CN107152926B - 一种卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像方法，本发明涉及超大幅宽摆扫成像方法。本发明是要解决常规成像方法无法满足地面区域超大幅宽成像，解决单个卫星相邻两轨成像区域之间的无缝拼接成像的问题，而提出的一种卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像方法。该方法是通过一、计算垂直于轨道的幅宽L₅；二、计算飞行方向的幅宽L₁；三、确定探测器光轴中心在地表的星下点轨迹上的距离L₂的临界值是飞行方向的幅宽L₁；四、计算探测器沿轨方向的自旋速度；五、计算各种轨道条件下探测器实现超大幅宽成像时对应的分辨率A_c；六、计算CCD行频F_p；七、计算两轨的成像区域之间叠加距离为L₆等步骤实现的。本发明应用于超大幅宽摆扫成像领域。

Description

一种卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像方法

技术领域

本发明涉及卫星超大幅宽摆扫成像方法，特别涉及一种卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像方法。

背景技术

卫星的推扫成像一般是通过将探测器安置在垂直于卫星的飞行方向上，卫星向前飞行的时候，一次收集一行图像。图像的范围大小依据探测器中CCD的视场范围而定，一般采用多个CCD拼接或者同时增大相机侧摆能力可实现更大范围的视场。这是目前较通用的光学遥感卫星成像方式。卫星的摆扫成像是使用反射镜将光线反射到探测器内，利用反射镜的往返摆动收集一个像素上的测量值。这种成像方式移动部件非常昂贵且容易损坏，视场范围有限。

本发明在常规卫星推扫和摆扫成像的基础上，提出一种利用卫星快速旋转实现超大幅宽摆扫成像的方法。线阵CCD与卫星飞行方向平行，通过探测器360°连续自旋，同时实现摆扫和推扫，从而实现卫星对地成像覆盖范围的最大化。

现阶段常规卫星均为静态推扫成像或大角度动态推扫成像，专利号CN201410151609.9“一种基于增量式偏流角的动中成像卫星姿态控制方法”，涉及一种动中成像卫星姿态控制方法，选取卫星当前目标姿态为参考基准，求解偏流角的增量，并将更新后的参考姿态矩阵作为姿态控制时的目标姿态矩阵，使得卫星姿态能够跟踪上目标姿态。专利号CN201410163903.1“一种新型敏捷卫星机动中成像方法”，该方法在卫星模型中建立CCD像平面，通过投影计算得到像移速度矢量和偏流角，控制卫星的偏航角进行偏流角的修正，满足机动中的成像要求，实现卫星在三轴姿态机动过程中开启光学有效载荷进行成像的动态成像。专利号CN201510466057.5“反射镜摆动宽幅成像系统及成像方法”，提供了一种反射镜摆动宽幅成像系统，通过摆动反射镜的转动扩大可见光面阵成像相机的成像视场，实现可见光面阵成像相机对星下点的宽度方向进行多角度拍照。

上述技术方案只能针对卫星均为静态推扫成像、大角度动态推扫成像或卫星静态反射镜摆动成像，无法满足地面区域超大幅宽成像，不能解决单个卫星相邻两轨成像区域之间的无缝拼接成像问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决只能针对卫星均为静态推扫成像、大角度动态推扫成像或卫星静态反射镜摆动成像的方法，无法满足地面区域超大幅宽成像，不能解决单个卫星相邻两轨成像区域之间的无缝拼接成像问题，而提出的一种卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

步骤一、假设卫星轨道高度h，取地球半径R，计算圆心角2θ所对应的地球表面的曲线上的AB两点之间的曲线距离即地球表面的幅宽L₅；

步骤二、假设探测器视场角为η，则根据视场角和轨道高度计算探测器的视场范围L₁即为飞行方向的幅宽；

步骤三、两次成像时探测器光轴中心在地表的星下点轨迹上的距离L₂必须小于等于飞行方向的幅宽L₁，L₂的临界值是飞行方向的幅宽L₁；

步骤四、取临界值L₂＝L₁带入如下公式则计算出探测器沿轨方向的自旋速度：

探测器绕沿轨方向的自旋速度大于等于v_Z时，满足探测器的两次相邻成像区域之间没有缝隙，如果低于v_Z，则两次成像区域之间会有缝隙；

步骤五、结合探测器固有的特征参数选择不同的侧摆角度计算各种轨道条件下探测器实现超大幅宽成像时对应的分辨率A_c；其中，探测器固有的特征参数包括像元尺寸和焦距；

步骤六、根据探测器自旋速度v_Z及分辨率A_c计算CCD行频F_p：

步骤七、已知卫星轨道高度为h的太阳同步轨道，卫星绕地球一圈为T，则一天卫星绕地球约Q圈，赤道周长为l，则在赤道处，相邻两轨之间的距离为L₃＝l/Q，已知轨道倾角为σ，则两轨之间的直线距离为L₄＝L₃×sinσ，由计算已知即地球表面的幅宽L₅，则计算相邻两轨成像区域之间的叠加距离为L₆＝L₅-L₄。

发明效果

本发明在常规卫星推扫和摆扫成像的基础上，提出一种利用卫星快速旋转实现超大幅宽摆扫成像的方法。线阵CCD与卫星飞行方向平行，通过卫星360°连续自旋，卫星快速旋转速度1～10°/s；同时实现摆扫和推扫，实现卫星对地成像覆盖范围的最大化从而实现中低轨道卫星千公里级的超大幅宽摆扫成像。

传统的推扫、摆扫卫星成像，如果要对某一区域完全覆盖，需要多次对该区域重访，即多轨数据拼接；虽然加上侧摆能力可以加大对区域的覆盖能力，但是一次性采集地面数据的时间分辨率和覆盖能力都不能满足当前卫星快速响应的任务需求。

本发明综合考虑了卫星的机动能力和成像能力，依据卫星动态成像的姿态角和姿态角速度的变化及动态变化对成像的影响，设计了一种在卫星飞行过程中，探测器光轴随着卫星的前进方向旋转，在沿轨方向或非沿轨方向成像，从而实现一次性大范围覆盖成像的方法。本发明公开了一种卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像的方法，该方法针对传统遥感卫星上采用的推扫、摆扫成像方法中幅宽有限的问题，在卫星飞行过程中，使探测器光轴随着卫星的前进缓慢的向前；随着卫星的360°匀速旋转，向左或右推移。使沿轨方向或非沿轨方向成像幅宽增大，以实现大范围覆盖成像的目的。本发明方法简单可靠、易行，扩大了推摆扫成像范围，扩展了推摆扫卫星的应用领域。本发明是国内首个针对扩大成像范围提出的卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像及大覆盖面积的可靠方法。

探测器的旋转可以通过探测器相对于卫星平台旋转或者随整星结构整体旋转实现。

为实现卫星进动和地球自转情况下卫星对地面大区域探测，卫星姿态控制系统需要保证探测器360°连续匀速旋转，成像时卫星姿态控制系统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，以保证探测器匀速自旋，自旋速度的选取要保证摆扫过程中相邻成像区域之间没有漏缝，即保证成像区域1与成像区域2之间没有缝隙，如图2所示。

附图说明

图1为具体实施方式一提出的卫星自旋飞行示意图；

图2为具体实施方式一提出的探测器覆盖区域示意图。

图3为具体实施方式一提出的垂轨幅宽计算示意图。

图4为具体实施方式一提出的沿轨幅宽计算示意图。

图5为具体实施方式一提出的一定侧摆角成像对应的分辨率下降示意图。

图6为具体实施方式一提出的卫星侧摆角与地面成像分辨率对应关系。

图7为实施例提出的两轨拼接示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种卫星快速旋转超大幅宽推扫成像方法，具体是按照以下步骤制备的：

步骤一、假设卫星轨道高度h，取地球半径R，计算圆心角2θ所对应的地球表面的曲线上的AB两点之间的曲线距离即地球表面的幅宽L₅，如图3所示；

步骤二、假设探测器视场角为η，则根据视场角和轨道高度计算探测器的视场范围L₁即为飞行方向的幅宽如图4所示；

步骤三、只有探测器两次相邻的成像区域之间无缝隙才能实现超大幅宽，成像区域示意图见图2，即两次成像时探测器光轴中心在地表的星下点轨迹上的距离L₂必须小于等于飞行方向的幅宽L₁，因此，可认为L₂的临界值是飞行方向的幅宽L₁；

步骤四、取临界值L₂＝L₁带入如下公式则计算出探测器沿轨方向的自旋速度：

探测器绕沿轨方向的自旋速度大于等于v_Z时，可以满足探测器的两次相邻成像区域之间没有缝隙，如果低于v_Z，则两次成像区域之间会有缝隙，不能实现超大幅宽成像；

步骤五、探测器的地表分辨率与其侧摆角度大小密切相关，一种卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像的方法，通过探测器的360°旋转能够提供大范围的侧摆角，但并不是随着侧摆角的增大探测器的分辨率越高，只是在一定的侧摆角范围内，相同的轨道条件下，侧摆角越大探测器的分辨率越高；为兼顾高分辨率和地面条带无缝拼接两方面的要求，需要成像幅宽与分辨率A_c相互制约；

这是因为卫星侧摆角度很大时，卫星与地球表面相切程度增大，除了卫星分辨率随着侧摆物距的变化，卫星在地面上的投影角度也变大，对应成像的几何分辨率变形严重，会出现严重的分辨率下降，如图5所示；此时，结合探测器固有的特征参数选择不同的侧摆角度计算各种轨道条件下探测器实现超大幅宽成像时对应的分辨率A_c；卫星侧摆角与分辨率对应关系如图6所示；其中，探测器固有的特征参数包括像元尺寸和焦距；

步骤六、探测器的转速v_Z及分辨率A_c也决定了CCD行频F_p的大小，而CCD器件均具有自身的极限行频，超出该极限行频则探测器无法正常成像；根据探测器自旋速度v_Z及分辨率A_c可以计算CCD行频F_p；

步骤七、如图2所示，探测器自旋成像时，成像区域两侧变形较大，考虑两轨之间即两次成像区域之间的距离，可以减小成像区域在垂直沿轨方向的距离L₆，即两轨之间重叠区域，使用两轨数据拼接的方式；如图7所示；

已知卫星轨道高度为h的太阳同步轨道，卫星绕地球一圈为T，则一天卫星绕地球约Q圈，赤道周长为l，则在赤道处，相邻两轨之间的距离为L₃＝l/Q，已知轨道倾角为σ，则两轨之间的直线距离为L₄＝L₃×sinσ，由计算已知地球表面的幅宽L₅，则可计算相邻两轨的成像区域之间的叠加距离为L₆＝L₅-L₄；

如果成像区域两侧边缘处变形较大，可通过图像处理的过程中减小L₆的取值，即在保证两轨之间无缝拼接的情况下，减小两轨之间重叠区域，以保证实现超大幅宽的同时避免成像区域两侧边缘处的变形带来的图像变形。

本实施方式效果：

本实施方式在常规卫星推扫和摆扫成像的基础上，提出一种利用卫星快速旋转实现超大幅宽摆扫成像的方法。线阵CCD与卫星飞行方向平行，通过卫星360°连续自旋，卫星快速旋转速度1～10°/s；同时实现摆扫和推扫，实现卫星对地成像覆盖范围的最大化从而实现中低轨道卫星千公里级的超大幅宽摆扫成像。

传统的推扫、摆扫卫星成像，如果要对某一区域完全覆盖，需要多次对该区域重访，即多轨数据拼接；虽然加上侧摆能力可以加大对区域的覆盖能力，但是一次性采集地面数据的时间分辨率和覆盖能力都不能满足当前卫星快速响应的任务需求。

本实施方式综合考虑了卫星的机动能力和成像能力，依据卫星动态成像的姿态角和姿态角速度的变化及动态变化对成像的影响，设计了一种在卫星飞行过程中，探测器光轴随着卫星的前进方向旋转，在沿轨方向或非沿轨方向成像，从而实现一次性大范围覆盖成像的方法。本实施方式公开了一种卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像的方法，该方法针对传统遥感卫星上采用的推扫、摆扫成像方法中幅宽有限的问题，在卫星飞行过程中，使探测器光轴随着卫星的前进缓慢的向前；随着卫星的360°匀速旋转，向左或右推移。使沿轨方向或非沿轨方向成像幅宽增大，以实现大范围覆盖成像的目的。本实施方式方法简单可靠、易行，扩大了推摆扫成像范围，扩展了推摆扫卫星的应用领域。本实施方式是国内首个针对扩大成像范围提出的卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像及大覆盖面积的可靠方法。

探测器的旋转可以通过探测器相对于卫星平台旋转或者随整星结构整体旋转实现。

为实现卫星进动和地球自转情况下卫星对地面大区域探测，卫星姿态控制系统需要保证探测器360°连续匀速旋转，成像时卫星姿态控制系统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，以保证探测器匀速自旋，自旋速度的选取要保证摆扫过程中相邻成像区域之间没有漏缝，即保证成像区域1与成像区域2之间没有缝隙，如图2所示。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述地球表面的幅宽L₅计算如下：

圆心角

地球表面的幅宽其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中所述飞行方向的幅宽L₁具体为：

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中L₂计算如下：

其中，卫星在轨道上的角速度为线速度为Ω×(R+h)，引力常数为μ＝3.986006×10⁵km³/s²。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤五中所述不同侧摆角成像对应的分辨率A_c计算方法如下，如图6所示：

α＝π-δ

则分辨率为：

A_c＝L_c×a/f/cosα

δ为视线与地心半径夹角，L_c为物距，f为焦距；a为像元尺寸；为卫星侧摆角度；α为投影角；β为地心角。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

采用以下实施例验证本实施方式的有益效果：

实施例一：

本实施例一种卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像方法，具体是按照以下步骤制备的：

步骤一、假设卫星轨道高度h＝500km，取地球半径R＝6371km，计算圆心角2θ所对应的地球表面的曲线上的AB两点之间的曲线距离即地球表面的幅宽L₅计算如下：

圆心角

地球表面的幅宽如图3所示；。

步骤二、假设探测器视场角η＝33.2°，则根据视场角和轨道高度计算探测器的视场范围L₁具体为：

如图4所示。

步骤三、只有探测器两次相邻成像区域之间无缝隙才能实现超大幅宽，成像区域示意图见图2，即两次成像时探测器光轴中心在地表的星下点轨迹上的距离L₂必须小于等于飞行方向的幅宽L₁，因此，可认为L₂的临界值是飞行方向的幅宽L₁；L₂计算如下：

其中，卫星在轨道上的角速度为线速度为Ω×(R+h)，探测器绕沿轨方向的自旋速度为v_Z，引力常数为μ＝3.986006×10⁵km³/s²。

步骤四、取临界值L₂＝L₁＝298km带入如下公式则计算出探测器沿轨方向的自旋速度：

探测器绕沿轨方向的自旋速度大于等于v_Z时，可以满足探测器的两次相邻成像区域之间没有缝隙实现超大幅宽成像，如果低于v_Z，则两次成像区域之间会有缝隙，不能实现超大幅宽成像；

探测器绕沿轨方向的自旋速度不能低于9.2°/s，如果低于9.2°/s两次成像区域之间会有缝隙。

步骤五、探测器的地表分辨率与其侧摆角度大小密切相关，一种卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像的方法，通过探测器的360°旋转能够提供大范围的侧摆角，但并不是随着侧摆角的增大探测器的分辨率越高，只是在一定的侧摆角范围内，相同的轨道条件下，侧摆角越大探测器的分辨率越高；为兼顾高分辨率和地面条带无缝拼接两方面的要求，需要成像幅宽与分辨率A_c相互制约；

这是因为卫星侧摆角度很大时，卫星与地球表面相切程度增大，除了卫星分辨率随着侧摆物距的变化，卫星在地面上的投影角度也变大，对应成像的几何分辨率变形严重，会出现严重的分辨率下降，如图5所示；此时，结合探测器固有的特征参数选择不同的侧摆角度计算各种轨道条件下探测器实现超大幅宽成像时对应的分辨率A_c；卫星侧摆角与分辨率对应关系如图6所示；其中，探测器固有的特征参数包括像元尺寸和焦距；

所述不同侧摆角成像对应的分辨率计算方法如下如图6所示：

α＝π-δ

则分辨率为：

A_c＝L_c×a/f/cosα

δ为视线与地心半径夹角，L_c为物距，f为焦距；a为像元尺寸；为卫星侧摆角度；α为投影角；β为地心角

步骤六、探测器的转速v_Z及分辨率A_c也决定了CCD行频F_p的大小，而CCD器件均具有自身的极限行频，超出该极限行频则探测器无法正常成像；根据探测器自旋速度v_Z及分辨率A_c计算CCD行频F_p：

假设探测器的焦距f＝1.18m，像元尺寸a＝3.5μm，此时，卫星星下点对应分辨率为A_c＝500km×3.5μm/1.18m＝1.5m。当探测器侧摆角度取为时，对应分辨率为A_c＝3.4m，当卫星侧摆角度为时，对应地表分辨率为A_c＝9.6m。卫星自旋转速v_Z＝9.2°/s时可实现相邻两轨成像区域之间无缝拼接，此时取A_c＝1.5m，取L_c为轨道高度L_c＝500km，对应的CCD行频为F_p＝54K；

步骤七、如图2所示，探测器自旋成像时，成像区域两侧变形较大，考虑两轨之间即相邻两次成像区域之间的距离，可以减小成像区域在垂直沿轨方向的距离L₆，即两轨之间重叠区域，使用两轨数据拼接的方式；如图7所示；

已知卫星轨道高度为h＝500km的太阳同步轨道，卫星绕地球一圈为T＝5676.98s，则一天卫星绕地球约Q＝15.2圈，赤道周长为l＝40000km，则在赤道处，相邻两轨之间的距离为L₃＝l/Q＝40000km/15.2≈2631.6km，已知轨道倾角为σ＝97.4°，则两轨之间的直线距离为L₄＝L₃×sinσ＝2631.6km×sin97.4°≈2609.7km，由计算的该轨道下已知地球表面的幅宽L₅最大为4890km，则可计算相邻两轨的成像区域之间的叠加距离为L₆＝L₅-L₄＝4890km-2609.7km＝2280.3km；

如果成像区域两侧边缘处变形较大，可通过图像处理的过程中减小L₆的取值，即在保证两轨之间无缝拼接的情况下，减小两轨之间重叠区域，以保证实现超大幅宽的同时避免成像区域两侧边缘处的变形带来的图像变形。

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。

本实施方式还可有其它多种实施例，在不背离本实施方式精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本实施方式作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实施方式所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像方法，其特征在于，该方法具体是按照以下步骤进行的：

步骤一、假设卫星轨道高度h，取地球半径R，计算圆心角2θ所对应的地球表面的曲线上的AB两点之间的曲线距离即幅宽L₅；

步骤二、假设探测器视场角为η，则根据视场角和轨道高度计算探测器的视场范围L₁即为飞行方向的幅宽；

步骤三、两次成像时探测器光轴中心在地表的星下点轨迹上的距离L₂必须小于等于飞行方向的幅宽L₁，L₂的临界值是飞行方向的幅宽L₁；

步骤四、取临界值L₂＝L₁带入如下公式则计算出探测器沿轨方向的自旋速度：

探测器绕沿轨方向的自旋速度大于等于v_Z时，满足探测器的两次相邻成像区域之间没有缝隙，如果低于v_Z，则两次成像区域之间会有缝隙；

步骤五、结合探测器固有的特征参数选择不同的侧摆角度计算各种轨道条件下探测器实现超大幅宽成像时对应的分辨率A_c；其中，探测器固有的特征参数包括像元尺寸和焦距；

步骤六、根据探测器自旋速度v_Z及分辨率A_c计算CCD行频F_p：

步骤七、已知卫星轨道高度为h的太阳同步轨道，卫星绕地球一圈为T，则一天卫星绕地球约Q圈，赤道周长为l，则在赤道处，相邻两轨之间的距离为L₃＝l/Q，已知轨道倾角为σ，则两轨之间的直线距离为L₄＝L₃×sinσ，由计算已知地球表面的幅宽L₅，则计算相邻两轨成像区域之间的叠加距离为L₆＝L₅-L₄。

2.根据权利要求1所述一种卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像方法，其特征在于：步骤一中所述地球表面的幅宽L₅计算如下：

圆心角

地球表面的幅宽

3.根据权利要求1所述一种卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像方法，其特征在于：步骤二中所述飞行方向的幅宽L₁具体为：

4.根据权利要求1所述一种卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像方法，其特征在于：步骤三中L₂的距离计算如下：

其中，卫星在轨道上的角速度为线速度为Ω×(R+h)，引力常数为μ＝3.986006×10⁵km³/s²。

5.根据权利要求1所述一种卫星快速旋转超大幅宽摆扫成像方法，其特征在于：步骤五中所述不同侧摆角成像对应的分辨率A_c计算方法如下：

α＝π-δ

则分辨率为：

A_c＝L_c×a/f/cosα

δ为视线与地心半径夹角，L_c为物距，f为焦距；a为像元尺寸；为卫星侧摆角度；α为投影角；β为地心角。