GNSS卫星姿态解算

        GNSS卫星姿态影响太阳光压辐射力的建模与卫星天线改正,正确解算卫星姿态是GNSS数据解算中的关键步骤。

        卫星的姿态指卫星的星体坐标轴XYZ在惯性系下的指向,其中Z轴始终指向地球地心,Y轴为卫星太阳能帆板的旋转轴,它始终与太阳-卫星方向垂直(为了最大程度地利用太阳辐射能量)。当然,Y轴同时也垂直于Z轴,最后的X轴与Y轴和Z轴组成右手坐标系。卫星、地球和太阳三者间的几何关系可见下图:

         在非地影期的数据解算过程中,我们已知惯性系下的太阳位置向量xsun,卫星位置向量xsat,卫星速度向量vsat。那么便可以直接求得卫星的Z轴,

\mathbf{Z}=-\boldsymbol{xsat}

        卫星指向太阳的向量为Sc2sun,

\boldsymbol{Sc2sun}=\boldsymbol{xsun}-\boldsymbol{xsat}

        根据Sc2sun与xsat,可以叉乘求得卫星的Y轴,

\boldsymbol{Y}=\boldsymbol{xsat}\times \boldsymbol{Sc2sun}

        最后由XZ轴可以算得卫星的X轴,

\boldsymbol{X}=\boldsymbol{Z}\times \boldsymbol{Y}

        以上是卫星在非地影期间的姿态解算,然而在卫星地影期间则需考虑更多因素,首先需要求解太阳高度角β与卫星轨道角μ,其中β可以由轨道面法向向量W与xsun求得,

\boldsymbol{W}=\boldsymbol{xsat}\times \boldsymbol{vsat}

\beta =asin(\boldsymbol{W}\cdot \boldsymbol{xsun}/\left |\boldsymbol{W} \right |\cdot \left | \boldsymbol{xsun} \right |) 

        求解卫星轨道角μ则略微复杂些,首先需要求得地球指向午夜点的向量midnight,

\boldsymbol{terminator}=\boldsymbol{xsun}\times \boldsymbol{W}

\boldsymbol{midnight}=\boldsymbol{terminator}\times \boldsymbol{W}

        之后便可根据midnight与xsat算得轨道角μ了,

\boldsymbol{\mu }=atan(sin(\boldsymbol{\mu }),cos(\boldsymbol{\mu }))

        其中,

\sin(\boldsymbol{\mu })=\left | \boldsymbol{xsat}\times \boldsymbol{midnight} \right |/\left |\boldsymbol{xsat} \right |\left | \boldsymbol{midnight} \right |

        由于向量的模等于向量点乘自身的单位向量tmpunit,因此

tmpunit=\boldsymbol{xsat}\times \boldsymbol{midnight}/\left |\boldsymbol{xsat}\times \boldsymbol{midnight}\right |

\sin(\boldsymbol{\mu })=(\boldsymbol{xsat}\times \boldsymbol{midnight})\cdot \boldsymbol{tmpunit} /\left |\boldsymbol{xsat} \right |\left | \boldsymbol{midnight} \right |

        同时容易得到

\cos(\boldsymbol{\mu })=(\boldsymbol{xsat}\cdot \boldsymbol{midnight}) /\left |\boldsymbol{xsat} \right |\left | \boldsymbol{midnight} \right |

        因此,最后得到轨道角μ,其取值范围为-pai到pai

\boldsymbol{\mu }=atan((\boldsymbol{xsat}\times \boldsymbol{midnight})\cdot \boldsymbol{tmpunit},\boldsymbol{xsat}\cdot \boldsymbol{midnight})

        由β与μ即可判断卫星是否处于地影期,最后根据不同卫星系统的地影期姿态控制模式解算得到具体姿态。