[0001] 本发明属于卫星姿轨控制技术领域，具体是低成本低轨小卫星姿轨控制系统及方法。

[0002] 姿态轨道控制系统是卫星上用于控制卫星姿态和轨道的关键系统。该系统通过感知卫星的姿态（例如俯仰、偏航和滚转角），并根据任务需求调整卫星的方向，从而确保卫星在轨道上正确对准目标。它通常由多个子系统组成，包括姿态感知模块（如星敏感器、陀螺仪）、轨道控制模块（如发动机或反作用轮）、以及控制算法（如PID控制或自适应控制）。姿态控制系统通过对卫星姿态误差进行实时反馈，并通过调整控制力矩使卫星保持或改变其姿态，而轨道控制部分则通过微调卫星的轨道参数（如高度、速度和倾角）来确保卫星在预定轨道上运行。AOCS的精确控制使卫星能够执行如地面成像、通信、科学实验等复杂任务，保证卫星长期稳定运行。

[0003] 在现有技术中，低轨卫星在到达运行轨道后对判断自身是否在轨道的判断能力较弱，致使低轨卫星反复调整在轨高度，同时低轨卫星拍摄地面图像时伴随着长时间的姿态调整，当低轨卫星离开拍摄窗口后仍在进行姿态调整，导致低轨卫星的燃料消耗加剧，同时在低轨卫星进入拍摄窗口时因低轨卫星的姿态未能提前调整，错过理想的拍摄窗口。

[0004] 为此，本发明提出低成本低轨小卫星姿轨控制系统及方法。

[0019] 下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0020] 实施例一请参阅图1‑图3所示，本发明提供的技术方案为：低成本低轨小卫星姿轨控制系统，包括用户终端、数据解析模块、轨道规划模块、轨道调整模块、姿态调整模块、图像采集模块、数据库模块和指挥中心；
所述用户终端用于用户或工作人员输入图像采集区域对应的经纬度信息，并将图像采集区域对应的经纬度信息发送至数据解析模块；所述数据解析模块用于对图像采集区域对应的经纬度信息进行分析。

[0021] 在本实施例中，数据解析模块的工作过程具体如下：S1，以地球的球心作为原点o，以球心至赤道与0°经线相交的点作为x轴正方向，以球心至赤道与90°经线相交的点作为y轴正方向，以球心至北极点作为z轴正方向，建立三维坐标系oxyz；
S2，获取图像采集区域的经纬度信息，根据经纬度信息得到图像采集区域对应顶点的顶点经纬度信息；
需要具体说明的是，将图像采集区域视为矩形，并且将图像采集区域的顶点构成的区域视为平面；
S3，将图像采集区域对应顶点的顶点经纬度信息转换为第一预设顶点坐标，顶点经纬度信息转换为第一预设顶点坐标的过程具体如下：
S31，通过公式将图像采集区域对应顶点经纬度信息中顶点的经度JDJi和纬度WDDi转化为经度弧度HDJi和纬度弧度HDWi，公式具体如下：
HDJi=JDJi×π/180，HDWi=WDDi×π/180，式中，i为将图像采集区域的顶点对应的顶点编号，i=1，2，3，4；
S32，获取地球半径长度RD，通过公式计算得到图像采集区域的顶点对应的第一预设顶点坐标（xi，yi，zi），公式具体如下：
xi=RD×cos（HDJi）×cos（HDWi）；
yi=RD×sin（HDJi）×cos（HDWi）；
zi=RD×sin（HDWi）；
S4，将图像采集区域的第一预设顶点坐标合并为第一预设顶点坐标集，而后将图像采集区域与第一预设顶点坐标集保存至数据库模块；
所述数据解析模块将图像采集区域的第一预设顶点坐标集发送至轨道规划模块。

[0022] 在本实施例中，所述轨道规划模块用于对低轨卫星的标准运行轨道进行规划，工作过程具体如下：P1，以三维坐标系的坐标原点为起点，坐标原点连接第一预设顶点坐标集内任一第一预设顶点坐标并进行延长，延长至低轨卫星的标准运行轨道，得到第二预设顶点坐标，将第二预设顶点坐标依次相连，得到低轨卫星途径区域；
P2，获得低轨卫星途径区域任一坐标（xj，yj，zj），j为低轨卫星途径区域任一坐标的坐标编号，j=1，2，……，n，n为正整数，而后通过公式计算得到低轨卫星途径区域的几何中心点坐标（x0，y0，z0），公式具体如下：
，
，
；
P3，根据低轨卫星途径区域内的几何中心点坐标计算低轨卫星的标准运行轨道对应的轨道倾角；
在本实施例中，P3包括如下子步骤：
P31，构建地球球心至低轨卫星途径区域的几何中心点坐标的位置向量XL，其中，XL=（x0，y0，z0）；
P32，连接地心与低轨卫星途径区域内的几何中心点坐标，得到低轨卫星的轨道半径RG，而后通过公式计算得到低轨卫星在标准运行轨道时的运行速度v，公式具体如下：
，式中，G为万有引力常数，M为地球质量；
P33，根据公式计算得到低轨卫星的速度向量SD，公式具体如下：
SD=v·（‑（y0/RG），‑（x0/RG），0）；
需要具体说明的是，在本实施例中，将低轨卫星的标准运行轨道视为圆形轨道；
P34，通过公式计算得到低轨卫星的标准运行轨道对应的轨道角动量向量DL，公式具体如下：
DL=XL·SD，式中，·为向量运算中的叉乘，计算结果不是乘积；
进一步地，DL=（DLx，DLy，DLz），其中，DLz在化简后为DLz=v×RG；
具体的，在DLz=v×RG中，×为乘积；
P35，通过公式i=arccos（DLz/DL）计算得到低轨卫星的标准运行轨道对应的轨道倾角i；
需要具体说明的是，低轨卫星的轨道倾角为低轨卫星的轨道平面与地球的赤道平面所形成的夹角。

[0023] P4，根据低轨卫星的轨道倾角和低轨卫星的轨道半径构建得到低轨卫星的标准运行轨道；所述轨道规划模块将构建得到的低轨卫星的标准运行轨道发送至指挥中心，所述指挥中心将低轨卫星的标准运行轨道发送至轨道调整模块。

[0024] 在本实施例中，轨道调整模块连接有图像采集模块，所述图像采集模块用于间隔固定时长对地球表面的预设坐标进行图像采集，并将预设坐标处的实时预设坐标图像发送至轨道调整模块；如图3所示，所述轨道调整模块用于在低轨卫星发射到达标准运行轨道时对低轨卫星的轨道偏差进行调整，调整过程具体如下：
R1，当低轨卫星到达标准运行轨道后，低轨卫星间隔固定时长对地球表面的预设坐标进行图像采集，采集得到地球表面的实时预设坐标图像；
需要具体说明的是，预设坐标具体为预设的地球表面具有高识别度的坐标；
R2，将地球表面的实时预设坐标图像进行去噪处理，而后将实时预设坐标图像为分辨率224×224，得到实时裁切预设坐标图像；
R3，将实时裁切预设坐标图像输入至图像识别模型，而后图像识别模型输出当前时间节点的低轨卫星对应的实际运行高度；
具体的，图像识别模型对实时裁切预设坐标图像进行图像识别，而后与现有并且处于标准运行轨道的低轨卫星拍摄的相同地球表面的历史预设坐标图像进行比对，根据实时预设坐标图像与历史预设坐标图像之间的比例计算得到当前时间节点的低轨卫星对应的实际运行高度；
需要具体说明的是，本实施例中使用的图像识别模型为训练完成的深度学习模型，使用标注后的实时裁切预设坐标图像对图像识别模型进行训练；
R4，获取低轨卫星的标准运行轨道相对于地表的标准运行高度以及当前时间节点的低轨卫星对应的实际运行高度，将低轨卫星标准运行高度减去低轨卫星在当前时间节点的实际运行高度后取绝对值，得到低轨卫星的轨道偏差值；
若低轨卫星的轨道偏差值属于偏差值区间内，则判定当前时间节点的低轨卫星对应的实际运行高度为正常运行高度，此时不进行任何调整；
若低轨卫星的轨道偏差值不属于偏差值区间外，则判定当前时间节点的低轨卫星对应的实际运行高度为异常运行高度，则进入下一步骤；
R5，获取地球半径长度RD，通过公式计算得到低轨卫星的实际运行高度调整至标准运行高度所需的速度变化值BHZ，公式具体如下：
；式中，RH0为低轨卫星与地面之间
的距离，RD+RH0为低轨卫星的实际运行高度。

[0025] 当轨道调整模块对低轨卫星调整完成后，将调整完成信息发送至指挥中心，而后指挥中心向用户终端发送调整完成信息；所述指挥中心将图像采集区域发送至姿态调整模块；如图3所示，所述姿态调整模块用于低轨卫星到达指定坐标时对自身姿态进行调整，调整过程具体如下：
Q1，在低轨卫星的标准运行轨道中设置第一轨道坐标，当低轨卫星到达第一轨道坐标时，通过地磁传感器获取自身姿态，而后计算自身姿态与目标姿态之间的姿态误差；
具体的，自身姿态包括低轨卫星的实时滚转角、实时偏航角和实时俯仰角，姿态误差包括俯仰误差、偏航误差和滚转误差；
Q2，将姿态误差发送至姿态驱动器，姿态驱动器根据低轨卫星的姿态误差对低轨卫星的姿态进行调整；
Q3，获得低轨卫星途径区域，将低轨卫星的标准运行轨道与低轨卫星途径区域的第一交点作为第二轨道坐标，当低轨卫星到达第二轨道坐标时，低轨卫星完成姿态调整，此时低轨卫星的图像采集设备朝向图像采集区域的几何中点；
需要具体说明的是，在现有技术中通过地磁传感器获取低轨卫星的自身姿态；
Q4，将低轨卫星的标准运行轨道与低轨卫星途径区域的第二交点作为第三轨道坐标，当低轨卫星到达第三轨道坐标时，低轨卫星停止姿态调整，直至下一次到达第一轨道坐标。

[0026] 需要具体说明的是，当低轨卫星处于第二轨道坐标和第三轨道坐标之间时，低轨卫星的图像采集设备始终朝向图像采集区域的几何中点；所述图像采集模块用于间隔预设时长对图像采集区域进行图像采集，并将图像采集区域的图像信息保存至数据库模块，而后指挥中心将图像采集区域对应的图像信息发送至用户终端。

[0027] 在本发明中，若出现相应的计算公式，则上述计算公式均是去量纲取其数值计算，公式中存在的权重系数、比例系数等系数，其设置的大小是为了将各个参数进行量化得到的一个结果值，关于权重系数和比例系数的大小，只要不影响参数与结果值的比例关系即可。

[0028] 实施例二如图4所示，基于同一发明的又一构思，现提出低成本低轨小卫星姿轨控制方法，包括如下步骤：
S100，输入图像采集区域对应的经纬度信息，并对图像采集区域对应的经纬度信息进行分析，分析得到图像采集区域的第一预设顶点坐标集；
S200，对低轨卫星的标准运行轨道进行规划，规划得到低轨卫星的标准运行轨道；
S300，以间隔固定时长对地球表面上预设坐标的实时预设坐标图像进行采集，实时预设坐标图像结合标准运行轨道在低轨卫星发射到达标准运行轨道时对低轨卫星的轨道偏差进行调整；
S400，同时在对图像采集区域采集前，在低轨卫星到达指定坐标时对自身姿态进行调整；
S500，调整完毕以间隔预设时长对图像采集区域进行图像采集。

[0029] 以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。