CN103217987A - 一种用于敏捷卫星动态成像的姿态调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于敏捷卫星动态成像的姿态调整方法，能够实现姿态调整过程中的宽幅宽成像；首先，调整卫星的滚动角以实现对东西方向的推扫成像；然后，调整卫星的俯仰角和俯仰角速度以补偿轨道运动在地表的牵连速度；最后，调整卫星的偏航角以实现对偏流角的控制。本发明的姿态调整方法能够应用于卫星在三轴姿态机动过程中开启光学有效载荷进行成像的动态成像技术，通过姿态的实时调整提高了卫星在单圈过境时对东西经度方向的覆盖能力；对东西经度方向的覆盖幅宽能够达到350km以上。

Description

一种用于敏捷卫星动态成像的姿态调整方法

技术领域

本发明涉及一种用于敏捷卫星动态成像的姿态调整方法。

背景技术

敏捷型卫星的动态成像是指卫星在三轴姿态机动中开启光学有效载荷并进行成像，在成像过程中实时调整光轴对地指向以实现复杂的成像任务。由于三轴姿态机动和轨道运动的联合作用，卫星成像执行效能得到了很大的提高。因此，动态成像技术必将成为未来航天军用卫星发展的重要方向。

现行卫星的条带成像一般采用对地定向的推扫成像模式，推扫成像方向与轨道运行方向一致，形成的条带基本平行于轨道方向，成像幅宽受光学有效载荷幅宽的限制；成像过程中实际上利用了轨道运动，除了偏流角控制，卫星的俯仰和滚动角速度标称值为零。然而，动态成像技术除了偏流角控制外，还需要控制卫星的俯仰和滚动角速度，实时调整卫星的俯仰和滚动角以实现特定的成像任务。

对于对地定向的推扫成像方式，为了满足成像需求，在《星载TDI-CCD推扫相机的偏流角计算与补偿》(上海航天2006年第6期)一文中袁孝康深入推导了方位偏移和俯仰偏移成像时相机的偏流角计算公式，并提出了采用卫星偏航控制补偿相机偏流角的方法，动态地改变TDICCD线阵的配置方向，使其始终与目标像移方向一致；在《空间相机偏流角的间歇式实时调整》(光学精密工程2009年第17卷第8期)一文中于涛等提出了在星上安装偏流角控制***：偏流角控制器、功率放大电路、偏流角执行元件、测量元件和调整机构等实现偏流角调整。采用上述方法对卫星姿态进行补偿时，存在以下问题：

(1)文中所提及的成像模式中，星载遥感器的成像幅宽较小，通常是一个较小的圆形或矩形区域，无法对大范围区域目标进行有效的覆盖，成像任务单一；

(2)文中的姿态补偿技术是基于对地定向的推扫成像方式，姿态补偿技术除了偏流角控制，卫星的俯仰和滚动角速度标称值为零，无法实现在三轴姿态机动过程中进行成像。

(3)文中的对地定向的推扫成像方式，由于受光学遥感器成像幅宽的限制，对于大范围的区域成像采用的是多条带的拼接成像方式，成像幅宽有限。对于单次推扫成像幅宽为20km的成像幅宽，即使进行了五次条带的拼接成像，对东西经度方向的覆盖幅宽也只有100km；而宽幅宽动态成像技术，对东西经度方向的覆盖幅宽能够达到350km以上。

(4)文中对地定向推扫成像方式，由于并不具备动态成像能力，成像过程是基于姿态调整稳定后进行推扫成像，姿态机动时间加上稳定时间耗时较长，造成卫星有效成像时间减少，同时地面成像目标的可见时间窗口缩短。

基于以上分析，对地定向的推扫成像方式的姿态调整方法不能适应动态成像的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于敏捷卫星动态成像的姿态调整方法，能够在三轴姿态机动过程中进行成像，可以实现东西经度方向的宽幅宽成像。

本发明的技术方案是：

一种用于敏捷卫星动态成像的姿态调整方法，能够实现姿态调整过程中的宽幅宽成像；首先，调整卫星的滚动角以实现对东西方向的推扫成像；然后，调整卫星的俯仰角和俯仰角速度以补偿轨道运动在地表的牵连速度；最后，调整卫星的偏航角以实现对偏流角的控制。

卫星的滚动角变化规律为：

其中

为卫星的滚动角速度，

为成像起始时刻的滚动角，t表示成像过程中的任意时刻，

为t时刻的滚动角；

卫星的俯仰角和俯仰角速度的变化规律如下：

θ_t＝θ_b-ω_θtt；

其中，i为卫星轨道倾角，ω_o为卫星运行角速度，ω_e为地球自转角速度，R_e为地球半径，H为卫星离地面的高度，δ_D为成像目标点的地理纬度，b为以地球半径度量时地心角OO_eT对应的弧长，O为星下点，O_e为地心，T为对应时刻滚动角

的侧摆点；θ_b为成像起始时刻的滚动角，θ_t为t时刻的俯仰角，ω_θt为t时刻的俯仰角速度；

卫星的偏航角的变化规律为：

${\mathrm{\β}}_t=\arctan \frac{{\mathrm{\ω}}_e{R}_e\cos {\mathrm{\δ}}_D\sin (\mathrm{\π}/2-i)}{V_{\mathrm{\η}}+{\mathrm{\ω}}_e{R}_e\cos {\mathrm{\δ}}_D\cos (\mathrm{\π}/2-i)}$

其中，β_t为t时刻的偏航角，V_η为动态成像过程中卫星的推扫地表投影速度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明在光学有效载荷成像原理的基础上，分析动态成像的相关技术指标，从平台和载荷两个方面考虑动态成像技术，提出动态成像姿态调整方法，提高成像执行效能。

本发明的姿态调整方法能够应用于卫星在三轴姿态机动过程中开启光学有效载荷进行成像的动态成像技术，通过姿态的实时调整提高了卫星在单圈过境时对东西经度方向的覆盖能力；对东西经度方向的覆盖幅宽能够达到350km以上。

在采用TDICCD光学有效载荷进行成像时，需要保证像移速度的方向与地速方向一致，否则获取的图像会出现像移问题。本发明通过偏航角的调整能够实现像移速度方向与地速方向一致，解决动态成像过程中的偏流角问题；从而能够解决宽幅宽成像过程中的像移问题，获取高质量的图像。

附图说明

图1为本发明的宽幅宽动态成像过程示意图；

图2为宽幅宽动态成像补偿地速示意图；

图3为卫星轨道坐标系示意图；

图4为卫星本体坐标系与卫星轨道坐标系示意图；

图5为本发明的姿态调整方法的成像效果示意图。

具体实施方式

本发明姿态调整方法原理如下：对于宽幅宽的成像需求，当卫星沿轨道运行时，控制卫星的滚动角以实现对东西方向的推扫成像；同时，控制卫星的俯仰角和角速度补偿轨道运动在地表投影的牵连速度；最后，在TDICCD成像原理的基础上，调整卫星的偏航角实现对偏流角的控制。

如图1所示，宽幅宽动态成像过程如下：卫星绕本体X轴以角速度

垂直于航迹方向进行推扫成像；成像初始时刻为t₁，此时卫星位于S₁处，光轴指向地面目标点D₁；卫星在滚动推扫成像的同时，由于轨道运动的牵连运动，需要进行俯仰方向的控制以补偿轨道运动在地表的牵连速度，实现在t₂、t₃、、、t_n时刻，卫星位于S₂、S₃、、、S_n，光轴指向地面目标点D₂、D₃、、、D_n，从而实现垂直于航迹方向的成像条带，形成宽幅成像能力。

下面，具体分析宽幅宽成像过程中的姿态角变化规律：

设卫星运行于倾角为i的轨道，角速度为ω_o；卫星高度为H，ω_e，R_e分别为地球自转角速度和半径，δ_D为成像目标D的地理纬度，h为目标地面高度。

图1中成像起始时刻为t₁，此时滚动角为俯仰角为θ_b，偏航角为β；t表示成像过程中的任意时刻，对应的滚动角为

俯仰角为θ_t，偏航角为β_t；对应的滚动角速度为

俯仰角速度为ω_θt。b为以地球半径度量时地心角OO_eT对应的弧长，O为星下点，O_e为地心，T为对应时刻滚动角的侧摆点；

当卫星光轴指向S₁D₁时，光轴在地表的投影牵连速度为：

V_D＝ω_o(R_e+h)cosb    (1)

D₁点地球自转线速度：

V_de＝ω_e(R_e+h)cosδ_D    (2)

为了实现垂直于航迹方向的条带成像，完成一次东西方向的推扫成像，需要控制俯仰轴补偿轨道运动。

图2显示了卫星沿轨道运行时，轨道运动在地表的牵连速度和地球自转速度的矢量关系图。由图分析得到，为了实现宽幅宽的成像需求，需要对地速进行补偿，分析得到补偿的地速为V_补：

V_补＝|ω_oR_ecosb+ω_eR_ecosδ_Dsin(π/2-i)|    (3)

①滚动角：

设滚动角速度为

得到滚动角变化规律为：

②俯仰角：

为了补偿轨道运动在地表投影的牵连速度，俯仰角θ_t的变化规律为：

θ_t＝θ_b-ω_θtt    (6)

③偏航角：

在俯仰角补偿地速的基础上，由于卫星的滚动推扫和地球自转的影响，会造成地面成像目标点摄影地速和滚动推扫方向存在夹角，需要通过偏航角进行校正，以确保载荷开机成像，满足图像质量要求；通过偏流角的基本定义，得到偏流角变化规律，采用偏航角对偏流角进行校正，偏航角调整规律如下：

${\mathrm{\β}}_t=\arctan \frac{{\mathrm{\ω}}_e{R}_e\cos {\mathrm{\δ}}_D\sin (\mathrm{\π}/2-i)}{V_{\mathrm{\η}}+{\mathrm{\ω}}_e{R}_e\cos {\mathrm{\δ}}_D\cos (\mathrm{\π}/2-i)}---\left(7\right)$

注：V_η为动态成像过程中卫星的推扫地表投影速度。

图3显示了卫星的轨道坐标系Sxyz，卫星的轨道平面为坐标平面，z轴由质心指向地心，x轴在轨道平面内与z轴垂直并指向卫星速度方向，y轴与x、z轴右手正交且与轨道平面的法线平行。

如图4所示，卫星的本体坐标系SXYZ固连于星体上，其中，本体X轴为滚动轴，本体Y轴为俯仰轴，本体Z轴为偏航轴。当卫星沿轨道运行时，卫星的本体坐标系SXYZ与轨道坐标系Sxyz重合；当卫星进行东西侧摆推扫时，卫星的本体坐标系SXYZ与轨道坐标系Sxyz具有一个侧摆角。

本发明的姿态调整方法如下：

卫星沿轨道运行时，卫星绕本体X轴以角速度进行宽幅宽滚动推扫成像；滚动角的变化规律由公式(4)得到。为了实现东西方向宽幅宽的条带成像，卫星再绕本体Y轴进行俯仰控制，俯仰角θ_t和俯仰角速度ω_θt的变化规律由公式(5)、(6)得到；最后，根据公式(7)偏航角的变化规律，卫星绕本体Z轴进行偏航控制。

如图5所示，在姿态机动过程中开启光学载荷，通过本发明的姿态调整方法，能够实现东西经度方向的宽幅宽区域成像，成像执行能力得到了提高。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种用于敏捷卫星动态成像的姿态调整方法，能够实现姿态调整过程中的宽幅宽成像；其特征在于：首先，调整卫星的滚动角以实现对东西方向的推扫成像；然后，调整卫星的俯仰角和俯仰角速度以补偿轨道运动在地表的牵连速度；最后，调整卫星的偏航角以实现对偏流角的控制。

2.根据权利要求1所述的姿态调整方法，其特征在于：

卫星的滚动角变化规律为：

其中

为卫星的滚动角速度，

为成像起始时刻的滚动角，t表示成像过程中的任意时刻，

为t时刻的滚动角；

卫星的俯仰角和俯仰角速度的变化规律如下：

θ_t＝θ_b-ω_θtt；

其中，i为卫星轨道倾角，ω_o为卫星运行角速度，ω_e为地球自转角速度，R_e为地球半径，H为卫星离地面的高度，δ_D为成像目标点的地理纬度，b为以地球半径度量时地心角OO_eT对应的弧长，O为星下点，O_e为地心，T为对应时刻滚动角

的侧摆点；θ_b为成像起始时刻的滚动角，θ_t为t时刻的俯仰角，ω_θt为t时刻的俯仰角速度；

卫星的偏航角的变化规律为：

${\mathrm{\β}}_t=\arctan \frac{{\mathrm{\ω}}_e{R}_e\cos {\mathrm{\δ}}_D\sin (\mathrm{\π}/2-i)}{V_{\mathrm{\η}}+{\mathrm{\ω}}_e{R}_e\cos {\mathrm{\δ}}_D\cos (\mathrm{\π}/2-i)}$

其中，β_t为t时刻的偏航角，V_η为动态成像过程中卫星的推扫地表投影速度。

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