CN109029367A - 一种基于拓展目标点的凝视成像方法 - Google Patents

Abstract

一种基于拓展目标点的凝视成像方法涉及卫星姿态动力学与动态光学成像技术领域，解决了卫星固有视场范围凝视成像时间和覆盖范围有限的问题，包括：步骤一、根据任务规划的目标中心点确定拓展目标点，拓展目标点与地心的距离小于目标中心点与地心的距离；步骤二、给卫星姿控系统输入拓展目标点；步骤三、卫星姿控系统控制卫星对拓展目标点凝视成像，所成图像的部分图像包含目标中心点，且相邻两帧图像的覆盖重叠率大于50％。本发明综合考虑了卫星的机动能力和成像能力、及卫星相对轨道坐标系的姿态角和角速度的变化，使卫星对原规划的目标中心点凝视成像的同时，也大大拓展了对其周围的热点区域的大范围监测和搜索能力。此方法简单易行快速可靠。

Description

一种基于拓展目标点的凝视成像方法

技术领域

本发明涉及卫星姿态动力学与动态光学成像技术领域，具体涉及一种基于拓展目标点的凝视成像方法。

背景技术

卫星的“凝视”成像模式是指卫星在沿轨道进动过程中，通过调整卫星的姿态角度和姿态角速度，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目标区域，从而实现光学有效载荷对视场范围的区域景物目标进行连续成像。

当凝视卫星处于低轨时，卫星相对目标区域的相对位置快速变化，又因为卫星视场范围较小，一般只有几公里，所以卫星对目标区域的凝视成像时间和覆盖范围都受到了很大的限制，影响卫星的监测和搜索能力。

发明内容

为了解决卫星固有视场范围凝视成像时间和覆盖范围有限的问题，本发明提供一种基于拓展目标点的凝视成像方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于拓展目标点的凝视成像方法，包括：

步骤一、根据初始目标点确定拓展目标点，所述拓展目标点与地心的距离小于初始目标点与地心的距离；

步骤二、向卫星姿控系统输入拓展目标点；

步骤三、卫星姿控系统控制卫星对拓展目标点凝视成像，所成图像中的部分图像包含初始目标点，且相邻两帧图像的覆盖重叠率大于50％。

进一步的，所述初始目标点、拓展目标点和地心位于同一直线上。

进一步的，所述卫星的有效载荷的光轴指向拓展目标点。

进一步的，所述步骤一之前还包括确定任务规划和根据任务规划确定初始目标点的步骤。本发明的有益效果是：

本发明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，将卫星的凝视目标点拓展一定高度差，将原规划的初始目标点的高度值向地心拓展到新的目标点，即拓展目标点，从而使卫星对原规划的初始目标点凝视成像的同时，也大大拓展了对其周围的热点区域的大范围监测和搜索能力。在凝视成像模式的基础上，提出了可扩大搜索范围的凝视成像模式，在不需改变卫星或载荷的机械硬件机构的情况下，通过拓展卫星凝视目标点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，扩展了卫星对热点区域大范围搜索、监测的应用领域。此方法简单易行快速可靠。

附图说明

图1为本发明的一种基于拓展目标点的凝视成像方法的拓展目标点凝视成像模式示意图。

图2为本发明的一种基于拓展目标点的凝视成像方法的拓展目标点覆盖范围计算示意图。

图3为本发明的一种基于拓展目标点的凝视成像方法的连续两帧重叠率示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

为实现卫星凝视工作模式下对热点区域的大范围搜索，在卫星进动和地球自转情况下，需要保证光学探测器的光轴矢量始终指向搜索区域的中心点，即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。这里将搜索区域的中心点拓展一定高度差，即在每次地面站进行任务规划时，确定了初始目标区域，同时也就确定了初始目标区域的中心点——初始目标点，给卫星姿控系统输入初始目标点位置，将该任务规划的搜索区域的中心点(即初始目标点)的高度值向地心方向拓展到新的中心点(即拓展目标点)，从而实现了卫星对热点区域的大范围搜索能力。可根据相机的成像能力和卫星的姿态控制能力，确定高度差的大小，计算可扩大的监测范围，从而实现凝视大范围搜索。

本发明的一种基于拓展目标点的凝视成像方法具体包括如下步骤：

步骤一、根据任务规划的初始目标点确定拓展目标点，拓展目标点与地心的距离小于初始目标点与地心的距离；

步骤二、向卫星姿控系统输入拓展目标点，也就是更新了任务规划；

步骤三、卫星姿控系统控制卫星对拓展目标点凝视成像，卫星所成的所有图像其中的部分图像能够包含初始目标点(部分图像覆盖初始目标点和初始目标点的周边区域)，也就是不需要每帧图像均包含初始目标点，所成图像的每相邻两帧图像的覆盖重叠率应大于50％，覆盖重叠率要求大于50％，才可以进行动态目标的扩展搜索，如果小于50％，某些区域会出现一次成像(静态成像)，无法识别目标的动态信息。

优选的是，初始目标点的高度值向正对着地心的矢量方向(初始目标点与地心的连线方向)上拓展的到拓展目标点，对应着步骤一中的拓展目标点、初始目标点和地心位于同一直线上。

卫星对拓展目标点凝视成像具体为卫星姿控系统实时控制光轴指向拓展目标点，也就是卫星的有效载荷的光轴始终指向拓展目标点。

本发明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，将卫星的凝视目标点拓展一定高度差，将原规划的目标点的高度值向地心拓展到新的目标点(拓展目标点)，从而使卫星对原规划的初始目标点凝视成像的同时，也大大拓展了对其周围的热点区域的大范围监测和搜索能力。在凝视成像模式的基础上，提出了可扩大搜索范围的凝视成像模式，在不需改变卫星或载荷的机械硬件机构的情况下，通过拓展卫星凝视目标点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，扩展了卫星对热点区域大范围搜索、监测的应用领域。此方法简单易行、快速、可靠。

一种基于拓展目标点的凝视成像方法主要是在卫星凝视成像过程中，通过实时控制卫星的姿态角和姿态角速度使有效载荷光轴始终指向拓展目标点，拓展目标点与初始目标点存在一定的高度差，从而使沿轨方向与非沿轨方向成像范围增大，实现大范围搜索成像的目的，具体如图1所示，图中曲线F表示卫星飞行轨迹和飞行方向，曲线F即任务规划的卫星的飞行轨迹；曲线G表示卫星的星下点轨迹；点P表示初始目标点；点Q表示拓展目标点；点A、点B、点C、点D和点E均为曲线F上的点，分别表示卫星的五个位置；角α表示卫星的视场角；虚线X表示卫星光轴；H表示拓展目标点Q与初始目标点P的高度差；S₁表示原覆盖范围(卫星沿轨迹F上的A到E的飞行拍摄区间所对应初始目标点成像的覆盖面积)；S₂表示拓展后的覆盖范围(卫星沿轨迹F上的A到E的飞行拍摄区间所对应拓展目标点成像的覆盖面积)。覆盖范围的计算如图2所示。

假设卫星轨道高度h＝500km，拓展目标点Q与初始目标点P的高度差H＝100km，卫星相机成像范围3km×3km＝9km²，已知地球半径为R＝6371km，卫星以俯仰角θ₁＝30°指向拓展目标点Q开始成像。

根据以下公式：

β＝180-φ-θ

其中，φ是卫星到拓展目标点Q的连线与拓展目标点Q到地心O连线之间的夹角；θ₁是卫星俯仰角；θ是卫星星下点到地心O和到拓展目标点Q之间的夹角；β是卫星星下点和拓展目标点Q分别到地心O连线之间的夹角；L是卫星星下点轨迹始末两端时卫星光轴星下点之间的距离，L即图2中经由点P的粗线的弧长。

根据上式可以计算出L＝133.4km，因为幅宽是3km，始、末光轴星下点各差了半个视场，半个视场是1.5km，所以最终覆盖长度达到133.4++1.5+1.5＝136.4km，覆盖范围为3×136.4＝409.2km²。从结果可见，将目标点向地心拓展100km，可增大400.2km²(409.2-9＝400.2km²)的覆盖范围。

已知卫星行进速度为7.6km/s，卫星的地面速度为7km/s，则卫星俯仰±30°成像时间约为133.4/7＝19s，如果拍摄帧频为25帧/s，则连续两帧光轴星下点相隔d＝0.28km，两帧重叠区域为2.72km(3-0.28＝2.72km)，重叠率达到了2.72/3×100％＝90％，如图3所示，图3中左侧的大矩形表示第一帧图像覆盖面积，左侧的圆点表示第一帧图像覆盖面积的中心点，右侧的大矩形表示第二帧图像覆盖面积，右侧的圆点表示第一帧图像覆盖面积的中心点，中间的小矩形为重叠的面积，两个圆点的距离为连续两帧光轴星下点的距离，即为d＝0.28km。

Claims (4)

1.一种基于拓展目标点的凝视成像方法，其特征在于，包括：

步骤一、根据初始目标点确定拓展目标点，所述拓展目标点与地心的距离小于初始目标点与地心的距离；

步骤二、向卫星姿控系统输入拓展目标点；

步骤三、卫星姿控系统控制卫星对拓展目标点凝视成像，所成图像中的部分图像包含初始目标点，且相邻两帧图像的覆盖重叠率大于50％。

2.如权利要求1所述的一种基于拓展目标点的凝视成像方法，其特征在于，所述初始目标点、拓展目标点和地心位于同一直线上。

3.如权利要求1所述的一种基于拓展目标点的凝视成像方法，其特征在于，所述卫星的有效载荷的光轴指向拓展目标点。

4.如权利要求1所述的一种基于拓展目标点的凝视成像方法，其特征在于，所述步骤一之前还包括确定任务规划和根据任务规划确定初始目标点的步骤。