CN103886208B - 一种高分辨率光学卫星机动成像偏流角修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种高分辨率光学卫星机动成像偏流角修正方法，针对卫星姿态机动方案，建立机动成像模式下偏流角修正模型，推导出基于卫星位置及地面点位置坐标计算偏流角的方法，并提出在焦面位置安装偏流角修正装置的方案。使卫星具备对偏离飞行方向目标条带的成像能力，大大提高卫星的观察范围和观察效率，同时可以使卫星具备沿星下点垂直方向的动态推扫成像的能力，通过多条带拼接的方式，实现对星下点区域的大幅宽成像，从而减小对TDICCD相机幅宽的要求。

Description

一种高分辨率光学卫星机动成像偏流角修正方法

技术领域

本发明属于光学遥感卫星成像领域，涉及一种搭载TDICCD相机的高分辨率光学卫星机动成像偏流角修正方法。

背景技术

TDICCD基于对同一目标进行多次曝光实现延时积分，大大增强了光能收集，提高了信噪比，因此被广泛应用于高分辨率光学遥感卫星上。但同时，由于TDICCD这种特殊的工作方式，要求同一列上的每一个像元都对同一目标曝光积分，其正常工作的基本前提是光生电荷包的转移与焦面上图像的运动保持同步，任何的匹配误差都将导致图像模糊。

目前多数卫星均采用预先通过姿态机动，使相机光轴稳定指向目标区域后，通过卫星运动实现TDICCD相机对目标的推扫成像(见图1)，这种成像模式下，卫星姿态保持不变，TDICCD相机物像关系稳定，图像模糊的主要来源是地球自转引起的卫星飞行方向与TDICCD相机实际成像方向不一致，二者之间的夹角即偏流角，偏流角会导致相机在积分成像过程中产生图像的横向像移，影响相机成像质量。因此，对偏流角进行调节是TDICCD相机像移补偿***中的一项重要任务。

近年来航天光学遥感技术发展迅速，卫星快速姿态机动能力大大提升，出现了具有灵活姿态机动能力且具有较高地面分辨率的高分辨率敏捷卫星，若采用图1所示的传统观测模式对目标进行观测，对于与飞行方向有一定夹角的目标条带区域，如果卫星TDICCD相机幅宽有限，一次推扫覆盖不到目标全貌，则需要通过任务规划，通过不同轨的多条带拼接，方可实现对目标区域的全面观察。

针对敏捷卫星强大姿态机动能力的特点，人们开始研究在姿态实时调节实现对与飞行方向有一定夹角的目标条带实时指向过程中，TDICCD相机进行成像的新型工作模式——机动成像(见图2)。此模式下，由于卫星姿态随时间不断变化，偏流角的来源不只是地球自转影响，还受到卫星姿态机动方案的影响，研究卫星机动成像模式下偏流角的计算方法及修正方法是实现机动成像的必要前提。

国内现有在轨卫星，尚未有机动成像的先例，对姿态变化过程中偏流角的计算方法有一定的研究，但并未结合卫星机动成像模式进行全链路研究。目前国外的资料中，法国的Pleiades卫星、美国的IKONOS卫星均为具有快速机动能力的敏捷卫星，可灵活的实现条带拼接成像、立体成像以及区域点目标成像等，根据Pleiades卫星和IKONOS-2卫星给出的成像模式，推断Pleiades和IKONOS-2应该也具有机动成像能力，但是具体的实现方法，并未有资料可查阅。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高分辨率光学卫星机动成像偏流角修正方法，对卫星机动成像模式下，针对不同姿态机动方案，获得机动成像过程中偏流角计算模型，针对偏流角模型提出在焦面安装像移补偿装置进行偏流角实时修正补偿。

本发明的技术方案是：一种高分辨率光学卫星机动成像偏流角修正方法，步骤如下：

1)根据实际卫星参数，建立卫星模型以及卫星上TDICCD相机成像模型；

2)根据待观测目标位置，确定卫星姿态机动方案，生成卫星实时姿态机动数据，并根据步骤1)得到的卫星模型以及TDICCD相机成像模型，获得姿态机动过程中卫星实时位置坐标以及成像地面点坐标同时得到卫星实时位置坐标和地面点坐标所对应的时间t；

3)将步骤2)得到的卫星实时位置坐标对时间t求导，计算获得卫星速度矢量其中

4)将步骤2)得到的地面点坐标对时间t求导，计算获得摄影点地速矢量其中

5)计算卫星速度矢量与地速矢量在TDICCD相机焦平面上投影矢量之间的夹角θ(t)，即偏流角θ(t)；

51)计算获得卫星速度矢量在焦平面的投影矢量

52)计算获得地速矢量在焦平面的投影矢量 其中 为之间的夹角；

53)计算获得偏流角

6)在卫星姿态机动方案下，建立偏流角θ(t)随时间变化模型，根据该模型采用焦面偏流角补偿装置将偏流角θ(t)实时修正为0度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明对搭载TDICCD相机的高分辨率光学卫星机动成像模式进行建模，对卫星这种新型工作模式的实施过程进行模拟。针对卫星姿态机动方案，建立机动成像模式下偏流角修正模型，推导出基于卫星位置及地面点位置坐标计算偏流角的方法，并提出在焦面位置安装偏流角修正装置的方案。使卫星具备对偏离飞行方向目标条带的成像能力，大大提高卫星的观察范围和观察效率，同时可以使卫星具备沿星下点垂直方向的动态推扫成像的能力，通过多条带拼接的方式，实现对星下点区域的大幅宽成像，从而减小对TDICCD相机幅宽的要求。

附图说明

图1为一般卫星成像模式示意图；

图2为机动成像模式示意图；

图3为焦面旋转补偿装置构图；

图4为焦面二维平移补偿装置构图；

图5为本发明方法流程图。

具体实施方式

如图5所示，本发明主要包括以下步骤：

(1)利用stk仿真软件，根据实际卫星参数，建立卫星场景及卫星模型，并利用stk软件中的传感器工具，在卫星模型下建立TDICCD相机模型，获得机动成像基本模型；

(2)利用matlab软件，根据目标轨迹追踪要求，确定姿态机动方案(转序、姿态角速率变化等)，对卫星姿态进行模拟计算，得到每一时刻卫星的实时姿态数据，同时对卫星坐标系、姿态角转序、加载时刻等进行规定，按照stk要求的姿态数据格式生成卫星姿态数据文件(.a文件)，加载至步骤(1)所建立的基本模型中，对目标轨迹的动态成像过程进行模拟。

Stk要求的姿态数据文件格式具体如下：

(3)输出步骤(2)中动态成像期间卫星实时位置坐标以及相机视轴指向与地面交点坐标同时输出实时位置坐标和地面点坐标对应的时间t；

其中，卫星位置坐标及地面点坐标均采用地心固定坐标系下坐标，坐标系原点O为地心且与地球自旋一同运动的固联坐标系，其x轴指向赤道面与Greenwich子午面的相交线，z轴指向赤道北极，y轴与z、x两轴构成右手正交系。

(4)卫星位置坐标对时间求导，获得卫星速度矢量

$v_{x\_s}=\frac{dSx}{dt};$

$v_{y\_s}=\frac{dSy}{dt};$

$v_{z\_s}=\frac{dSz}{dt};$

(5)地面点坐标对时间求导，获得摄影点地速矢量

$v_{x\_g}=\frac{dGx}{dt};$

$v_{y\_g}=\frac{dGy}{dt};$

$v_{z\_g}=\frac{dGz}{dt};$

(6)计算卫星速度矢量与地速矢量在TDICCD相机焦平面上投影矢量之间的夹角θ(t)，即为偏流角θ(t)；

a.卫星推扫速度矢量在TDICCD相机焦平面的投影矢量计算方法：

多数TDICCD相机与卫星本体固连安装，TDICCD相机光轴与z轴一致，焦平面垂直于光轴，故卫星推扫速度矢量在焦平面的投影矢量即：

${\stackrel{\→}{V}}_{s\_c}=(v_{x\_s},v_{y\_s},0)$

b.地速矢量在焦平面的投影矢量计算方法

根据矢量原理，已知一个平面的单位法向量求已知矢量在该平面的投影矢量可按下述方法进行计算：

获得矢量到平面的距离b；

获得模长为b的垂直于平面的向量；

即为在平面上的投影矢量。

据上，地速矢量在焦平面的投影矢量计算方法如下：

焦平面单位法向量可由下式计算：

$\stackrel{\→}{F}=\frac{{\stackrel{\→}{P}}_s-{\stackrel{\→}{P}}_g}{\left|{\stackrel{\→}{P}}_s-{\stackrel{\→}{P}}_g\right|}=\frac{(Sx,Sy,Sz)-(Gx,Gy,Gz)}{|(Sx,Sy,Sz)-(Gx,Gy,Gz)|}=\frac{\left(\right(Sx-Gx),(Sy-Gy),(Sz-Gz\left)\right)}{\sqrt{{(Sx-Gx)}^2+{(Sy-Gy)}^2+{(Sz-Gz)}^2}}$

则在焦平面投影为：

${\stackrel{\→}{V}}_{g\_c}={\stackrel{\→}{V}}_g-({\stackrel{\→}{V}}_g\·\stackrel{\→}{F})\×\stackrel{\→}{F}$

其中：

为之间的夹角。

c.偏流角计算方法

已知矢量和求二者之间夹角可利用下式进行计算：

$\begin{array}{c}\left|{\stackrel{\→}{V}}_{s\_c}\×{\stackrel{\→}{V}}_{g\_c}\right|=\left|{\stackrel{\→}{V}}_{s\_c}\right|\×\left|{\stackrel{\→}{V}}_{g\_c}\right|\×\sin d\left(\mathrm{\θ}\right(t\left)\right)\⇒\\ \mathrm{\θ}\left(t\right)=arc\sin d\left(\frac{\left|{\stackrel{\→}{V}}_{s\_c}\×{\stackrel{\→}{V}}_{g\_c}\right|}{\left|{\stackrel{\→}{V}}_{s\_c}\right|\×\left|{\stackrel{\→}{V}}_{g\_c}\right|}\right)\end{array}$

(7)根据步骤(6)计算所得卫星姿态实时变化情况下，偏流角的实时数值，在焦面增加偏流角补偿装置，可采用如图3和图4所示两种方案。

对于图3所示方案，对旋转电机的指标要求按下式计算：

动态范围：θ(t)_min～θ(t)_max

最大角速率：

对于图4所示方案，对位移调节组件的指标要求按下式计算：

线阵方向位移调节组件：

动态范围：L-L×cosd(θ(t))

调节频率：(L-L×cosd(θ(t)))/dt

级数方向位移调节组件：

动态范围：L-L×sind(θ(t))

调节频率：(L-L×sind(θ(t)))/dt

其中，L为TDICCD半宽值。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种高分辨率光学卫星机动成像偏流角修正方法，其特征在于步骤如下：

1)根据实际卫星参数，建立卫星模型以及卫星上TDICCD相机成像模型；

2)根据待观测目标位置，确定卫星姿态机动方案，生成卫星实时姿态机动数据，并根据步骤1)得到的卫星模型以及TDICCD相机成像模型，获得姿态机动过程中卫星实时位置坐标以及成像地面点坐标同时得到卫星实时位置坐标和地面点坐标所对应的时间t；

3)将步骤2)得到的卫星实时位置坐标对时间t求导，计算获得卫星速度矢量其中

4)将步骤2)得到的地面点坐标对时间t求导，计算获得摄影点地速矢量其中

5)计算卫星速度矢量与地速矢量在TDICCD相机焦平面上投影矢量之间的夹角θ(t)，即偏流角θ(t)；

51)计算获得卫星速度矢量在焦平面的投影矢量

52)计算获得地速矢量在焦平面的投影矢量 其中 为之间的夹角；

53)计算获得偏流角

6)在卫星姿态机动方案下，建立偏流角θ(t)随时间变化模型，根据该模型采用焦面偏流角补偿装置将偏流角θ(t)实时修正为0度。