CN107659776A - 高分辨率卫星动态机动延长曝光时间方法 - Google Patents

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徐伟
王亚敏
杨秀彬
王旻
金光
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Abstract

高分辨率卫星动态机动延长曝光时间方法，涉及高分辨率卫星成像技术领域，解决敏捷卫星成像过程中，期望成像分辨率高而曝光时间短从而导致的TDI CCD积分级数多、像移补偿难度高的问题，本发明根据卫星轨道参数和目标经纬度进行成像任务规划，然后依据轨道参数确定卫星的飞行速度以及对应的成像曝光时间，进而由曝光时间确定出所需要的卫星像移补偿精度，最后判断卫星是否能够满足该精度要求，若满足，则依据上述规划结果执行成像；若不满足，则加入一个后摆补偿参数，再次计算曝光时间和像移补偿精度，直至满足要求。本发明方法简单、可靠、易行，提高了高分辨率卫星成像的稳定性及灵活性，实现了最优成像的目的。

Description

高分辨率卫星动态机动延长曝光时间方法
技术领域
本发明涉及高分辨率卫星成像技术领域，具体涉及一种高分辨率卫星动态机动延长曝光时间方法。
背景技术
目前，高分辨率对地观测卫星的分辨率大都在米级范围内，成像效果不够理想。卫星为了提高相机的成像效果，依据光学***设计，主要采用增大焦距或降低轨道这两种方法。由于增大焦距会对相机的研制带来许多困难，包括设计、加工、铸造与整体重量过大等问题，所以常常采取降低卫星轨道高度的方法。但在降低卫星轨道高度的同时，卫星相机数据的曝光时间会显著降低，曝光时间降低是阻碍轨道高度降低从而提高地面像元分辨率的瓶颈，主要表现在以下两方面：1、曝光时间降低使TDI CCD驱动时序波形的生成增大难度；2、曝光时间降低影响带载工作时的驱动波形，从而影响相机的清晰成像。因此，本文为解决这一困境，根据曝光时间与相对地速的关系，提出了在原有成像姿态的基础上后摆动态机动补偿的方法，在保证不降低成像分辨率的同时，又大大减轻了星载各***的压力，实现对地成像曝光时间的最优选择。
发明内容
本发明为解决敏捷卫星成像过程中，期望成像分辨率高而曝光时间短从而导致的TDI CCD积分级数多、像移补偿难度高的问题，提供一种高分辨率卫星动态机动延长曝光时间方法。
高分辨率卫星动态机动延长曝光时间方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、根据轨道高度确定卫星飞行速度；
步骤二、根据步骤一获得的卫星飞行速度计算TDI CCD的曝光时间；
步骤三、根据步骤二获得的曝光时间，计算卫星成像的像移补偿精度；
步骤四、判断步骤三获得的像移补偿精度是否小于一个TDI CCD像元，如果是，计算过程结束；如果否，补入后摆补偿角度参数，返回步骤一，直到满足卫星指标要求，实现延长曝光时间。
本发明的有益效果：本发明主要根据卫星轨道参数和目标经纬度进行成像任务规划，然后依据轨道参数确定卫星的飞行速度以及对应的成像曝光时间，进而由曝光时间确定出所需要的卫星像移补偿精度，最后判断卫星是否能够满足该精度要求，若满足，则依据上述规划结果执行成像；若不满足，则加入一个后摆补偿参数，再次计算曝光时间和像移补偿精度，直至满足要求。
本发明所述的高分辨率成像为了获得不同目标点的高质量图像，需要TDICCD在轨进行严格的匹配曝光，而曝光过程中对卫星像移补偿***的精度又提出了较高要求，进而影响成像清晰度。本发明综合考虑高分辨率和对像移补偿***的高要求，提出了后摆机动补偿策略，使航天TDI CCD对目标点进行高质量成像成为可能。在航天相机微光凝视成像领域以及军工光学技术领域提供一种智能动态机动曝光时间计算方法，方法简单易行，大大提高了高分辨率成像的可行性和图像清晰度。
本发明所述的方法从卫星对地成像质量出发，综合考虑高分辨率和对像移补偿***的高要求，既保留了高分辨率的优势，又减轻了卫星像移补偿***的压力。本发明方法提高了高分辨率卫星成像的稳定性及灵活性，实现了最优成像的目的。
附图说明
图1为本发明所述的高分辨率卫星动态机动延长曝光时间方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，高分辨率卫星动态机动延长曝光时间方法，方法如下：
步骤1：卫星根据轨道参数和目标经纬度进行成像任务规划；
步骤2：根据轨道高度确定卫星飞行速度；
步骤3：根据卫星飞行速度计算相应的曝光时间；
步骤4：通过计算曝光时间分析卫星成像所需的像移补偿精度；
步骤5：若卫星能够满足步骤3中的像移补偿精度，则计算过程结束；若不能，则需加入一个后摆补偿角度参数再次计算卫星曝光时间，依次循环，直到满足卫星指标要求，计算结束。
具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的高分辨率卫星动态机动延长曝光时间方法的实施例：
1、根据卫星所在的太阳同步轨道六根数(轨道半场轴6878.14km，轨道偏心率0，轨道倾角97.4°，近地点幅角90°，升交点赤经256.732°，真近点角33°)和目标点长春的经纬度(125.32°，43.88°)，利用STK软件，建立卫星对目标点的成像模型，姿控***控制卫星在J2000惯性坐标系下对地球目标点进行稳定指向，并按照2Hz的周期得出相应的随时间变化的三轴姿态信息报告。
2、当卫星轨迹满足目标可视范围时，根据轨道参数计算卫星飞行在地面上的投影速度v地：
其中，M是地球质量，G是引力常量，为定值，R是卫星所在位置对应的地球半径，H是卫星轨道高度。代入数值计算得卫星飞行在地面上的投影速度v地＝7.06km/s，映射到像面上的速度为v像＝0.0847m/s。
3、通过分析卫星及相机参数，建立相机光学***匹配关系，计算与TDI CCD相机严格配准的曝光时间：
其中，T为曝光时间，a为TDI CCD相机像元尺寸，大小为8.75um。代入数值计算得T＝8.26×10-5s。
4、卫星成像过程中相对地面高速运动，需要对相机进行精确的像移补偿。利用相机焦面矢量与卫星姿态变化关系建立像面像移计算模型，通过对位置矢量的求导与光学***焦距的乘积得到像移速度矢量，通过曝光时间内卫星稳像姿态变化引起的像移量不超过一个像元，计算像移补偿精度：
其中，ψc，为卫星偏航角，为卫星偏航角速度，θc为卫星俯仰角，为卫星俯仰角速度，为卫星横滚角，为卫星横滚角速度，(g1,g2,g3)为相机焦平面的初始位置矢量，如焦平面中心点矢量为(0,0,1)。(c1,c2,c3)为姿态变化后的焦面位置变化矢量，将焦面位置变化矢量方程两边对t求导后乘以焦距f并令t＝0，则可得像面像移速度矢量：
5、与相机自身的像移补偿精度相比，若可以满足，则计算结束；若满足不了，则卫星自身姿态控制***控制卫星增加一个后摆补偿俯仰角速度相机成像的曝光时间为：
6、重复步骤4-5，不断增大角度的大小，形成帧频偏差量进行反馈调整，直到满足指标需求，此时，曝光时间选取最优：
T'＝0.216×10-3s
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 (3)

1.高分辨率卫星动态机动延长曝光时间方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：
步骤一、根据轨道高度确定卫星飞行速度；
步骤二、根据步骤一获得的卫星飞行速度计算TDI CCD的曝光时间；
步骤三、根据步骤二获得的曝光时间，计算卫星成像的像移补偿精度；
步骤四、判断步骤三获得的像移补偿精度是否小于一个TDI CCD像元，如果是，计算过程结束；如果否，补入后摆补偿角度参数，返回步骤一，直到满足卫星指标要求，实现延长曝光时间。
2.根据权利要求1所述的高分辨率卫星动态机动延长曝光时间方法，其特征在于，根据轨道参数计算卫星飞行在地面上的投影速度v地：
式中，M为地球质量，G为引力常量，R为卫星所在位置对应的地球半径，H为卫星轨道高度。
3.根据权利要求1所述的高分辨率卫星动态机动延长曝光时间方法，其特征在于，卫星成像动态机动延长曝光时间计算方法为：采用TDI CCD焦面矢量与卫星姿态变化关系建立像面像移计算模型，通过对焦面位置变化矢量的求导与光学***焦距的乘积得到像移速度矢量，通过曝光时间内卫星稳像姿态变化引起的像移量不超过一个像元计算。
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