度确定方法

摘要

多测站情况下GEO卫星激光反射器的斜置角度确定方法，首先根据各地面激光测站位置计算出地面光学中心，使光学中心在地球球面上距离各地面激光测站的距离相等；再根据卫星轨位和地面光学中心位置，确定激光反射器在卫星本体中二次斜置的角度，使激光反射器反射面法线指向地面光学中心。对多颗卫星而言，分别计算出每颗卫星激光反射器的二次斜置角度，再进行归一化处理、激光入射角复核和斜置支架设计，能够统一多颗卫星的激光反射器的技术状态，以利于批产和互换。

权利要求

1.多测站情况下GEO卫星激光反射器的斜置角度确定方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据地面各激光测站的位置，计算得到地面光学中心；所述的地面光学中心与各个激光测站的地心夹角相等；计算地面光学中心的方法为：首先根据激光测站的经度和纬度分别确定激光测站在直角坐标系中的坐标位置，然后以地面光学中心在所述直角坐标系中的坐标位置为求解变量，以各个激光测站与地面光学中心的地心夹角相等建立非线性方程组，随后通过求解非线性方程组得到地面光学中心在所述直角坐标系中的坐标位置，通过坐标变换得到地面光学中心的经度和纬度；

(2)获取各GEO卫星的轨道位置，对于各GEO卫星，均进行以下相同的操作：

(21)将GEO卫星激光反射器沿卫星本体坐标系的Y轴进行一次斜置，使激光反射器的法线指向的地面星下点轨迹沿赤道东进，直至地面星下点处于以GEO卫星位置为顶点、以卫星本体坐标系的X轴为垂轴、以地面光学中心和GEO卫星的连线为母线形成的圆锥面上，记一次偏置角度为αk，k＝1，2，......n，n为全部GEO卫星的个数；

(22)将GEO卫星激光反射器沿卫星本体坐标系的X轴进行二次斜置，直至激光反射器的法线指向的地面星下点与地面光学中心重合，记二次偏置角度为βk；

(3)对各GEO卫星激光反射器的斜置角度进行归一化，使得每颗GEO卫星激光反射器两次斜置的角度分别为(αk′，βk′)，(αk′，βk′)的计算公式为(4)对各GEO卫星激光反射器的有效反射面积进行复核，判断每颗GEO卫星的激光反射器按照(αk′，βk′)两次斜置后，各个激光测站所发射的激光的入射角是否满足要求，如果满足要求则每颗GEO卫星的激光反射器按照各自的(αk′，βk′)进行斜置；如果不满足则将所有不满足要求的GEO卫星归为一组，重新执行步骤(3)对这一组GEO卫星激光反射器的斜置角度进行归一化直至每颗GEO卫星的激光反射器经过两次斜置后，各个激光测站所发射的激光的入射角满足要求，每颗GEO卫星的激光反射器按照满足要求的角度进行斜置。

说明书

多测站情况下GEO卫星激光反射器的斜置角度确定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种位于不同轨道位置(对应不同地理经度的星下点位置)的GEO卫星光学观测产品的斜装角度设计方法及其实现。

背景技术

[0002] GEO卫星已经广泛应用于导航、通信、广播、气象等领域，其轨道位置的确定主要是根据用户的具体需求来确定的，需要考虑覆盖区域、信号频率等因素。卫星导航系统中，GEO卫星具有极其重要的地位，尤其是对具有区域服务能力需求的系统而言。GEO卫星为了提供精密的位置服务，需要进行精密轨道确定，而精密激光测距是经常采用的方法。通过地面激光测站发射激光，并接收星载激光反射器反射的激光，记录激光发射和接收时刻，进行GEO卫星的轨道测量。

[0003] 类圆台激光反射器为低轨卫星经常采用的构型，与低轨卫星不同，GEO类的中高轨卫星均采用平面阵列形式的激光反射器。GEO卫星的星下点在赤道附近，安装在GEO卫星对地面上的激光反射器在未斜置情况下，其法线方向指向赤道附近，并穿过地心。因此，GEO卫星在轨道位置选择时虽然考虑了覆盖区域等要求，但是依然会造成激光反射器有效反射面积减少。所以，GEO卫星上放置的光学产品一般可以进行斜置设计。

[0004] 长期以来，航天型号任务都是针对单颗卫星开展研制的，每次设计只用于一颗卫星的生产，产品的技术状态也是唯一确定的。随着航天任务的复杂度不断提高，依靠单颗卫星已不能满足需求，采用多星组网构成星座来实现更高的用户需求成为一种解决方案。因此，现有的依据单一特定任务对单颗卫星进行的光学产品斜置设计方法已经无法满足用户更高的需求。

发明内容

[0005] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种针对GEO卫星激光反射器的二次斜置角度确定方法，可以显著减小各测站发射激光相对于激光反射器的入射角，增加激光反射器的有效反射面积，同时对批产单机具有普遍的适用性。

[0006] 本发明的技术解决方案是：多测站情况下GEO卫星激光反射器的斜置角度确定方法，步骤如下：

[0007] (1)根据地面各激光测站的位置，计算得到地面光学中心；所述的地面光学中心与各个激光测站的地心夹角相等；

[0008] (2)获取各GEO卫星的轨道位置，对于各GEO卫星，均进行以下相同的操作：

[0009] (21)将GEO卫星激光反射器沿卫星本体坐标系的Y轴进行一次斜置，使激光反射器的法线指向的地面星下点轨迹沿赤道东进，直至地面星下点处于以GEO卫星位置为顶点、以卫星本体坐标系的X轴为垂轴、以地面光学中心和GEO卫星的连线为母线形成的圆锥面上，记一次偏置角度为αk，k＝1，2，......n，n为全部GEO卫星的个数；

[0010] (22)将GEO卫星激光反射器沿卫星本体坐标系的X轴进行二次斜置，直至激光反射器的法线指向的地面星下点与地面光学中心重合，记二次偏置角度为βk；

[0011] (3)对各GEO卫星激光反射器的斜置角度进行归一化，使得每颗GEO卫星激光反射器两次斜置的角度分别为(αk′，βk′)，(αk′，βk′)的计算公式为[0012]

[0013] (4)对各GEO卫星激光反射器的有效反射面积进行复核，判断每颗GEO卫星的激光反射器按照(αk′，βk′)两次斜置后，各个激光测站所发射的激光的入射角是否满足要求，如果满足要求则每颗GEO卫星的激光反射器按照各自的(αk′，βk′)进行斜置；如果不满足则将所有不满足要求的GEO卫星归为一组，重新执行步骤(3)对这一组GEO卫星激光反射器的斜置角度进行归一化直至每颗GEO卫星的激光反射器经过两次斜置后，各个激光测站所发射的激光的入射角满足要求，每颗GEO卫星的激光反射器按照满足要求的角度进行斜置。

[0014] 所述的计算地面光学中心的方法为：首先根据激光测站的经度和纬度分别确定激光测站在直角坐标系中的坐标位置，然后以地面光学中心在所述直角坐标系中的坐标位置为求解变量，以各个激光测站与地面光学中心的地心夹角相等建立非线性方程组，随后通过求解非线性方程组得到地面光学中心在所述直角坐标系中的坐标位置，通过坐标变换得到地面光学中心的经度和纬度。

[0015] 本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法根据多个激光测站的地理经度和纬度，通过计算地面光学中心，确定平面阵列分布激光反射器的法向指向方向，并计算出所需二次斜置的角度需求，再通过归一化设计方法，确定适应多颗GEO卫星斜置方案，并进行激光入射角的复核。由此可以实现多颗卫星激光反射器对多个地面测站的指向优化，减小地面站发射激光相对于激光反射器的入射角，增加反射器有效反射面积，提高多个测站的激光观测条件以满足激光测距的需求，同时统一了多颗卫星激光反射器的设计状态，有利于激光反射器的生产加工，保证反射器的互换性，达到适应批产单机研制要求的目的。

附图说明

[0016] 图1为本发明方法的流程框图；

[0017] 图2为本发明方法中地面光学中心的同心圆确定示意图；

[0018] 图3为本发明方法中激光反射器二次旋转斜置示意图。

具体实施方式

[0019] 对于服务于我国及周边区域的多颗GEO导航卫星而言，我国国土范围很大，按照目前的观测要求，为了实现多站联合观测，必须具有较好的地面观测站的几何分布。但是，部分GEO卫星轨位对某些激光测站的观测条件较差，甚至可能不能满足激光入射角的要求，也就不能完成对某颗卫星激光反射器的观测。例如，轨道位置偏西的激光测站在测量地理经度偏东GEO卫星激光反射器可能会面临上述问题，反之也成立。同样原因，地理纬度很高的测站测量GEO卫星也会面临这样的问题。同时，一颗GEO卫星上安装的激光反射器也要兼顾地理经纬度不同的多个测站。

[0020] 因此，为了适应多个轨位的GEO卫星激光观测需求，减小激光入射角，增大有效反射面积，对GEO卫星上安装的激光反射器进行斜置是较为适宜采用的方法。不同的GEO卫星轨道位置对应不同地理经度的星下点位置。一般对于同一颗GEO卫星而言，为了满足对同一卫星的观测几何较好的要求，可能会有多个地面激光观测站进行观测，且尽可能采取几何分布较好的测站分布。

[0021] GEO卫星激光反射器一般安装于对地面上，作为无源器件，通过反射地面测站发射的激光信号完成精密轨道测量任务。可采用以下方案增加GEO卫星激光反射器的有效反射面积：

[0022] 根据各个激光观测站的地理经度和纬度，确定“地面光学中心”。“地面光学中心”应满足到各个测站的球面距离最短的原则，对于三个地面观测站而言，“地面光学中心”到各个测站的球面距离相等，对于多个测站而言，确定“地面光学中心”的三个测站就是位于所有测站最大外切圆的三个测站，也就是三站位于地球球面上三站确定的圆上，而“地面光学中心”为圆的球面几何中心。见附图2，O’为地面站S1、S2、S3对应的光学中心，三个测站与“地面光学中心”形成的地心夹角相等。

[0023] “地面光学中心”的计算方法为：首先根据三个测站的经纬度分别确定测站在地心固连赤道直角坐标系中的坐标位置，设x、y、z为直角坐标，θ为纬度，λ为经度，R为地球半径，则经纬度与直角坐标的转换关系如下：

[0024]

[0025] 以“地面光学中心”的直角坐标为求解变量，分别建立地面光学中心与各测站之间相对地心张角的关系式，并以三个测站与“地面光学中心”的地心张角相等建立非线性方程组。通过求解非线性方程得到“地面光学中心”的直角坐标，再通过上述坐标转换关系求出相应的经纬度，“地面光学中心”就是各个GEO卫星激光反射器法向指向的位于地球表面上的点。

[0026] 以喀什、三亚和北京三站而言，其地理经纬度见下表。通过上述方法求解得到的“地面光学中心”为我国中部某点(东经96°，北纬32°)，此时，各星上的激光反射器均可获得较小的入射角。

[0027] 表1通过三个我国激光测站求解“光学中心”

[0028]激光测站 经度(东经) 纬度(北纬)
北京 116° 40°
喀什 75.5° 39°
三亚 109° 18°
光学中心 96° 32°

[0029] 通过上述方法求得“地面光学中心”之后，为了使星上激光反射器指向“地面光学中心”，可以采用激光反射器“二次斜置”的方法。

[0030] 激光观测站的位置分布在我国国土内，按照测站的分布情况，一般确定“地面光学中心”在我国的中部地区，为了使星上激光反射器指向“地面光学中心”(见附图3)，需要沿星体Y轴进行一次斜置(东西向偏置)，使激光反射器法线指向的地面星下点由P0点沿赤道东进至P1点，其中P1点处于以卫星位置为顶点、以卫星本体X轴为垂轴，以“地面光学中心”和卫星连线为母线形成的圆锥面上，偏置角度为α。之后沿星体X轴进行二次斜置(向北偏置)，直至激光反射器法线指向由P1点向北移动到“地面光学中心”，偏置角度为β。通过斜置每个测站均获得了更小的激光入射角，具有更好的观测效果。

[0031] 卫星本体坐标系是与卫星本体固连的直角坐标系，当GEO卫星在轨正常运行时，卫星本体坐标系的原点为卫星质心，X轴为卫星前进方向，Z轴由卫星指向地心，Y轴与其余两轴符合右手定则。

[0032] 对于服务于我国的GEO卫星而言，“地面光学中心”位于我国国土中部，则所有激光反射器必然北向斜置，有β＞0。而由于GEO卫星沿赤道方向在“地面光学中心”两侧“相对均匀”分布的特点，决定了星载激光反射器沿“地面光学中心”东西两侧分别斜置的特点，即对于“西星”，有α＞0；对于“东星”，有α＜0。

[0033] 以东经80°的GEO卫星为例，在不斜置的情况下，激光反射器法线指向赤道与东经80°经线的交点，为了使其指向东经96°和北纬32°的“地面光学中心”，激光反射器首先沿星本体Y轴向东斜置2.3°，使反射器法线指向沿赤道向东移动到东经93.1°位置，之后反射器再沿星本体X轴斜置5.2°，使其法线指向地面光学中心。

[0034] 对于批产卫星而言，激光反射器作为单机，斜置支架如采用类似设计，具有相同的技术状态有助于产品管理，便于实现批产。因此，在兼顾保证一定的有效反射面积的前提下，进行“归一化”设计，可以将多个轨位的GEO卫星激光反射器归类化设计，统一技术状态。

[0035] “归一化”设计方法采用“多点平均、复核”的设计思路，对于n颗GEO卫星而言，要使其反射器法线指向光学中心，各卫星两次斜置角度分别为α1，α2，…，αk，…αn和β1，β2，…，βk，…βn，则归一化后的每颗卫星激光反射器的斜置角度(αk′，βk′)分别为：

[0036]

[0037] 复核每颗卫星按照归一化的角度斜置后相对每个测站激光的入射角，如果入射角满足要求，则此卫星激光反射器可按照归一化的斜置角度设计斜置支架；如果入射角不满足要求，则把所有不满足要求的激光反射器单独作为一组，将其斜置角度按照上述方法重新归一化，可得到这一组激光反射器的新的归一化斜置角度，如此反复直至完成全部激光反射器斜置角度的归一化和复核。

[0038] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。