CN104266635A - 基于复眼相机的卫星及其天基观测系统 - Google Patents

基于复眼相机的卫星及其天基观测系统 Download PDF

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韩旭
杨金
张雨辰
孙克新
刘正全
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Abstract

本发明公开了一种基于复眼相机的卫星，包括复眼相机系统以及用于搭载复眼相机系统的卫星平台系统。同时还提供了其天基观测系统，包括多颗基于复眼相机的卫星组网形成。本发明卫星平台系统采用1000kg平台，复眼相机系统的视场为18×18°，卫星的视场为180×360°，卫星飞行在太阳同步晨昏轨道上，形成空间目标监视能力；卫星平台系统采用3000kg平台，复眼相机系统的视场为1×1°，卫星的视场为60×60°，卫星飞行在太阳同步轨道上，形成对地普查能力；卫星平台系统采用9000kg平台，复眼相机系统的视场为0.1×0.1°，卫星的视场为12×12°，卫星运行在静止轨道，形成对天地往返动目标的监测能力。

Description

基于复眼相机的卫星及其天基观测系统
技术领域
本发明涉及卫星总体技术领域的天基观测技术，具体地，涉及一种由多颗复眼卫星组网的用于的多目标监视的基于复眼相机的卫星及其天基观测系统。
背景技术
随着天基观测系统对光学成像系统的要求越来越高，人们对光学系统的性能要求也越来越高，尤其是重量、尺寸、视场、分辨率等指标。
传统的天基观测系统一般采用数量较多的卫星组网进行联合监视，由于单个卫星的视场窄，观测目标的能力有限，因此不仅需要较高的机动能力，而且需要数量繁多的卫星同时观测，效能低下。
昆虫复眼是由许多个结构与功能相同的小眼通过曲面阵列的形式组合而成。单个复眼的小眼个数从几百到几万个不等，小眼的数目越多视场就越大，对运动物体的分辨能力就越强，人们结合其体积小、重量轻、视场大等优点，设计出了多个小相机阵列排列的“复眼”光学系统，与单孔径光学系统相同，复眼光学系统具有先天优势，将目前广泛使用的单孔径光学系统用多孔径光学系统代替从而达到使整个系统轻巧、高效的目的。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的天基观测系统单星效能低、卫星数量多等问题，提供了一种基于复眼相机的卫星及其天基观测系统。
本发明是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于复眼相机的卫星，包括复眼相机系统以及用于搭载复眼相机系统的卫星平台系统。
优选地，所述复眼相机系统由多个(数十个)具有180度全视场且直径较小的小型相机组成。
优选地，所述基于复眼相机的卫星具有如下任一种参数结构：
所述卫星平台系统采用1000kg平台，所述复眼相机系统的视场为18×18°，所述基于复眼相机的卫星的视场为180×360°；
所述卫星平台系统采用3000kg平台，所述复眼相机系统的视场为1×1°，所述基于复眼相机的卫星的视场为60×60°；
所述卫星平台系统采用9000kg平台，所述复眼相机系统的视场为0.1×0.1°，所述基于复眼相机的卫星的视场为12×12°。
根据本发明的另一个方面，提供了一种天基观测系统，主要由多颗基于复眼相机的卫星组网形成，其中，多颗基于复眼相机的卫星具有如下任一种或任多种参数结构：
卫星平台系统采用1000kg平台，复眼相机系统的视场为18×18°，基于复眼相机的卫星的视场为180×360°，卫星飞行在太阳同步晨昏轨道上，形成空间目标监视能力；
卫星平台系统采用3000kg平台，复眼相机系统的视场为1×1°，基于复眼相机的卫星的视场为60×60°，卫星飞行在太阳同步轨道上，形成对地普查能力；
卫星平台系统采用9000kg平台，复眼相机系统的视场为0.1×0.1°，基于复眼相机的卫星的视场为12×12°，卫星运行在静止轨道，形成对天地往返动目标的监测能力。
本发明提供的基于复眼相机的卫星及其天基观测系统，采用多颗基于复眼相机的卫星，可应用于空间目标动态感知任务、对地测绘任务和天地往返动目标观测任务。
与现有技术相比，本发明具有如下技术特点：
1、能够大范围捕获与多目标跟踪，成像分辨率均匀，对动态目标敏感，能够解决传统天基观测系统繁琐而复杂的问题，且可靠性高；
2、基于复眼相机的卫星，由于相对单孔径相机具有视场大、无轴外像差、景深大、动态目标敏感等优点，不但可以实现全视场成像，且轴外轴内成像质量一致，还可以超远距离成像，其对目标运动信息的捕获及预测更为精确，采用较少数量的卫星组网即可实现较高的监视效能，相对于传统的监视系统具有较多优势；
3、卫星平台系统搭载视场为全视场(180°)的复眼相机系统，形成大范围、多目标观测，通过合理的轨道选择，，可以完成空间目标动态感知任务；
4、基于复眼相机的卫星运行在近地太阳同步轨道，搭载大视场复眼相机，形成超宽视景、均匀分辨率的图像，可以应用于对地测绘任务；
5、基于复眼相机的卫星定点在地球同归轨道上，搭载高分辨率复眼相机，对天地往返目标形成全方位、高动态灵敏度的不间断监测，可以应用于对天地往返动目标的观测任务。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为基于复眼相机的卫星三视图，其中，(a)为主视图，(b)为侧视图，(c)为俯视图；
图2为空间目标覆盖性能对比示意图，其中，(a)为450km空域，(b)为400空域；
图3为对地覆盖能力对比示意图；
图4为对地基发射动目标覆盖能力对比示意图；
图中：1为复眼相机系统，2为卫星平台系统。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种基于复眼相机的卫星，包括复眼相机系统以及用于搭载复眼相机系统的卫星平台系统。
进一步地，所述复眼相机系统由数十个具有180度全视场且直径较小的小型相机组成。
进一步地，所述基于复眼相机的卫星具有如下任一种参数结构：
所述卫星平台系统采用1000kg平台，相应地，所述复眼相机系统的视场为18×18°，所述卫星的视场为180×360°；
所述卫星平台系统采用3000kg平台，相应地，所述复眼相机系统的视场为1×1°，所述卫星的视场为60×60°；
所述卫星平台系统采用9000kg平台，相应地，所述复眼相机系统的视场为0.1×0.1°，所述卫星的视场为12×12°。
实施例2
本实施例提供了一种天基观测系统，主要由多颗实施例1提供的基于复眼相机的卫星组网形成，其中，多颗基于复眼相机的卫星分别具有任一种或任多种如下参数结构：
卫星平台系统采用1000kg平台，相应地，复眼相机系统的视场为18×18°，基于复眼相机的卫星的视场为180×360°，卫星飞行在太阳同步晨昏轨道上，形成空间目标监视能力；
卫星平台系统采用3000kg平台，相应地，复眼相机系统的视场为1×1°，基于复眼相机的卫星的视场为60×60°，卫星飞行在太阳同步轨道上，形成对地普查能力；
卫星平台系统采用9000kg平台，相应地，复眼相机系统的视场为0.1×0.1°，基于复眼相机的卫星的视场为12×12°，卫星运行在静止轨道，形成对天地往返动目标的监测能力。
下文结合附图对上述两个实施例作进一步阐述。
以下示意性地以空间目标监视为例进行阐述，当然，还可以监视地面目标。
实施例2提供的天基观测系统，包括多颗实施例1提供的基于复眼相机的卫星(以下简称复眼相机卫星)，其中，如图1(a)、(b)和(c)所示，复眼相机卫星包括：卫星平台系统2和复眼相机系统1；所述复眼相机系统1搭载于所述卫星平台系统2上。该天基观测系统可应用于空间目标动态感知任务、对地测绘任务和天地往返动目标观测任务。
在一种具体方案中，所述的复眼相机系统1是由几十个直径较小的小型相机组成。
在一种具体方案中，所述的天基观测系统，由多颗复眼相机卫星组网，形成大视场、宽覆盖、高灵敏度的监测能力。
下面针对三种应用任务提出的具体仿真实例：
(1)空间目标监视
卫星采用1000kg平台，每个小相机的视场为18×18°，整个复眼光学系统视场为180×360°，分辨率为0.5m150km。卫星飞行在500km高度太阳同步晨昏轨道上，具备变轨能力，可对观测范围内的卫星进行成像。
如图2(a)和(b)所示，两颗卫星对500km轨道空域的覆盖效率基本一致，基于复眼相机卫星的天基观测系统，总体覆盖率高出5％，但在450km空域，复眼卫星的覆盖率高出35％，在400km空域，复眼卫星仍可以达到55％的覆盖率而空间目标监视卫星的覆盖率为零。
(2)对地普查任务
卫星采用3000kg平台，每个小相机视场为1×1°，整个复眼光学系统视场为60×60°，分辨率为5m500km。卫星飞行在500km高度太阳同步轨道上，可对海洋和陆地等大中型目标进行普查，组网观测可大大提高观测效能。
如图3所示，与其他卫星组网规模相同，复眼对地观测卫星组网完成后，全球目标重访时间与其他卫星相比多了1.2小时(其他机动40°后可视幅宽达3200km，复眼机动30°后可视幅宽为2020km)，但由于地面分辨率的均匀一致性优于其他相机，实际的观测效能要优于其他系统。
(3)地基发射动目标监视
卫星采用9000kg平台，每个小相机视场为0.1×0.1°，整个复眼光学系统视场为12×12°，探测谱段为可见光、中波(4.2～4.45um)、中长波(5.5～7.5um)、长波(8～12um)，卫星运行在静止轨道，可同时捕捉多个地面发射的动目标并对其轨迹进行拍摄。
如图4所示，复眼卫星对地基发射动目标的可视段比其他监视卫星要长，并且可以同时跟踪多个目标，基于多个相机图像的轨迹判断精度也要高于单个相机的精度。
具体为：
在第一种具体方案中，所述的天基观测系统，空间目标动态感知任务方案为：卫星采用1000kg平台，每个小相机的视场为18×18°，整个复眼光学系统视场为180×360°，卫星飞行在500km高度太阳同步晨昏轨道上，形成空间目标监视能力。
在第二种具体方案中，所述的天基观测系统，对地测绘任务方案为：卫星采用3000kg平台，每个小相机视场为1×1°，整个复眼光学系统视场为60×60°，卫星飞行在500km高度太阳同步轨道上，形成对地普查能力。
在第三种具体方案中，所述的天基观测系统，天地往返动目标观测任务方案为：卫星采用9000kg平台，每个小相机视场为0.1×0.1°，整个复眼光学系统视场为12×12°，卫星运行在静止轨道，形成对天地往返动目标的监测能力。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种基于复眼相机的卫星，其特征在于，包括复眼相机系统以及用于搭载复眼相机系统的卫星平台系统。
2.根据权利要求1所述的基于复眼相机的卫星，其特征在于，所述复眼相机系统由多个具有180度全视场且直径较小的小型相机组成。
3.根据权利要求2所述的基于复眼相机的卫星，其特征在于，所述基于复眼相机的卫星具有如下任一种参数结构：
所述卫星平台系统采用1000kg平台，所述复眼相机系统的视场为18×18°，所述基于复眼相机的卫星的视场为180×360°；
所述卫星平台系统采用3000kg平台，所述复眼相机系统的视场为1×1°，所述卫基于复眼相机的卫星的视场为60×60°；
所述卫星平台系统采用9000kg平台，所述复眼相机系统的视场为0.1×0.1°，所述基于复眼相机的卫星的视场为12×12°。
4.一种天基观测系统，其特征在于，主要由多颗如权利要求1至3中任一项所述的基于复眼相机的卫星组网形成，其中，多颗基于复眼相机的卫星具有如下任一种或任多种参数结构：
卫星平台系统采用1000kg平台，复眼相机系统的视场为18×18°，基于复眼相机的卫星的视场为180×360°，卫星飞行在太阳同步晨昏轨道上，形成空间目标监视能力；
卫星平台系统采用3000kg平台，复眼相机系统的视场为1×1°，基于复眼相机的卫星的视场为60×60°，卫星飞行在太阳同步轨道上，形成对地普查能力；
卫星平台系统采用9000kg平台，复眼相机系统的视场为0.1×0.1°，基于复眼相机的卫星的视场为12×12°，卫星运行在静止轨道，形成对天地往返动目标的监测能力。
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