天问一号星下点太阳高度角在轨实时计算方法

吴凡路; 闫得杰; 姬琪; 王栋; 董吉洪

doi:10.37188/OPE.20223002.0210

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

天问一号星下点太阳高度角在轨实时计算方法

更新时间：2022-02-19

- 天问一号星下点太阳高度角在轨实时计算方法
- On-orbit real-time calculation method of solar elevation angle of sub-satellite point of Tianwen-1
- 光学精密工程 2022年30卷第2期页码：210-216
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
  2.中国科学院月球与深空探测重点实验室，北京 100101
- 作者简介：
  
  [ "吴凡路（1988-），男，安徽宿州人，博士，助理研究员，2011年于长春理工大学获得学士学位，2014年于中国科学院大学获得硕士学位，2018年于天津大学获得博士学位，主要从事月球与行星科学、深空探测光学载荷总体论证、月球与行星光学探测数据处理、计算机视觉与图像处理等方面的研究。E-mail： flwu@ciomp.ac.cn" ]
  [ "董吉洪（1972-），男，吉林长春人，本科，研究员，硕士生导师，1995年于中国科学技术大学获得学士学位，主要从事空间光学遥感器光机总体设计等方面的研究。E-mail： dongjihong@ciomp.ac.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金青年科学基金项目(42001345);中国科学院月球与深空探测重点实验室开放基金项目(LDSE201901)
- DOI：10.37188/OPE.20223002.0210
  中图分类号： V476.4;V445.8
- 收稿日期：2021-07-08，
  
  修回日期：2021-08-11，
  
  纸质出版日期：2022-01-25
- 稿件说明：
移动端阅览
吴凡路,闫得杰,姬琪等.天问一号星下点太阳高度角在轨实时计算方法[J].光学精密工程,2022,30(02):210-216.

WU Fanlu,YAN Dejie,JI Qi,et al.On-orbit real-time calculation method of solar elevation angle of sub-satellite point of Tianwen-1[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(02):210-216.
吴凡路,闫得杰,姬琪等.天问一号星下点太阳高度角在轨实时计算方法[J].光学精密工程,2022,30(02):210-216. DOI： 10.37188/OPE.20223002.0210.

WU Fanlu,YAN Dejie,JI Qi,et al.On-orbit real-time calculation method of solar elevation angle of sub-satellite point of Tianwen-1[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(02):210-216. DOI： 10.37188/OPE.20223002.0210.

摘要

由于太阳高度角和地面景物反射率等条件的变化，天问一号火星环绕器光学成像载荷在轨工作期间入瞳辐亮度变化范围很大，为了达到最佳的成像效果，需要光学成像载荷具备在轨自适应调整增益的能力。太阳高度角是设置时间延时积分电荷耦合器件积分级数的重要参数之一，积分级数是调整增益需要调整的主要参数。针对在轨工作期间太阳高度角实时变化、星历表文件较大等问题，本文提出一种基于傅里叶拟合的火星环绕器星下点太阳高度角在轨实时计算方法。首先，基于最小二乘原理采用8阶傅里叶逼近对火星惯性坐标系下太阳矢量的

，

坐标进行拟合，获得以时间作为变量的拟合方程。其次，根据制导、导航与控制系统发送的轨道参数获得火星惯性坐标系下环绕器的实时坐标。最后，基于夹角余弦公式即可在轨实时计算星下点太阳高度角。实验结果表明，在协调世界时2021-01-01 00：00：00至2024-01-01 00：00：00期间，采用本文方法获得的星下点太阳高度角实时计算结果最大绝对误差小于0.3°。满足天问一号高分辨率相机时间延时积分电荷耦合器件积分级数设置对太阳高度角计算结果的精度要求。基于该方法，天问一号高分辨率相机获取的火星影像细节丰富，亮度、对比度合理。

Abstract

The entry-pupil radiance of the optical imaging instruments of Tianwen-1 varies considerably during its orbit operation， owing to the changes in the solar elevation angle and ground scene reflectance. To achieve the best imaging effect， the optical imaging instruments should utilize on-orbit adaptive adjustment gain. The solar elevation angle is an important parameter that is used to set the integral series of the time delay and integration （TDI） charge-coupled devices （CCDs）. Furthermore， the integral series is the main parameter used to adjust the gain. This study presents a method for calculating the solar elevation angle in real time at the sub-satellite point of the Mars orbiter based on Fourier fitting， to mitigate the challenges of the real-time variation in the solar elevation angle and the large ephemeris file created during the orbiting period. First， an 8-order Fourier approximation based on the principle of least squares is utilized to fit the

，

， and z coordinates of the sun vector in the Martian inertial coordinate system， and a fitting equation is obtained as a function of time. Second， the real-time coordinates of the orbiter in the Mars inertial coordinate system are obtained based on the orbit parameters sent by the guidance and navigation control system. Finally， the solar elevation angle of the sub-satellite point can be calculated in real time on the orbit based on the cosine formula of the included angle. The experimental results show that the maximum absolute error of the real-time calculation results of the solar elevation angle obtained by using this method is less than 0.3° during the period from 2021-01-01 00：00：00 UTC to 2024-01-01 00：00：00 UTC. The accuracy requirements of the calculation results of the solar elevation angle of the TDI CCD integral series of the Tianwen-1 high-resolution camera are satisfied. Based on this method， the Mars image obtained by the high-resolution imaging camera of Tianwen-1 shows rich details with reasonable brightness and contrast.

关键词

Keywords

references

WATANABE S ， HIRABAYASHI M ， HIRATA N ， et al . Hayabusa2 arrives at the carbonaceous asteroid 162173 Ryugu-A spinning top-shaped rubble pile ［J］. Science ， 2019 ， 364 （ 6437 ）： 268 - 272 . doi: 10.1126/science.aav8032 http://dx.doi.org/10.1126/science.aav8032

LAURETTA D S ， DELLAGIUSTINA D N ， BENNETT C A ， et al . The unexpected surface of asteroid （101955） Bennu ［J］. Nature ， 2019 ， 568 （ 7750 ）： 55 - 60 . doi: 10.1038/s41586-019-1033-6 http://dx.doi.org/10.1038/s41586-019-1033-6

REUTER D C ， SIMON A A ， HAIR J ， et al . The OSIRIS-REx visible and InfraRed spectrometer （OVIRS）： spectral maps of the asteroid bennu ［J］. Space Science Reviews ， 2018 ， 214 （ 2 ）： 1 - 22 . doi: 10.1007/s11214-018-0482-9 http://dx.doi.org/10.1007/s11214-018-0482-9

DELLAGIUSTINA D N ， EMERY J P ， GOLISH D R ， et al . Properties of rubble-pile asteroid （101955） Bennu from OSIRIS-REx imaging and thermal analysis ［J］. Nature Astronomy ， 2019 ， 3 （ 4 ）： 341 - 351 . doi: 10.1038/s41550-019-0731-1 http://dx.doi.org/10.1038/s41550-019-0731-1

GRUNDY W M ， BIRD M K ， BRITT D T ， et al . Color， composition， and thermal environment of Kuiper Belt object （486958） Arrokoth ［J］. Science ， 2020 ， 367 （ 6481 ）. doi: 10.1126/science.aay3705 http://dx.doi.org/10.1126/science.aay3705

KITAZATO K ， MILLIKEN R E ， IWATA T ， et al . The surface composition of asteroid 162173 Ryugu from Hayabusa2 near-infrared spectroscopy ［J］. Science ， 2019 ， 364 （ 6437 ）： 272 - 275 . doi: 10.1126/science.aav7432 http://dx.doi.org/10.1126/science.aav7432

欧阳自远，邹永廖 . 火星科学概论［M］. 上海：上海科技教育出版社， 2015 .

OUYANG Z Y ， ZOU Y L . Introduction to Mars Science ［M］. Shanghai ： Shanghai Scientific & Technological Education Publishing House ， 2015 . （in Chinese）

李春来，刘建军，耿言，等 . 中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置［J］. 深空探测学报， 2018 ， 5 （ 5 ）： 406 - 413 .

LI C L ， LIU J J ， GENG Y ， et al . Scientific objectives and payload configuration of China's first Mars exploration mission ［J］. Journal of Deep Space Exploration ， 2018 ， 5 （ 5 ）： 406 - 413 . （in Chinese）

耿言，周继时，李莎，等 . 我国首次火星探测任务［J］. 深空探测学报， 2018 ， 5 （ 5 ）： 399 - 405 . doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.05.001 http://dx.doi.org/10.15982/j.issn.2095-7777.2018.05.001

GENG Y ， ZHOU J S ， LI S ， et al . A brief introduction of the first Mars exploration mission in China ［J］. Journal of Deep Space Exploration ， 2018 ， 5 （ 5 ）： 399 - 405 . （in Chinese） . doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.05.001 http://dx.doi.org/10.15982/j.issn.2095-7777.2018.05.001

刘建军，苏彦，左维，等 . 中国首次火星探测任务地面应用系统［J］. 深空探测学报， 2018 ， 5 （ 5 ）： 414 - 425 . doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.05.003 http://dx.doi.org/10.15982/j.issn.2095-7777.2018.05.003

LIU J J ， SU Y ， ZUO W ， et al . Ground research and application system of China's first Mars exploration mission ［J］. Journal of Deep Space Exploration ， 2018 ， 5 （ 5 ）： 414 - 425 . （in Chinese） . doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.05.003 http://dx.doi.org/10.15982/j.issn.2095-7777.2018.05.003

朱岩，白云飞，王连国，等 . 中国首次火星探测工程有效载荷总体设计［J］. 深空探测学报， 2017 ， 4 （ 6 ）： 510 - 514， 534 . doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.06.002 http://dx.doi.org/10.15982/j.issn.2095-7777.2017.06.002

ZHU Y ， BAI Y F ， WANG L G ， et al . Integral technical scheme of payloads system for Chinese Mars-1 exploration ［J］. Journal of Deep Space Exploration ， 2017 ， 4 （ 6 ）： 510 - 514， 534 . （in Chinese） . doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.06.002 http://dx.doi.org/10.15982/j.issn.2095-7777.2017.06.002

CARR M . The surface of Mars ［M］. New York ： Cambridge University Press ， 2007 . doi: 10.1017/cbo9780511536007 http://dx.doi.org/10.1017/cbo9780511536007

BARLOW N . Introduction to Mars ［M］. Mars： An Introduction to its Interior， Surface and Atmosphere. Cambridge ： Cambridge University Press ， 2014 .

MCEWEN A ， HANSEN-KOHARCHECK C ， ESPINOZA A . Mars ： the pristine beauty of the red planet ［M］. Tucson ： University of Arizona Press ， 2017 . doi: 10.1130/abs/2017am-301600 http://dx.doi.org/10.1130/abs/2017am-301600

BELL J F ， SQUYRES S W ， ARVIDSON R E ， et al . Pancam multispectral imaging results from the Spirit Rover at Gusev Crater ［J］. Science ， 2004 ， 305 （ 5685 ）： 800 - 806 . doi: 10.1126/science.1100175 http://dx.doi.org/10.1126/science.1100175

BELL J F ， SQUYRES S W ， ARVIDSON R E ， et al . Pancam multispectral imaging results from the Opportunity Rover at Meridiani Planum ［J］. Science ， 2004 ， 306 （ 5702 ）： 1703 - 1709 . doi: 10.1126/science.1105245 http://dx.doi.org/10.1126/science.1105245

GOLOMBEK M ， GRANT J ， KIPP D ， et al . Selection of the Mars science laboratory landing site ［J］. Space Science Reviews ， 2012 ， 170 （ 1/2/3/4 ）： 641 - 737 . doi: 10.1007/s11214-012-9916-y http://dx.doi.org/10.1007/s11214-012-9916-y

GOLOMBEK M ， KIPP D ， WARNER N ， et al . Selection of the InSight landing site ［J］. Space Science Reviews ， 2017 ， 211 （ 1 ）： 5 - 95 . doi: 10.1007/s11214-016-0321-9 http://dx.doi.org/10.1007/s11214-016-0321-9

MCEWEN A S ， ELIASON E M ， BERGSTROM J W ， et al . Mars reconnaissance orbiter's high resolution imaging science experiment （HiRISE）［J］. Journal of Geophysical Research： Planets ， 2007 ， 112 （ E5 ）： E05 S 02 . doi: 10.1029/2005je002605 http://dx.doi.org/10.1029/2005je002605

薛旭成，石俊霞，吕恒毅，等 . 空间遥感相机TDI CCD积分级数和增益的优化设置［J］. 光学精密工程， 2011 ， 19 （ 4 ）： 857 - 863 . doi: 10.3788/ope.20111904.0857 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20111904.0857

XUE X C ， SHI J X ， LV H Y ， et al .. Optimal set of TDI CCD integration stages and gains of space remote sensing cameras ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2011 ， 19 （ 4 ）： 857 - 863 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20111904.0857 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20111904.0857

章明朝，周跃，闫丰，等 . “日盲”紫外增强型CCD的自动增益控制［J］. 光学精密工程， 2010 ， 18 （ 2 ）： 496 - 502 .

ZHANG M C ， ZHOU Y ， YAN F ， et al . Automatic gain control of SBUV-ICCD ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2010 ， 18 （ 2 ）： 496 - 502 . （in Chinese）

彭妮娜，陈大羽，王琨，等 . 采用线阵TDICCD相机的实时自动增益控制算法［J］. 红外与激光工程， 2011 ， 40 （ 7 ）： 1370 - 1375 . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2011.07.037 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2011.07.037

PENG N N ， CHEN D Y ， WANG K ， et al . Real-time automatic gain control algorithm based on linear TDICCD camera ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2011 ， 40 （ 7 ）： 1370 - 1375 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2011.07.037 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2011.07.037

浏览量

700

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

天问一号高分辨率相机图像存储及处理系统设计

天问一号高分辨率相机成像参数设置及定标测试

火星环绕器姿轨控制误差对高分相机像质的影响

天问一号高分相机火表复杂照度下自动调光成像电路设计

天问一号高分相机主光机在线装调技术研究