本发明公开了一种基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，包括：基于地心角构建地心地固坐标系下的卫星载荷可见性几何模型；根据几何模型计算地面圆形区域半径对应的地心角；根据几何模型和卫星参数计算卫星圆锥载荷视场对应的地心角；计算不同时刻点对应的地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角；判断卫星对地面圆形区域的载荷可见性，若满足，则输出对应的时刻点集合。本发明利用地心角构建了卫星载荷可见性几何模型，通过几何关系可以快速计算卫星对地面圆形目标区域的可见性窗口时段，实现了卫星过境的快速预报，且计算少，计算速度较高；且无需获取卫星的具体载荷参数，适合在实际中使用。
1.一种基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，包括：S1：基于地心角构建地心地固坐标系下的卫星载荷可见性几何模型；其中，所述卫星载荷可见性几何模型为地心、地平面、卫星质心、卫星侧摆角、地面圆形区域半径对应的地心角、地心与卫星质心的连线、地面圆形区域的圆心位置与地心的连线、以及各个连线之间的夹角所形成的几何关系；
S2：根据所述几何模型计算地面圆形区域半径对应的地心角 ；
S3：根据所述几何模型和卫星参数计算卫星圆锥载荷视场对应的地心角 ；
S4：计算不同时刻点对应的地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角 ；
S5：判断卫星对地面圆形区域的载荷可见性，若满足 ，则输出对应的时刻点集合。
2.根据权利要求1所述的基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，在步骤S2中，地面圆形区域半径对应的地心角 的计算公式如下：其中， 为地面圆区域的半径， 为地球半径。
3.根据权利要求1所述的基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，步骤S3包括：S31：获取卫星的TLE根数以及卫星侧摆角 ，并根据卫星的TLE根数计算卫星空间位置信息；
S32：基于所述几何模型，利用卫星侧摆角 和卫星空间位置信息计算卫星质心、卫星在地面载荷圆边界点连线与地心、卫星在地面载荷圆边界点连线形成的夹角 ；
S33：根据夹角 计算卫星圆锥载荷视场对应的地心角 。
4.根据权利要求3所述的基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，所述卫星空间位置信息采用大地坐标系表示，其包括经度信息、纬度信息和高度信息。
5.根据权利要求3所述的基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，在步骤S32中，卫星质心、卫星在地面载荷圆边界点连线与地心、卫星在地面载荷圆边界点连线形成的夹角 的计算公式为：其中， 为地球半径， 为卫星空间位置信息中的高度信息， 为卫星侧摆角。
6.根据权利要求3所述的基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，在步骤S33中，卫星圆锥载荷视场对应的地心角 的计算公式为：其中， 为卫星侧摆角， 为卫星质心、卫星在地面载荷圆边界点和地心的夹角。
7.根据权利要求1所述的基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，步骤S4包括：S41：将卫星空间位置信息和地面圆形区域的圆心位置信息由大地坐标系转换为地心地固坐标系表示；
S42：根据几何关系计算不同时刻点地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角 。
8.根据权利要求7所述的基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，在步骤S41中，进行坐标系转换的公式为：其中，x、y、z分别表示地心地固坐标系下的位置信息， 为地球半径， 、 、 分别表示大地坐标系下的高度信息、纬度信息和高度信息。
9.根据权利要求8所述的基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，其特征在于，在步骤S42中，地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角 的计算公式为：其中， 分别表示卫星在地心地固坐标系下的位置信息， 分别表示地面圆形区域的圆心在地心地固坐标系下的位置信息， 表示为卫星空间位置信息中的高度信息， 表示地面圆形区域的圆心的高度信息。
基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法
技术领域
[0001] 本发明属于卫星过境预报技术领域，具体涉及一种基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法。
背景技术
[0002] 在宇宙空间，有各种形状和不同大小的人造地球卫星在不停地运行，它们担负着侦察敌情、传送信息、探测地球资源等任务。卫星经过地面目标区域时，在视场约束下可以观测目标的时间范围称为可见时间窗口。它是卫星对地面目标执行观测任务的基础，任何观测任务都必须在可见窗口内执行，时间窗口计算具有重要的意义，可以为地面目标提供卫星过境时段。
[0003] 目前，计算卫星观测区域目标的可见时间窗口还没有高效的通用算法，跟踪传播法是计算卫星可见性的传统方法，其利用较小的离散时间步长预报卫星轨道位置，并在每一个离散时间步长判断卫星对目标点的可见性，进而得到卫星对目标的可见时间窗口。
[0004] 然而，上述方法计算量较大，导致其效率较低。此外，对于空间一些非合作卫星，由于其载荷参数难以获取，限制了该方法在实际中的应用。
发明内容
[0005] 为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0006] 一种基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法，包括：
[0007] S1：基于地心角构建地心地固坐标系下的卫星载荷可见性几何模型；其中，所述卫星载荷可见性几何模型为地心、地平面、卫星质心、卫星侧摆角、地面圆形区域半径对应的地心角、地心与卫星质心的连线、地面圆形区域的圆心位置与地心的连线、以及各个连线之间的夹角所形成的几何关系；
[0008] S2：根据所述几何模型计算地面圆形区域半径对应的地心角 ；
[0009] S3：根据所述几何模型和卫星参数计算卫星圆锥载荷视场对应的地心角 ；
[0010] S4：计算不同时刻点对应的地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角 ；
[0011] S5：判断卫星对地面圆形区域的载荷可见性，若满足 ，则输出对应的时刻点集合。
[0012] 在本发明的一个实施例中，在步骤S2中，地面圆形区域半径对应的地心角 的计算公式如下：
[0013]
[0014] 其中， 为地面圆区域的半径， 为地球半径。
[0015] 在本发明的一个实施例中，步骤S3包括：
[0016] S31：获取卫星的TLE根数以及卫星侧摆角 ，并根据卫星的TLE根数计算卫星空间位置信息；
[0017] S32：基于所述几何模型，利用卫星侧摆角 和卫星空间位置信息计算卫星质心、卫星在地面载荷圆边界点连线与地心、卫星在地面载荷圆边界点连线形成的夹角 ；
[0018] S33：根据夹角 计算卫星圆锥载荷视场对应的地心角 。
[0019] 在本发明的一个实施例中，所述卫星空间位置信息采用大地坐标系表示，其包括经度信息、纬度信息和高度信息。
[0020] 在本发明的一个实施例中，在步骤S32中，卫星质心、卫星在地面载荷圆边界点连线与地心、卫星在地面载荷圆边界点连线形成的夹角 的计算公式为：
[0021]
[0022] 其中， 为地球半径， 为卫星空间位置信息中的高度信息， 为卫星侧摆角。
[0023] 在本发明的一个实施例中，在步骤S33中，卫星圆锥载荷视场对应的地心角 的计算公式为：
[0024]
[0025] 其中， 为卫星侧摆角， 为卫星质心、卫星在地面载荷圆边界点和地心的夹角。
[0026] 在本发明的一个实施例中，步骤S4包括：
[0027] S41：将卫星空间位置信息和地面圆形区域的圆心位置信息由大地坐标系转换为地心地固坐标系表示；
[0028] S42：根据几何关系计算不同时刻点地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角 。
[0029] 在本发明的一个实施例中，在步骤S41中，进行坐标系转换的公式为：
[0030]
[0031] 其中，x、y、z分别表示地心地固坐标系下的位置信息， 为地球半径， 、 、分别表示大地坐标系下的高度信息、纬度信息和高度信息。
[0032] 在本发明的一个实施例中，在步骤S42中，地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角 的计算公式为：
[0033]
[0034] 其中， 分别表示卫星在地心地固坐标系下的位置信息，分别表示地面圆形区域的圆心在地心地固坐标系下的位置信息， 表示为卫星空间位置信息中的高度信息， 表示地面圆形区域的圆心的高度信息。
[0035] 本发明的有益效果：
[0036] 1、本发明利用地心角构建了卫星载荷可见性几何模型，通过几何关系可以快速计算卫星对地面圆形目标区域的可见性窗口时段，实现了卫星过境的快速预报，且计算量少，计算速度较高；
[0037] 2、本发明提供的方法无需获取卫星的具体载荷参数，仅使用卫星的TLE根数以及卫星侧摆角即可实现载荷过境判断，适合在实际中使用。
[0038] 以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0039] 图1是本发明实施例提供的一种基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法流程示意图；
[0040] 图2是本发明实施例提供的地心地固坐标系下的卫星载荷可见性几何模型示意图。
具体实施方式
[0041] 下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0042] 实施例一
[0043] 请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于地心角的地面圆形区域卫星过境快速预报方法流程示意图，其包括：
[0044] S1：基于地心角构建地心地固坐标系下的卫星载荷可见性几何模型。
[0045] 具体的，该卫星载荷可见性几何模型为地心、地平面、卫星质心、卫星侧摆角、地面圆形区域半径对应的地心角、地心与卫星质心的连线、地面圆形区域的圆心位置与地心的连线、以及各个连线之间的夹角所形成的几何关系。请参见图2，图2是本发明实施例提供的地心地固坐标系下的卫星载荷可见性几何模型示意图，其中， O表示地心，Oa表示地面圆形区域的圆心，r表示地面圆形区域半径，D1和D2表示地面圆形区域边界点，S表示卫星质心，Os表示卫星质心与地心O连线与地平面的交点， P1和P2表示载荷地面侦照范围的边界点，也即卫星圆锥载荷视场在地面的视场， 表示卫星侧摆角， 表示地面圆形区域半径对应的地心角， 表示卫星圆锥载荷视场对应的地心角， 表示地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角，Re表示地球半径，R为卫星距离地心的距离。
[0046] S2：根据几何模型计算地面圆形区域半径对应的地心角 。
[0047] 具体的，根据图2中的几何关系，采用弧度公式可得：
[0048]
[0049] S3：根据几何模型和卫星参数计算卫星圆锥载荷视场对应的地心角 。
[0050] S31：获取卫星的TLE根数以及卫星侧摆角 ，并根据卫星的TLE根数计算卫星空间位置信息。
[0051] TLE根数也即轨道根数，其又称轨道要素或者轨道参数，是用来描述卫星在其轨道运行状态的一组参数，可以通过公开的资料直接获得。此外，卫星的侧摆角信息也可以根据不同的卫星直接获得。
[0052] 在本实施例中，可通过获取的卫星TLE根数来计算卫星的空间位置信息，其可以采用大地坐标系表示，具体包括经度信息、纬度信息和高度信息，分别记为 。
[0053] 需要说明的是，关于如何根据卫星的TLE根数计算卫星空间位置，可参考现有的相关技术，本实施例在此不做详细描述。
[0054] S32：基于上述几何模型，利用卫星侧摆角 和卫星空间位置信息计算卫星质心、卫星在地面载荷圆边界点连线与地心、卫星在地面载荷圆边界点连线形成的夹角 。
[0055] 具体的，根据三角形性质可知，卫星质心、卫星在地面载荷圆边界点连线与地心、卫星在地面载荷圆边界点连线形成的夹角 和侦察卫星载荷视场角 满足下式：
[0056]
[0057] 由于 为钝角，因此可用下式求得：
[0058]
[0059] S33：根据夹角 计算卫星圆锥载荷视场对应的地心角 。
[0060] 具体的，根据几何关系，卫星圆锥载荷视场对应的地心角 为：
[0061]
[0062] S4：计算不同时刻点对应的地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角 。
[0063] S41：将卫星空间位置信息和地面圆形区域的圆心位置信息由大地坐标系转换为地心地固坐标系表示。
[0064] 具体的，在大地坐标系下，假设某一时刻t对应的地面圆形区域的圆心位置用经纬高表示为 ，卫星的位置信息表示为 ，则利用坐标转换公式将这两个位置信息采用地心地固坐标系表示为 和 ，其中，转换公
式如下：
[0065]
[0066] 其中，x、y、z分别表示地心地固坐标系下的位置信息， 为地球半径， 、 、分别表示大地坐标系下的高度信息、纬度信息和经度信息。
[0067] S42：根据几何关系计算不同时刻点地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角 。
[0068] 具体的，在当前时刻t，根据图2所示的几何关系可得：
[0069]
[0070] 其中， 为地心到圆心矢量， 为地心到卫星质心矢量。
[0071] 则 可表示为：
[0072]
[0073] 对于不同的时刻 ，均可按照上述公式计算得到角度 。
[0074] 需要说明的是，由于卫星在不同时刻的空间位置信息不同，因此需要根据不同的位置信息得到不同时刻的角度 。
[0075] S5：判断卫星对地面圆形区域的载荷可见性，若满足 ，则输出对应的时刻点集合。
[0076] 具体的，将满足载荷可见的时刻点集合整理即可得到可见性时段。
[0077] 本发明利用地心角构建了卫星载荷可见性几何模型，通过几何关系可以快速计算卫星对地面圆形目标区域的可见性窗口时段，实现了卫星过境的快速预报，且计算少，计算速度较高。此外，本发明提供的方法无需获取卫星的具体载荷参数，仅使用卫星的TLE根数以及卫星侧摆角即可实现载荷过境判断，适合在实际中使用。
[0078] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
