基于仰角视元模型的星地快速覆盖分析方法

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30372

电子电气工程与控制

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基于仰角视元模型的星地快速覆盖分析方法

顾轶¹^,², 孙秀聪², 范黎明³, 刘升刚², 伍国华⁴()

^1.中南大学交通运输工程学院，长沙 410083
^2.北京航空航天大学宇航学院，北京 100083
^3.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094
^4.中南大学自动化学院，长沙 410083

收稿日期:2024-03-12 修回日期:2024-04-15 接受日期:2024-05-06 出版日期:2024-12-15 发布日期:2024-05-25
通讯作者: 伍国华 E-mail:guohuawu@csu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(62073341)

A rapid satellite-ground coverage analysis method based on elevation view element model

Yi GU¹^,², Xiucong SUN², Liming FAN³, Shenggang LIU², Guohua WU⁴()

^1.School of Traffic and Transportation Engineering，Central South University，Changsha 410083，China
^2.School of Astronautics，Beihang University，Beijing 100083，China
^3.Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China
^4.School of Automation，Central South University，Changsha 410083，China

Received:2024-03-12 Revised:2024-04-15 Accepted:2024-05-06 Online:2024-12-15 Published:2024-05-25
Contact: Guohua WU E-mail:guohuawu@csu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(62073341)

摘要/Abstract

摘要：

星地覆盖分析技术对于卫星通信、导航、对地观测等任务具有重要作用。本文面向卫星载荷对地覆盖需求，研究考虑地面仰角约束下的快速覆盖分析方法。首先提出了地面仰角视元模型，在此基础上建立地面仰角视元方程，并推导了该方程解析解的表达式。通过将上述结果投影到二维平面上，可以采用轨迹相交法快速求解地面仰角视场对卫星的可见窗口，即卫星满足地面仰角约束的时间范围；进而设计自适应搜索求根法在该区间内快速确定卫星对地面目标的可见窗口。基于地面仰角视元模型的可见窗口计算方法拓宽了视场映射方法计算可见性的适用范围，同时可以保证可见窗口的计算精度和计算效率。通过开展仿真试验，可以发现所提方法的可见窗口计算误差为0.01 s量级，计算效率相比传统数值方法提升了89.7%，这验证了所提出的模型和方法的有效性和高效性。

关键词: 星地覆盖分析, 仰角视元, 视场映射, 自适应搜索, 解析解

Abstract:

The technology of satellite-ground coverage analysis plays an important role in the tasks such as satellite communication, navigation, and Earth observation. Considering the demand for ground coverage by satellite payloads, this paper proposes a fast coverage analysis method with the constraints of the ground elevation angle. The view element equation of the ground elevation angle is established, and the analytical solution expression for the equation is derived. The trajectory intersection method is used to quickly solve for the visible window of the ground elevation field of view to the satellite, namely, the time interval during which the satellite satisfies the ground elevation constraints. Subsequently, an adaptive search method is designed to rapidly determine the visible window. Through simulation experiments, it can be found that the calculation error of the visible window with the proposed method is on the order of 0.01 s and the computational efficiency is improved by 89.7% as compared to traditional numerical methods, verifying the effectiveness and efficiency of the proposed model and method.

Key words: satellite-ground coverage analysis, elevation angle view element, field of view mapping, adaptive search, analytical solution

中图分类号:

V474.2

顾轶, 孙秀聪, 范黎明, 刘升刚, 伍国华. 基于仰角视元模型的星地快速覆盖分析方法[J]. 航空学报, 2024, 45(23): 330372.

Yi GU, Xiucong SUN, Liming FAN, Shenggang LIU, Guohua WU. A rapid satellite-ground coverage analysis method based on elevation view element model[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(23): 330372.

图/表 16

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

表1

表2

表3

图 6

图 7

表4

表5

图 8

表6

表7

敏度分析结果

$ε$	起始时间/s	结束时间/s	时长/s	Time/s	采样点数
0.05	28 983.208 7	29 002.114 5	18.905 9	0.345	92
	29 200.957 9	29 220.056 5	19.098 7
	34 783.420 3	35 017.391 6	233.971 3
	77 678.343 8	77 881.273 5	202.929 7
0.01	28 983.205 4	29 002.119 0	18.913 6	0.623	429
	29 200.959 8	29 220.059 8	19.099 9
	34 783.412 4	35 017.392 1	233.979 7
	77 678.340 6	77 881.274 0	202.933 4
0.005	28 983.205 4	29 002.119 0	18.913 6	1.033	858
	29 200.959 8	29 220.059 8	19.099 9
	34 783.412 4	35 017.392 1	233.979 7
	77 678.340 6	77 881.274 0	202.933 4
0.001	28 983.205 4	29 002.119 0	18.913 6	4.578	4 301
	29 200.959 8	29 220.059 8	19.099 9
	34 783.412 4	35 017.392 1	233.979 7
	77 678.340 6	77 881.274 0	202.933 4

表7

图 9

参考文献 30

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

半锥角/（°）	轨迹相交法/s			STK/s			误差/s
半锥角/（°）	起始时间	结束时间	时长	起始时间	结束时间	时长	误差/s
80	28 889.737 1	29 317.219 9	427.482 8	28 889.728 7	29 317.167 4	427.438 7	0.030 4
	34 671.085 9	35 133.833 6	462.747 7	34 671.062 8	35 133.797 9	462.735 1	0.029 4
	77 507.261 3	78 048.524 0	541.262 7	77 507.219 3	78 048.459 7	541.240 4	0.053 2
70	29 017.106 4	29 188.678 6	171.572 2	29 017.116 7	29 188.622 1	171.505 4	0.033 4
	34 781.673 1	35 021.4570	239.783 9	34 781.638 2	35 021.434 7	239.796 5	0.028 6
	77 592.132 5	77 965.1597	373.027 2	77 592.081 0	77 965.092 3	373.011 2	0.059 5

半锥角/（°）	轨迹相交法/s			STK/s			误差/s
半锥角/（°）	起始时间	结束时间	时长	起始时间	结束时间	时长	误差/s
80	11 969.795 7	12 165.460 8	195.665 1	11 969.871 2	12 165.407 5	195.536 3	0.064 4
	17 565.698 9	18 050.128 1	484.429 2	17 565.698 4	18 050.096 9	484.398 4	0.015 9
	23 334.699 4	23 876.949 4	542.250 0	23 334.695 9	23 876.924 4	542.228 5	0.014 2
	29 315.759 6	29 624.284 1	308.524 5	29 315.761 6	29 624.248 9	308.487 3	0.018 6
	65 440.131 6	65 800.174 9	360.043 3	65 440.075 9	65 800.107 3	360.031 3	0.061 7
	71 203.896 4	71 750.191 4	546.295 0	71 203.842 7	71 750.121 7	546.279 0	0.061 7
	77 035.120 3	77 502.009 3	466.889 0	77 035.082 2	77 501.926 3	466.844 1	0.060 5
	82 938.299 9	83 068.779 1	130.479 2	82 938.364 5	83 068.582 0	130.217 5	0.130 9
70	17 666.441 5	17 948.402 2	281.960 7	17 666.440 9	17 948.371 2	281.930 3	0.015 8
	23 420.296 9	23 790.018 1	369.721 2	23 420.285 8	23 789.994 7	369.708 9	0.017 3
	71 289.611 9	71 665.792 4	376.180 5	71 289.564 9	71 665.734 9	376.170 0	0.052 2
	77 143.714 8	77 394.359 6	250.644 8	77 143.683 5	77 394.283 3	250.599 9	0.053 8

半锥角/（°）	自适应搜索求根法/s				STK/s			误差/s
半锥角/（°）	起始时间	结束时间	时长	Time	起始时间	结束时间	时长	误差/s
60	28 979.255 2	29 224.194 1	244.939 0	0.547	28 979.310 1	29 224.140 5	244.830 4	0.054 3
	34 750.741 2	35 049.974 1	299.232 9		34 750.762 0	35 049.959 1	299.197 0	0.017 9
	77 573.325 8	77 986.205 0	412.879 2		77 573.337 2	77 986.193 5	412.856 3	0.011 5
65	28 952.949 3	29 253.354 3	300.405 0	0.635	28 952.935 8	29 253.334 6	300.398 8	0.016 6
	34 729.031 7	35 074.880 1	345.848 4		34 728.994 2	35 074.870 5	345.876 3	0.023 5
	77 554.628 1	78 002.008 3	447.380 2		77 554.573 1	78 001.958 1	447.385 1	0.052 6

半锥角/（°）	自适应搜索求根法/s				STK/s			误差/s
半锥角/（°）	起始时间	结束时间	时长	Time	起始时间	结束时间	时长	误差/s
55/45	28 983.205 4	29 002.119 0	18.913 6	0.623	28 983.207 4	29 002.092 3	18.884 9	0.014 4
	29 200.959 8	29 220.059 8	19.099 9		29 200.985 1	29 220.056 2	19.071 2	0.014 4
	34 783.412 4	35 017.392 1	233.979 7		34 783.412 9	35 017.392 6	233.979 7	0.000 5
	77 678.340 6	77 881.274 0	202.933 4		77 678.345 3	77 881.266 0	202.920 7	0.006 3
65/55	28 952.949 3	29 253.354 3	300.405 0	0.592	28 952.935 8	29 253.334 6	300.398 8	0.016 6
	34 729.031 7	35 074.880 1	345.848 4		34 728.994 2	35 074.870 5	345.876 3	0.023 5
	77 623.547 9	77 935.989 9	312.441 9		77 623.550 5	77 935.986 2	312.435 7	0.003 1

半锥角/（°）	暴力法计算结果/s
半锥角/（°）	起始时间	结束时间	起始误差	结束误差	Time
圆锥60	28 979.249 3	29 224.149 3	-0.060 8	0.008 8	5.744
	34 750.731 7	35 049.931 7	-0.030 3	-0.027 4
	77 573.228 1	77 986.128 1	-0.109 1	-0.065 4
矩形55/45	28 983.149 3	29 002.049 3	-0.058 1	-0.043 0	6.164
	29 200.949 3	29 220.049 3	-0.035 8	-0.006 9
	34 783.331 7	35 017.331 7	-0.081 2	-0.060 9
	77 678.328 1	77 881.228 1	-0.017 2	-0.037 9
圆锥65	28 952.949 3	29 253.249 3	0.013 5	-0.085 3	5.570
	34 729.031 7	35 074.731 7	0.037 5	-0.138 8
	77 554.628 1	78 001.828 1	0.055 0	-0.130 0
矩形65/55	28 952.949 3	29 253.2493	0.013 5	-0.085 3	5.794
	34 729.031 7	35 074.731 7	0.037 5	-0.138 8
	77 623.528 1	77 935.9281	-0.022 4	-0.058 1

基于仰角视元模型的星地快速覆盖分析方法

A rapid satellite-ground coverage analysis method based on elevation view element model

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