CN111486850B - 一种对地观测卫星在轨帧频调整策略 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对地观测卫星在轨帧频调整方法，所述对地观测卫星在轨帧频调整方法包括：步骤一、根据所述对地观测卫星相对于目标点的侧摆斜视的角度，计算所述目标点相对于所述对地观测卫星的方位角和俯仰角；步骤二：建立目标点直线方程，计算所述目标点直线方程参数，根据所述目标点直线方程参数获取地面空间元沿切向分辨率及地面空间元沿径向分辨率；步骤三：联立目标点地面空间元斜椭圆方程及高程信息，根据所述地面空间元沿切向分辨率及所述地面空间元沿径向分辨率，修正沿轨迹方向分辨率；步骤四：实时计算帧频。

Description

一种对地观测卫星在轨帧频调整策略

技术领域

本发明属于航天器遥感观测技术领域，涉及一种对地观测卫星在轨帧频调整策略。

背景技术

对地观测卫星广泛应用于气象预报、森林调查、国家普查、海洋预报、灾害监测、地图测绘以及军事侦察等等领域，在国民经济、社会发展和国家安全中都发挥着不可或缺的作用，对地观测已经成为卫星技术的主要应用方向之一。

对地观测卫星，目前常用的是采用固定的帧频，由于相机观测会受到卫星姿态运动的影响，固定的相机帧频只能满足姿态稳定的情况需求，对于姿态机动情况下的成像，拍出的图像会出现诸如有重影等问题，没法满足遥感卫星高精度成像要求。为了可以满足对地观测卫星的高精度成像需求，本发明设计了一种对地观测卫星在轨帧频调整策略，可以在轨对相机的帧频进行调整，实现观测图像的稳定输出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对对地观测卫星在轨观测图像受到卫星姿态的影响，提出一种在轨帧频调整方法，以满足对地观测卫星的高精度成像需求。

为解决所述问题，本发明设计了一种对地观测卫星在轨帧频调整方法，所述对地观测卫星在轨帧频调整方法包括：

根据所述对地观测卫星相对于目标点的侧摆斜视的角度，计算所述目标点相对于所述对地观测卫星的方位角和俯仰角；

根据所述方位角和所述俯仰角建立目标点直线方程，计算所述目标点直线方程参数，根据所述目标点直线方程参数获取地面空间元沿切向分辨率及地面空间元沿径向分辨率；

联立目标点地面空间元斜椭圆方程及高程信息，根据所述地面空间元沿切向分辨率及所述地面空间元沿径向分辨率，修正沿轨迹方向分辨率；

根据所述沿轨迹方向分辨率实时计算帧频。

可选的，在所述的对地观测卫星在轨帧频调整方法中，所述根据所述对地观测卫星相对于目标点的侧摆斜视的角度，计算所述目标点相对于所述对地观测卫星的方位角和俯仰角还包括：

在所述对地观测卫星进行凝扫成像的任意时刻，根据所述对地观测卫星的实时位置及所述目标点的已知位置，确定所述目标点在轨道系坐标系中的单位方向矢量为：

V_sat2tg＝(x_tg,y_tg,z_tg)

所述轨道系坐标系以所述对地观测卫星为原点，所述对地观测卫星至对地观测卫星的星下点为所述轨道系坐标系的Z轴，所述轨道系坐标系的X轴和Y轴均与所述Z轴垂直；

所述对地观测卫星至所述目标点的天底角为：

α＝arccos(z_tg)

所述目标点至所述对地观测卫星的方位角为：

θ_az＝arctan(x_tg/y_tg)

所述目标点至所述对地观测卫星的俯仰角为：

θ_el＝90-α。

可选的，在所述的对地观测卫星在轨帧频调整方法中，所述根据所述方位角和所述俯仰角建立目标点直线方程，计算所述目标点直线方程参数，根据所述目标点直线方程参数获取地面空间元沿切向分辨率及地面空间元沿径向分辨率还包括：

所述对地观测卫星绕所述Z轴旋转所述方位角的角度，再绕所述Y轴旋转所述俯仰角的角度，以使所述对地观测卫星的光轴指向所述目标点，所述目标点地面空间元为一矩形；所述目标点直线方程参数包括对地观测卫星至目标点的斜距和目标点相对于对地观测卫星的高度角；

所述对地观测卫星至所述目标点的斜距为：

所述目标点相对于对地观测卫星的高度角为：

其中，Rsat为对地观测卫星轨道高度，Re为地球半径；

所述地面空间元沿切向分辨率为：

所述地面空间元沿径向分辨率为：

其中，p为所述目标点地面空间元的像元尺寸，f为所述对地观测卫星的光学相机的焦距。

可选的，在所述的对地观测卫星在轨帧频调整方法中，所述联立目标点地面空间元斜椭圆方程及高程信息，根据所述地面空间元沿切向分辨率及所述地面空间元沿径向分辨率，修正沿轨迹方向分辨率还包括：设置所述光学相机的每个像素为正方形，所述光学相机的每个像素对应对称的正方形视场，做出每个像素正方形的内切圆和外接圆；

所述对地观测卫星实际在轨进行凝扫成像时，调整所述每个像素的偏航方向，以使所述地面空间元前沿和所述地面空间元后沿与地面轨迹方向垂直，计算旋转之后每个像素对应的地面空间元沿地面轨迹方向上的距离，作为所述沿轨迹方向分辨率；所述高程信息包括：

所述内切圆的半长轴为：

a＝r_r/2

所述内切圆的半短轴为：

b＝r_t/2

所述偏航方向的旋转角为：

c＝θ_az

所述目标点地面空间元斜椭圆方程为：

mx²+ny²+kxy＝1

将所述高程信息带入所述目标点地面空间元斜椭圆方程中，

所述沿轨迹方向分辨率为：

可选的，在所述的对地观测卫星在轨帧频调整方法中，所述根据所述沿轨迹方向分辨率实时计算帧频还包括：

帧频计算如下：

其中，v为所述对地观测卫星的飞行速度，△s为所述沿轨迹方向分辨率。

在本发明提供的对地观测卫星在轨帧频调整方法中，通过根据对地观测卫星相对于目标点的侧摆斜视的角度，计算目标点相对于对地观测卫星的方位角和俯仰角，根据方位角和俯仰角建立目标点直线方程，计算目标点直线方程参数，根据目标点直线方程参数获取地面空间元沿切向分辨率及地面空间元沿径向分辨率，根据地面空间元沿切向分辨率及地面空间元沿径向分辨率，修正沿轨迹方向分辨率，根据沿轨迹方向分辨率实时计算帧频，实现了针对当前对地观测卫星的成像需求，设计了一种对地观测卫星在轨帧频调整策略，满足了对地观测卫星对高精度成像的需求。现有技术中对地观测卫星，目前常用的是采用固定的帧频，由于相机观测会受到卫星姿态运动的影响，固定的相机帧频只能满足姿态稳定的情况需求，对于姿态机动情况下的成像，拍出的图像会出现诸如有重影等问题，难以满足遥感卫星高精度成像要求。本发明针对当前对地观测卫星的成像需求，设计了一种对地观测卫星在轨帧频调整策略，运用本发明提出的方法，可以对相机帧频进行在轨调整，形成清晰、连贯和稳定的图像输出，可以满足高精度成像的需求。本发明方法具有较强的理论应用和工程实用价值，效果明显，便于工程实现。本发明提出的技术方案通过了地面仿真验证，保证了卫星轨道控制的精度。

附图说明

图1为本发明一实施例的径向观测分辨率及切向观测分辨率计算方法示意图；

图2为本发明一实施例的沿轨迹方向分辨率计算方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的对地观测卫星在轨帧频调整方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

本发明的核心思想在于提供一种对地观测卫星在轨帧频调整方法，以解决现有的对地观测卫星无法满足高精度成像需求的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种对地观测卫星在轨帧频调整方法，所述对地观测卫星在轨帧频调整方法包括：步骤一、根据所述对地观测卫星相对于目标点的侧摆斜视的角度，计算所述目标点相对于所述对地观测卫星的方位角和俯仰角；步骤二：根据所述方位角和所述俯仰角建立目标点直线方程，计算所述目标点直线方程参数，根据所述目标点直线方程参数获取地面空间元沿切向分辨率及地面空间元沿径向分辨率；步骤三：联立目标点地面空间元斜椭圆方程及高程信息，根据所述地面空间元沿切向分辨率及所述地面空间元沿径向分辨率，修正沿轨迹方向分辨率；步骤四：根据所述沿轨迹方向分辨率实时计算帧频。

<实施例一>

本实施例提出了一种对地观测卫星在轨帧频调整方法，所述对地观测卫星在轨帧频调整方法包括：步骤一、根据所述对地观测卫星相对于目标点的侧摆斜视的角度，计算所述目标点相对于所述对地观测卫星的方位角和俯仰角；步骤二：根据所述方位角和所述俯仰角建立目标点直线方程，计算所述目标点直线方程参数，根据所述目标点直线方程参数获取地面空间元沿切向分辨率及地面空间元沿径向分辨率；步骤三：联立目标点地面空间元斜椭圆方程及高程信息，根据所述地面空间元沿切向分辨率及所述地面空间元沿径向分辨率，修正沿轨迹方向分辨率；步骤四：根据所述沿轨迹方向分辨率实时计算帧频。

具体的，在所述的对地观测卫星在轨帧频调整方法中，所述步骤一还包括：在所述对地观测卫星进行凝扫成像的任意时刻，根据所述对地观测卫星的实时位置及所述目标点的已知位置，确定所述目标点在轨道系坐标系中的单位方向矢量为：

V_sat2tg＝(x_tg,y_tg,z_tg)

所述轨道系坐标系以所述对地观测卫星为原点，所述对地观测卫星至对地观测卫星的星下点为所述轨道系坐标系的Z轴，所述轨道系坐标系的X轴和Y轴均与所述Z轴垂直；

所述对地观测卫星至所述目标点的天底角为：

α＝arccos(z_tg)

所述目标点至所述对地观测卫星的方位角为：

θ_az＝arctan(x_tg/y_tg)

所述目标点至所述对地观测卫星的俯仰角为：

θ_el＝90-α。

如图1所示，在所述的对地观测卫星在轨帧频调整方法中，所述步骤二还包括：所述对地观测卫星绕所述Z轴旋转所述方位角的角度，再绕所述Y轴旋转所述俯仰角的角度，以使所述对地观测卫星的光轴指向所述目标点，所述目标点地面空间元为一矩形；所述目标点直线方程参数包括对地观测卫星至目标点的斜距和目标点相对于对地观测卫星的高度角；

所述对地观测卫星至所述目标点的斜距为：

所述目标点相对于对地观测卫星的高度角为：

其中，Rsat为对地观测卫星轨道高度，Re为地球半径；

所述地面空间元沿切向分辨率为：

所述地面空间元沿径向分辨率为：

其中，p为所述目标点地面空间元的像元尺寸，f为所述对地观测卫星的光学相机的焦距。

认为探测器每个像素为正方形，对应对称的正方形视场，作每个像素正方形的内切圆和外接圆，则投影到地面时，由于卫星距离远，空间分辨率低，可认为地面投影为平行投影，且投影面可假设为平面，基于此假设，内切圆和外接圆的地面投影为同心椭圆，如图2左侧所示。实际在轨凝扫观测时，需要调整偏航方向，使得空间元前沿和后沿与地面轨迹方向垂直，如此则可保证高光谱空间线视场与地面轨迹垂直。因此，需要求解旋转之后每个像素对应的地面空间元在X方向上的距离，即为沿轨迹方向分辨率。可知，斜椭圆的长轴即为偏航调整之前的径向观测分辨率，短轴即为切向观测分辨率。因此，如图2所示，在所述的对地观测卫星在轨帧频调整方法中，所述步骤三还包括：设置所述光学相机的每个像素为正方形，所述光学相机的每个像素对应对称的正方形视场，做出每个像素正方形的内切圆和外接圆；所述对地观测卫星实际在轨进行凝扫成像时，调整所述每个像素的偏航方向，以使所述地面空间元前沿和所述地面空间元后沿与地面轨迹方向垂直，计算旋转之后每个像素对应的地面空间元沿地面轨迹方向上的距离，作为所述沿轨迹方向分辨率；所述高程信息包括：

所述内切圆的半长轴为：

a＝r_r/2

所述内切圆的半短轴为：

b＝r_t/2

所述偏航方向的旋转角为：

c＝θ_az

所述目标点地面空间元斜椭圆方程为：

mx²+ny²+kxy＝1

将所述高程信息带入所述目标点地面空间元斜椭圆方程中，

所述沿轨迹方向分辨率为：

进一步的，在所述的对地观测卫星在轨帧频调整方法中，所述步骤四还包括：

帧频计算如下：

其中，v为所述对地观测卫星的飞行速度，△s为所述沿轨迹方向分辨率。

在1:n降地速条件下，帧频计算如下：

在本发明提供的对地观测卫星在轨帧频调整方法中，通过根据对地观测卫星相对于目标点的侧摆斜视的角度，计算目标点相对于对地观测卫星的方位角和俯仰角，根据方位角和俯仰角建立目标点直线方程，计算目标点直线方程参数，根据目标点直线方程参数获取地面空间元沿切向分辨率及地面空间元沿径向分辨率，根据地面空间元沿切向分辨率及地面空间元沿径向分辨率，修正沿轨迹方向分辨率，根据沿轨迹方向分辨率实时计算帧频，实现了针对当前对地观测卫星的成像需求，设计了一种对地观测卫星在轨帧频调整策略，满足了对地观测卫星对高精度成像的需求。现有技术中对地观测卫星，目前常用的是采用固定的帧频，由于相机观测会受到卫星姿态运动的影响，固定的相机帧频只能满足姿态稳定的情况需求，对于姿态机动情况下的成像，拍出的图像会出现诸如有重影等问题，难以满足遥感卫星高精度成像要求。本发明针对当前对地观测卫星的成像需求，设计了一种对地观测卫星在轨帧频调整策略，运用本发明提出的方法，可以对相机帧频进行在轨调整，形成清晰、连贯和稳定的图像输出，可以满足高精度成像的需求。本发明方法具有较强的理论应用和工程实用价值，效果明显，便于工程实现。本发明提出的技术方案通过了地面仿真验证，保证了卫星轨道控制的精度。

综上，上述实施例对对地观测卫星在轨帧频调整方法的不同方案进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (5)

1.一种对地观测卫星在轨帧频调整方法，其特征在于，所述对地观测卫星在轨帧频调整方法包括：

根据所述对地观测卫星相对于目标点的侧摆斜视的角度，计算所述目标点相对于所述对地观测卫星的方位角和俯仰角；

根据所述方位角和所述俯仰角建立目标点直线方程，计算所述目标点直线方程参数，根据所述目标点直线方程参数获取地面空间元沿切向分辨率及地面空间元沿径向分辨率；

联立目标点地面空间元内切斜椭圆方程及高程信息，根据所述地面空间元沿切向分辨率及所述地面空间元沿径向分辨率，修正沿轨迹方向分辨率；

根据所述沿轨迹方向分辨率实时计算帧频。

2.根据权利要求1所述的对地观测卫星在轨帧频调整方法，其特征在于，所述根据所述对地观测卫星相对于目标点的侧摆斜视的角度，计算所述目标点相对于所述对地观测卫星的方位角和俯仰角还包括：

在所述对地观测卫星进行凝扫成像的任意时刻，根据所述对地观测卫星的实时位置及所述目标点的已知位置，确定所述目标点在轨道系坐标系中的单位方向矢量为：

V_sat2tg＝(x_tg,y_tg,z_tg)

所述轨道系坐标系以所述对地观测卫星为原点，所述对地观测卫星至对地观测卫星的星下点为所述轨道系坐标系的Z轴，所述轨道系坐标系的X轴和Y轴均与所述Z轴垂直；

所述对地观测卫星至所述目标点的天底角为：

α＝arccos(z_tg)

所述目标点至所述对地观测卫星的方位角为：

θ_az＝arctan(x_tg/y_tg)

所述目标点至所述对地观测卫星的俯仰角为：

θ_el＝90-α。

3.根据权利要求2所述的对地观测卫星在轨帧频调整方法，其特征在于，所述根据所述方位角和所述俯仰角建立目标点直线方程，计算所述目标点直线方程参数，根据所述目标点直线方程参数获取地面空间元沿切向分辨率及地面空间元沿径向分辨率还包括：

所述对地观测卫星绕所述Z轴旋转所述方位角的角度，再绕所述Y轴旋转所述俯仰角的角度，以使所述对地观测卫星的光轴指向所述目标点，所述目标点地面空间元为一矩形；所述目标点直线方程参数包括对地观测卫星至目标点的斜距和目标点相对于对地观测卫星的高度角；

所述对地观测卫星至所述目标点的斜距为：

所述目标点相对于对地观测卫星的高度角为：

其中，Rsat为对地观测卫星轨道高度，Re为地球半径；

所述地面空间元沿切向分辨率为：

所述地面空间元沿径向分辨率为：

其中，p为所述目标点地面空间元的像元尺寸，f为所述对地观测卫星的光学相机的焦距。

4.根据权利要求3所述的对地观测卫星在轨帧频调整方法，其特征在于，

所述联立目标点地面空间元斜椭圆方程及高程信息，根据所述地面空间元沿切向分辨率及所述地面空间元沿径向分辨率，修正沿轨迹方向分辨率还包括：设置所述光学相机的每个像素为正方形，所述光学相机的每个像素对应对称的正方形视场，做出每个像素正方形的内切圆和外接圆；

所述对地观测卫星实际在轨进行凝扫成像时，调整所述每个像素的偏航方向，以使所述地面空间元前沿和所述地面空间元后沿与地面轨迹方向垂直，计算旋转之后每个像素对应的地面空间元沿地面轨迹方向上的距离，作为所述沿轨迹方向分辨率；所述高程信息包括：

所述内切圆的半长轴为：

a＝r_r/2

所述内切圆的半短轴为：

b＝r_t/2

所述偏航方向的旋转角为：

c＝θ_az

所述目标点地面空间元斜椭圆方程为：

mx²+ny²+kxy＝1

将所述高程信息带入所述目标点地面空间元斜椭圆方程中，

所述沿轨迹方向分辨率为：

5.根据权利要求4所述的对地观测卫星在轨帧频调整方法，其特征在于，所述根据所述沿轨迹方向分辨率实时计算帧频还包括：

帧频计算如下：

其中，v为所述对地观测卫星的飞行速度，△s为所述沿轨迹方向分辨率。

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