CN106291546B - 一种视频卫星扩大成像范围的推凝视成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种视频卫星扩大成像范围的推凝成像方法，该方法从传统的凝视成像覆盖范围有限的劣势出发，设计了在凝视成像过程中，卫星凝视跟踪成像时本体相对轨道坐标系的姿态角的变化中引入K值，使光轴缓慢的向前推移，从而沿轨方向、非沿轨方向成像幅宽增大，实现大范围覆盖成像的推凝视成像。本发明方法简单可靠、易行，扩大了凝视成像范围，扩展了视频卫星的应用领域。本发明是国内首个针对扩大凝视成像范围提出推凝视模式结合的快速可靠方法。

Description

一种视频卫星扩大成像范围的推凝视成像方法

技术领域

本发明涉及卫星姿态动力学与运动学技术领域，具体涉及一种视频卫星扩大成像范围的推凝视成像方法。

背景技术

遥感卫星的成像模式包括光机扫描方式、推扫成像和凝视成像。卫星的“凝视”成像模式是指卫星在沿轨道进动过程中，虽然目标区域和卫星的相对位置关系不断变化，但通过调整卫星的姿态角度和姿态角速度，可使卫星中的光学有效载荷的光轴始终动态指向地球上的指定景物区域，从而实现光学有效载荷对景物区域内的目标连续成像，这种方式获得比传统卫星更多的动态信息，有益于提高信噪比，可连续观测全视场内发生的现象，时间分辨率很高，特别适于观测动态目标，分析其瞬时特性。这种低成本视频卫星正以其特殊的优势逐渐成为航天遥感领域的发展方向之一。然而面阵CCD视场范围较小，一般只有几公里，在轨“凝视”卫星虽然通过对同一目标进行“凝视”成像实现高的时间分辨率，但覆盖范围有限。凝视成像覆盖面积仅取决于光学载荷全视场角度，大大影响了在轨卫星成像覆盖范围。所以视频卫星存在着观测幅宽有限，覆盖性差的劣势。

发明内容

为了解决传统面阵相机凝视成像的幅宽和覆盖范围有限的问题，本发明提出了一种视频卫星扩大成像范围的推凝视成像方法。

本发明的技术解决方案是：

一种视频卫星扩大成像范围的推凝视成像方法，包括以下步骤：

在凝视成像的过程中，将光轴匀速的向前推移，使沿轨方向、非沿轨方向成像幅宽增大。

在上述技术方案中，上视频卫星扩大成像范围的推凝视成像方法的具体步骤为：

在凝视成像的过程中，通过卫星姿控***控制俯仰角度θ'满足：

θ'＝θ×K，

其中，θ为凝视俯仰角度，K为比例系数，满足|K|<1；则有：

L1＝h×tgθ

L2＝h×tgθ′

L3＝L1-L2

其中，L1为卫星俯仰θ角时光轴中心到卫星俯仰0°角时光轴中心的距离，L2为卫星俯仰θ′角时光轴中心到卫星俯仰0°角时光轴中心的距离，L3为卫星俯仰θ′角时光轴中心与卫星俯仰θ角时光轴中心之间的距离。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明的视频卫星扩大成像范围的推凝视成像方法，综合考虑了卫星的机动能力和成像能力，及卫星凝视跟踪成像时本体相对轨道坐标系的姿态角和角速度的变化；依据凝视卫星动态跟踪成像的姿态角和姿态角速度的变化及动态跟踪精度对成像的影响，设计K值系数的设置，使传统的凝视成像提升为推凝成像方式，方法简单易行，扩大了凝视成像范围。

本发明在视频卫星凝视成像模式的基础上，提出了推凝视的扩展模式，不改变机械硬件机构，通过微调凝视卫星俯仰角度的方法来增加其覆盖范围，可以一次性监测大范围目标区域，可实现沿轨和非沿轨推凝成像，大大扩展了视频卫星对区域成像的应用领域。

本发明是国内首个针对扩大凝视成像范围提出推凝视模式结合的快速可靠方法。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为推凝视成像模式示意图。

图2为推凝成像与凝视成像覆盖范围示意图。

图3为已知K值推算推凝成像覆盖范围面积的方法示意图。

图4为确定卫星推凝成像的期望覆盖范围推算K值的方法示意图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：本发明的视频卫星扩大成像范围的推凝视成像方法主要是在凝视成像过程中，光轴缓慢的向前推移，使沿轨方向、非沿轨方向成像幅宽增大，从而实现大范围覆盖成像的目的。即如图1所示。

本发明的视频卫星扩大成像范围的推凝视成像方法，为实现卫星进动和地球自转情况下卫星对运动目标的凝视动态跟踪，卫星姿态控制需要保证光学探测器的光轴矢量始终指向目标，凝视成像时卫星姿态控制***需要对卫星本体坐标系相对于轨道坐标系的三轴姿态角(横滚俯仰θ，偏航ψ)，进行实时控制。

推凝成像过程中，卫星本体坐标系相对于轨道坐标系的偏航角和横滚角与凝视成像过程中卫星本体坐标系相对于轨道坐标系的偏航角和横滚角角度值保持不变(即ψ'＝ψ)，仅在凝视成像原有俯仰角度基础上加入一个比例系数K，并且K值在每次任务规划时是可以根据成像范围进行选取的。

|K|<1时，推凝成像模式中卫星姿控***控制的俯仰角度θ'＝凝视俯仰角度θ×K，乘系数K以后推凝成像与凝视成像覆盖范围如图2所示。如K＝1时，则推凝视模式等同于传统凝视模式。

以下结合附图给出的实施例对本发明的方法作进一步详细描述。

(1)在不考虑地球曲率的前提下，已知K值，推算推凝成像覆盖范围面积。

假设卫星轨道高度h＝500km，卫星俯仰角能力θ≤±30°，相机成像范围3km×3km＝9km²，K＝0.98，θ＝30°，θ'＝30°×0.98＝29.4°。示意图如图3所示。

将已知条件代入以下公式：

L1＝h×tgθ

L2＝h×tgθ′

L3＝L1-L2

L1为卫星俯仰θ角时光轴中心到卫星俯仰0°角时光轴中心的距离，L2为卫星俯仰θ′角时光轴中心到卫星俯仰0°角时光轴中心的距离，L3为卫星俯仰θ′角时光轴中心与卫星俯仰θ角时光轴中心之间的距离。

可以计算出L1＝288.675km，L2＝281.735km，L3＝6.94km，S1＝9km²，S2＝20.82km²，其中，S1为θ＝30°时相机在地面的成像范围，S2为由θ变为θ'时地面成像区域对应的面积增量；因为卫星的俯仰角度是±30°，所以最终的推凝成像覆盖范围为2×S2+S1＝50.64km²。从结果可见，将K值定为0.98就可以实现比传统凝视成像大5.6倍的覆盖范围。

(2)在不考虑地球曲率的前提下，确定卫星推凝成像的期望覆盖范围，推算K值。

假设卫星轨道高度h＝500km，卫星俯仰角能力θ≤±30°，相机成像范围3km×3km＝9km²，θ＝30°，L3＝1km则推凝成像可扩大6km²覆盖范围。示意图如图4所示。

由以上已知，可知L1-L2＝1km，则

将已知条件代入公式，计算出θ＝29.8989°，则K＝θ/θ'＝0.99663。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种视频卫星扩大成像范围的推凝视成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

在凝视成像的过程中，将光轴匀速的向前推移，使沿轨方向、非沿轨方向成像幅宽增大；

具体步骤为：

(1)在不考虑地球曲率的前提下，已知比例系数K，推算推凝成像覆盖范围面积；

假设卫星轨道高度h，凝视俯仰角度θ，相机单帧地面成像范围为正方形，面积为S1；

根据已知K值可计算出实际俯仰角度θ'：

θ'＝θ×K，

满足|K|<1；则有：

L1＝h×tgθ

L2＝h×tgθ′

L3＝L1-L2

其中，L1为卫星俯仰θ角时光轴中心到卫星俯仰0°角时光轴中心的距离，L2为卫星俯仰θ'角时光轴中心到卫星俯仰0°角时光轴中心的距离，L3为卫星俯仰θ'角时光轴中心与卫星俯仰θ角时光轴中心之间的距离；

由此可以计算出L1，L2，L3和S2；

其中，S2为由θ变为θ'时地面成像区域对应的面积增量；

因为卫星的俯仰角度是±θ，所以最终的推凝成像覆盖范围为2×S2+S1；

(2)在不考虑地球曲率的前提下，确定卫星推凝成像的期望覆盖范围，推算K值；

已知条件：假设卫星轨道高度h，凝视俯仰角度θ，相机单帧地面成像范围为正方形、面积为S1，卫星俯仰θ'角时光轴中心与卫星俯仰θ角时光轴中心之间的距离为L3，即需要扩大的面积

俯仰角度θ'满足：

将已知条件代入上述公式，计算出θ'，则K＝θ/θ'，即可推算出K值。