CN111402340A - 一种对地观测卫星的成像控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种对地观测卫星的成像控制系统，包括控制中心，对地成像相机以及轨道维持子系统，其中，对地成像相机的频帧根据卫星与目标点的相对卫星进行实时调整，轨道维持子系统包括惯性加速度测量单元及小推力执行单元，用于实现基于持续小推力的卫星轨道自主维持，以保证卫星成像期间稳定飞行。

Description

一种对地观测卫星的成像控制系统及方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种对地观测卫星的成像控制技术。

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。为了便于获取目标的高分辨率图像，对地观测卫星通常采用中低轨道卫星。

由于轨道高度低，大气阻力对轨道影响显著，因此，现有的低轨道卫星通常会采用大推力进行轨道修正，从而实现轨道维持，然而在大推力轨控期间极易引入强干扰，若此时卫星捕获到指定目标，则很难稳定地获取到指定目标的图像数据。同时，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。

因此，需要一种对地观测卫星的成像控制系统及方法，以随时稳定地获取指定目标的有效图像。

发明内容

针对现有技术中的至少部分问题，本发明一方面提供一种对地观测卫星的成像控制系统，包括：

控制中心，安装于卫星内部，用于计算帧频以及计算轨控小推力输出；

对地成像相机，安装于卫星上，用于拍摄遥感图像，所述对地成像相机的帧频可根据所述控制中心计算的帧频进行实时调整；以及

轨道维持子系统，包括：

惯性加速度测量单元，安装于卫星内部，包括惯性传感器，所述惯性加速度测量单元用于测量卫星的加速度；以及

小推力执行单元，安装于卫星上，包括推力器，所述小推力执行单元用于根据所述控制中心的轨控小推力输出的计算结果，输出推力，使得卫星实现轨道维持。

进一步地，所述轨控小推力输出根据以下公式计算得到：

X_K+1＝A_ob*X_k+B_ob*F_k+L_ob*Acc_k+1*m，

其中，X_k为所述推力器输出结果的第k个控制周期的状态量，A_ob为推力器安装矩阵，L_ob为所述惯性加速度测量单元的安装矩阵，B_ob为无拖曳力矩输出矩阵，F_k为第k个控制周期施加的无拖曳控制推力，Acc_k+1为在第k+1个控制周期内由惯性传感器测量得到的预处理后的相对加速度，m为卫星质量。

进一步地，所述帧频的计算包括：

根据卫星与目标点的相对位置关系，获取目标点的径向分辨率及切向分辨率；

根据高程信息及所述径向分辨率及切向分辨率，计算沿迹向分辨率；以及

根据所述沿迹向分辨率以及卫星速度，计算频帧。

本发明还提供一种对地观测卫星，包括卫星平台，帆板以及所述成像控制系统，其中：

卫星平台，用于安装卫星的各子系统及部件；以及

帆板，安装于所述卫星平台的两侧，用于对日充电，以保证系统供电。

本发明另一方面提供一种对地观测的成像控制方法，包括：

发现目标点后，小推力执行单元根据控制中心计算所得的轨控小推力输出，调整卫星姿态，使得所述对地成像相机的光轴执行目标点；

控制中心根据当前卫星与目标点的相对位置关系以及高程信息，计算频帧；以及

对地成像相机根据所述频帧设置频帧参数，进行图像获取。

本发明提供的一种对地观测卫星的成像控制系统，包括对地成像相机以及轨道维持子系统，其中，轨道维持子系统用于实现基于持续小推力的卫星轨道自主维持，以保证卫星长时间稳定飞行，对地成像相机的帧频可实时调整。因此，具有该成像系统的卫星在发现指定目标后，可以及时、稳定地获取所述目标的有效图像，提高了系统效率。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本发明一个实施例的一种对地观测卫星的结构示意图；以及

图2示出本发明的一个实施例的一种对地观测卫星的成像控制方法的流程示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

图1示出本发明一个实施例的一种对地观测卫星的结构示意图。如图1所示，一种对地观测卫星，包括卫星平台101，帆板111，以及成像控制系统，其中所述成像控制系统包括对地成像相机112，控制中心113，以及轨道维持子系统，其中：

所述帆板111安装于所述卫星平台101的两侧，在无任务时，对日充电，以保证系统供电；

所述对地成像相机112安装于所述卫星平台101的底部，用于拍摄遥感图像；所述对地成像相机112的帧频根据所述控制中心113计算的帧频进行实时调整；以及

所述控制中心113，安装于所述卫星平台101的内部，用于计算所述对地成像相机112的频帧以及设置小推力执行单元的轨控小推力输出；

所述轨道维持子系统包括：

惯性加速度测量单元，安装于所述卫星平台内部，包括惯性传感器131，所述惯性加速度测量单元用于测量卫星的加速度；以及小推力执行单元，安装于所述卫星平台上，包括推力器132，所述小推力执行单元用于根据所述控制中心的计算结果，输出推力，使得卫星实现轨道维持。

在本发明的一个实施例中，所述频帧的计算包括：

根据卫星当前的位置，获取目标点在VVLH坐标系中的坐标；

根据所述VVLH坐标系中的坐标，计算对应的地面空间元的径向分辨率及切向分辨率；

根据所述径向分辨率及切向分辨率，以及高程信息，获取所述地面空间元的沿迹向分辨率；以及

根据所述沿迹向分辨率及卫星当前速度，计算得到频帧。

在本发明的又一个实施例中，所述轨控小推力输出的计算过程如下：

首先，设置对地观测卫星的工作轨道范围，估算大气阻力的量级，包括：获取所述对地观测卫星的构型；设置所述对地观测卫星的工作轨道范围；根据所述工作轨道范围，获取所述工作轨道范围内的所述大气密度；获取所述对地观测卫星在工作轨道上的运行方向，并根据所述运行方向计算所述来流方向；根据所述大气密度和所述来流方向计算阻力系数；根据上述参数，估算所述大气阻力的值：

其中，F为所述大气阻力的值，C_d为所述阻力系数；ρ为所述工作轨道范围内的大气密度；S为所述迎风面积；v为所述大气相对卫星的速度；根据所述大气阻力的值，得到所述大气阻力的量级；

接下来，根据所述大气阻力的量级，分析惯性加速度测量单元的噪声的量级，得到惯性加速度测量单元噪声分析结果，包括：获取所述惯性加速度测量单元的精度，根据所述惯性加速度测量单元的精度获取下列各项至少之一：所述惯性传感器131的残余加速度噪声、所述测试质量直接加速度扰动、所述对地观测卫星与测试质量耦合刚度误差、以及所述高频噪声与量化噪声之和；获取所述对地观测卫星的质量，根据所述大气阻力的值与所述对地观测卫星的质量计算得到航天器受大气阻力加速度扰动：

σ1＝F/m，

其中，F为所述大气阻力的值，m为所述对地观测卫星的质量；根据所述对地观测卫星受大气阻力加速度扰动，评估所述对地观测卫星受大气阻力加速度扰动在所述惯性加速度测量单元的噪声中的比重，以使各项所述其他扰动的量级比所述对地观测卫星受大气阻力加速度扰动的量级低一级；

接下来，根据所述惯性加速度测量单元噪声分析结果，设置小推力执行单元的参数，并对所述惯性加速度测量单元和所述小推力执行单元进行在轨标定，得到标定后的惯性加速度输出结果，包括：设置小推力执行单元的参数，其中所述小推力执行单元的参数包括下列各项至少之一：小推力执行单元的控制频率、推力器连续工作时间、以及小推力执行单元的推力器设计裕度，根据所述控制频率及所述推力器连续工作时间确定所述小推力执行单元的推力器设计裕度；根据所述惯性加速度测量系统噪声分析结果，设置所述小推力执行单元的推力：

f＝K*σ；

其中：f为所述推力，K为所述推力器设计裕度，σ为所述惯性加速度测量单元的噪声；采用所述惯性传感器131进行超过100次的所述对地观测卫星的加速度测量，得到多个第一加速度测量值，计算所述多个第一加速度测量值的平均值，所述平均值作为所述标定后的惯性加速度输出结果；对所述推力器132进行标定，所述推力器132单次点火，所述惯性传感器131测量所述对地观测卫星的加速度，得到第二加速度测量值，根据所述对地观测卫星的质量和所述多个第二加速度测量值，计算所述推力器132输出结果的各个控制周期的状态量；以及

最后，根据所述标定后的惯性加速度输出结果，设置所述小推力执行单元的轨控小推力输出算法，包括：计算当前时刻小推力执行单元的推力器输出结果，进行闭环控制：

X_K+1＝A_ob*X_k+B_ob*F_k+L_ob*Acc_K+1*m

其中，X_k为所述推力器输出结果的第k个控制周期的状态量；A_ob为推力器132安装矩阵；L_ob为所述惯性加速度测量单元的安装矩阵；B_ob为无拖曳力矩输出矩阵；F_k为第k个控制周期施加的无拖曳控制推力；Acc_K+1为在第k+1个控制周期内由惯性传感器测量得到的预处理后的相对加速度；m为卫星质量。

图2示出本发明的一个实施例的一种对地观测卫星的成像控制方法的流程示意图。如图2所示，一种对地观测卫星的成像控制方法，包括：

步骤201，调整卫星姿态。发现目标点后，所述小推力执行单元根据所述控制中心计算所得的轨控小推力输出推力，调整卫星姿态，使得所述对地成像相机的光轴对准目标点，此时，对应的空间元前沿和后沿与地面轨迹方向垂直；

步骤202，计算频帧。所述控制中心根据当前卫星与目标点的相对位置关系以及高程信息，计算频帧；以及

步骤203，图像获取。所述对地成像相机根据所述频帧设置频帧参数，进行图像获取。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (4)

1.一种对地观测卫星的成像控制系统，其特征在于，包括：

对地成像相机，安装于所述卫星的底部，所述对地成像相机被配置为拍摄遥感图像；所述对地成像相机的帧频被配置为可实时调整；

轨道维持子系统，包括：

惯性加速度测量单元，包括惯性传感器，所述惯性传感器安装于所述卫星内部，所述惯性加速度测量单元被配置为测量所述卫星的加速度；以及

小推力执行单元，包括推力器，所述推力器安装于所述卫星上，所述小推力执行单元被配置为输出推力，使得卫星实现轨道维持；以及

控制中心，安装于所述卫星的内部，所述控制中心被配置为执行以下动作：

计算所述对地成像相机需要的频帧，包括：

根据卫星当前的位置，获取目标点在VVLH坐标系中的坐标；

根据所述VVLH坐标系中的坐标，计算对应的地面空间元的径向分辨率及切向分辨率；

根据所述径向分辨率及切向分辨率，以及高程信息，获取所述地面空间元的沿迹向分辨率；以及

根据所述沿迹向分辨率及卫星当前速度，计算得到频帧；以及

按照如下公式，计算所述小推力执行单元需要输出的推力：

X_K+1＝A_ob*X_k+B_ob*F_k+L_ob*Acc_K+1*m，

其中，X_k为所述推力器输出结果的第k个控制周期的状态量，A_ob为所述推力器的安装矩阵，L_ob为所述惯性加速度测量单元的安装矩阵，B_ob为无拖曳力矩输出矩阵，F_k为第k个控制周期施加的无拖曳控制推力，Acc_K+1为在第k+1个控制周期内由所述惯性传感器测量得到的预处理后的相对加速度，m为卫星质量。

2.如权利要求1所述的成像控制系统，其特征在于，发现目标点后，所述小推力执行单元根据所述控制中心计算所得的输出的推力，调整卫星姿态，使得所述对地成像相机的光轴对准目标点，所述对地成像相机根据控制中心基于当前卫星与目标点的相对位置关系以及高程信息计算所得的频帧设置频帧参数，进行图像获取。

3.一种对地观测卫星，其特征在于，包括：

卫星平台；

帆板，安装于所述卫星平台的两侧，被配置为卫星提供电力；以及

如权利要求1或2所述的成像控制系统。

4.一种对地观测卫星的成像控制方法，其特征在于，包括：

发现目标点后，小推力执行单元根据控制中心计算所得的输出的推力，调整卫星姿态，使得对地成像相机的光轴对准目标点；

控制中心根据当前卫星与目标点的相对位置关系以及高程信息，计算频帧；以及

对地成像相机根据所述频帧设置频帧参数，进行图像获取。

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