CN115586305A - 一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星、构建方法和监测方法 - Google Patents

一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星、构建方法和监测方法 Download PDF

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Abstract

一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星、构建方法和监测方法，涉及卫星设计领域。解决当前碳卫星缺乏对区域和全球的实时探测能力，难以碳盘点应用的实际需求的问题。所述卫星包括：全球模式监测单元、斑马线区域单元、热点单元和偏航推扫单元；全球模式监测单元用于载荷以10°/s的转速旋转，获取扫描数据，沿轨拼接获取碳监测数据；斑马线区域单元用于载荷以5°/s的转速旋转，获取扫描数据及斑马线形式的未扫区域，规划获取重点区域碳监测数据；热点单元用于载荷以2.5°/s的转速旋转，获取指定时间及热点地区的碳监测数据；偏航推扫单元用于推扫模式进行探测，获取星下点附近区域0.5km的碳监测数据。本发明适用于全球碳盘点领域。

Description

一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星、 构建方法和监测方法
技术领域
本发明涉及卫星设计领域，尤其涉及一种基于旋转扫描新体制的碳监测卫星。
背景技术
目前全球天基碳监测卫星仍然面临直接探测覆盖不足、探测精度不够、时效性差、数据产品滞后等问题，亟需快速、连续获取全球碳监测数据。当前碳卫星(GOSAT、OCO、TanSat等)采用传统的稀疏采样、打点覆盖的观测模式，观测效率和数据覆盖率低，缺乏对区域和全球的实时探测能力，很难满足碳盘点应用的实际需求。
发明内容
本发明解决了当前碳卫星缺乏对区域和全球的实时探测能力，很难满足碳盘点应用的实际需求的问题。
本发明提供一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星，所述卫星包括：
全球模式监测单元、斑马线区域单元、热点单元和偏航推扫单元；
所述全球模式监测单元用于载荷以10°/s的转速旋转，获取扫描数据，通过扫描数据进行沿轨拼接获取全球无缝覆盖的碳监测数据；
所述斑马线区域单元用于载荷以5°/s的转速旋转，获取扫描数据及产生斑马线形式的未扫区域,通过规划获取重点区域碳监测数据；
所述热点单元用于载荷以2.5°/s的转速旋转，获取指定时间对指定热点地区的碳监测数据；
所述偏航推扫单元用于采用载荷与平台保持相对静止的推扫模式进行探测，获取星下点附近区域0.5km的碳监测数据。
基于同一发明构思，本发明还提供一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星构建方法，所述方法包括：
构建由对地定向的卫星平台和沿速度方向相对平台旋转的载荷组成的碳监测卫星；
根据所述碳监测卫星构建太阳同步轨道。
进一步的，还提供一种优选实施方式，所述根据所述碳监测卫星构建太阳同步轨道具体为：轨道高度700km，降交点地方时为10:30AM，轨道间距为2716km。
进一步的，还提供一种优选实施方式，所述轨道间距获取方法为：
Figure BDA0003880075840000011
其中，Δl为轨道间距，n为卫星经过的周期数，Re为地球半径。
进一步的，还提供一种优选实施方式，所述对地定向的卫星平台和沿速度方向相对平台旋转的载荷通过旋转关节连接。
基于同一发明构思，本发明还提供一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星监测方法，所述方法包括：
载荷对地面目标进行高分辨率旋转扫描，扫描范围为近似与星下点轨迹垂直且中间细、边缘粗的多个条带；
调整载荷扫描速度，将所述多个条带重叠部进行沿轨拼接。
进一步的，还提供一种优选实施方式，所述沿轨拼接具体为：
Figure BDA0003880075840000021
其中，p为搭接率，μe为地球引力常数，h为卫星轨道高度，ω为沿轨幅宽，Ω为旋扫载荷旋转速度。
基于同一发明构思，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行上述中任一项中所述的一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星监测方法。
基于同一发明构思，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行如上述中任一项中所述的一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星监测方法。
本发明的有益效果在于：
本发明解决了当前碳卫星缺乏对区域和全球的实时探测能力，很难满足碳盘点应用的实际需求的问题。
本发明所述的一种基于载荷扫描的多模式碳监测卫星，包括多个单元，可配合各种主被动载荷完成全要素融合探测，支持形成多种碳清单，确保碳监测数据的直接、真实和空间完整性。
本发明所述的一种基于载荷扫描的多模式碳监测卫星监测方法，基于“垂轨扫描、沿轨拼接”探测新体制的超宽幅多模式碳监测卫星，可通过单颗低轨卫星完成全球一天无缝覆盖一次，满足碳盘点应用的实际需求。
本发明提供的一个优选实施方式中，支持“天底、耀斑、临边、掩星”等多种探测模式，实现对全球温室气体的超大幅宽高时效多模式探测。
现有技术的地球同步轨道卫星对指定区域进行扫描覆盖，但分辨率较低、发射成本高、对仪器灵敏度要求极高，且无法实现单星全球覆盖；采用推扫成像的低轨卫星受限于相机因素，无法保证分辨率、幅宽与载荷重量的平衡；采用“稀疏打点”方式的低轨卫星通过频繁姿态机动间歇性成像，只能获取全球很少部分的直接探测数据，无法实现连续覆盖。本发明所述卫星利用旋扫成像方法解决了推扫模式窄幅宽的问题，在保证相机分辨率的同时实现低轨卫星超大幅宽，进而实现单颗卫星一天覆盖全球。
本发明适用于全球碳盘点领域。
附图说明
图1为实施方式一所述的一种基于载荷扫描的多模式碳监测卫星示意图；
图2为实施方式一所述的全球模式监测单元数据获取示意图；
图3为实施方式一所述的斑马线区域单元数据获取示意图；
图4为实施方式一所述的热点单元数据获取示意图；
图5为实施方式一所述的偏航推扫单元数据获取示意图；
图6为实施方式三所述的碳监测卫星轨道覆盖特性示意图；
图7为实施方式三所述的卫星降轨过程中对陆地和耀斑的同时检测示意图；
图8为实施方式五所述的卫星与载荷连接示意图，其中，1为卫星平台，2为旋转关节，3为载荷。
图9为实施方式六所述的一种基于载荷扫描的多模式碳监测卫星监测方法示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案及优点表述得更加清楚，现结合附图对本发明的若干实施方式做进一步详细地描述，但以下所述的各个实施方式仅为本发明的几个较佳实施方式而已，并不用于限制发明。
实施方式一、参见图1至图5说明本实施方式。本实施方式提供一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星，所述卫星包括：
全球模式监测单元、斑马线区域单元、热点单元和偏航推扫单元；
所述全球模式监测单元用于载荷以10°/s的转速旋转，获取扫描数据，通过扫描数据进行沿轨拼接获取全球无缝覆盖的碳监测数据；
所述斑马线区域单元用于载荷以5°/s的转速旋转，获取扫描数据及产生斑马线形式的未扫区域,通过规划获取重点区域碳监测数据；
所述热点单元用于载荷以2.5°/s的转速旋转，获取指定时间对指定热点地区的碳监测数据；
所述偏航推扫单元用于采用载荷与平台保持相对静止的推扫模式进行探测，获取星下点附近区域0.5km的碳监测数据。
具体的，参见图2说明本实施方式。全球模式监测单元用于载荷以10°/s的转速高速旋转，快速完成一次扫描，此时各次扫描区域相互重叠，可通过沿轨拼接获取全球无缝覆盖的碳监测数据，分辨率达到2km。
参见图3说明本实施方式。斑马线区域单元用于当载荷转速下降至5°/s，此时完成一次扫描的时间增加，两次扫描区域之间距离加大，产生斑马线形式的未扫区域。但同时，观测分辨率可因旋转速度下降提升至1km，通过合理设计可以获得重点区域的较高分辨率碳监测数据。
参见图4说明本实施方式。热点单元用于当载荷转速进一步下降至2.5°/s，此时载荷间断工作，在指定时间对指定热点地区进行高分辨率观测，可获得达0.5km的高分辨率碳检测数据。
参见图5说明本实施方式。偏航推扫单元用于采用常规的推扫模式进行探测，载荷与平台保持相对静止，由此可获得星下点附近区域0.5km的高分辨率碳监测数据。
本实施方式所述的一种基于载荷扫描的多模式碳监测卫星，包括多个单元，可配合各种主被动载荷完成全要素融合探测，支持形成多种碳清单，确保碳监测数据的直接、真实和空间完整性。
实施方式二、本实施方式提供一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星构建方法，所述方法包括：
构建由对地定向的卫星平台和沿速度方向相对平台旋转的载荷组成的碳监测卫星；
根据所述碳监测卫星构建太阳同步轨道。
实施方式三、参见图6和图7说明本实施方式。本实施方式是对实施方式二所述的一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星构建方法的进一步限定，所述根据所述碳监测卫星构建太阳同步轨道具体为：轨道高度700km，降交点地方时为10:30AM，轨道间距为2716km。
具体的，如图6所示，根据单星单日全球覆盖要求，选择高度700km，降交点地方时10:30AM的太阳同步轨道。据此可计算得到轨间距为2716km，小于新体制碳监测卫星3000km级的覆盖幅宽，因此可以实现单星对全球的一天一次覆盖。
如图7所示，由于碳监测卫星超大幅宽覆盖特性，在一次降轨观测过程中，可以实现对海洋耀斑和陆地的同时监测，进一步支持多要素碳监测数据的获取。
实施方式四、本实施方式是对实施方式三所述的一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星构建方法的进一步限定，所述轨道间距获取方法为：
Figure BDA0003880075840000051
其中，Δl为轨道间距，n为卫星经过的周期数，Re为地球半径。
具体的，碳监测卫星所在太阳同步轨道周期为
Figure BDA0003880075840000052
其中，轨道高度h为700km，Re＝6378km为地球半径，μe＝398600km3/s2为地心引力常数。
每天卫星经过的周期数为
Figure BDA0003880075840000053
卫星轨道间距在赤道上取最大值
Figure BDA0003880075840000054
实施方式五、参见图8说明本实施方式。本实施方式是对实施方式二所述的一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星构建方法的进一步限定，所述对地定向的卫星平台1和沿速度方向相对平台旋转的载荷3通过旋转关节2连接。
实施方式六、参见图9说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星监测方法，所述方法包括：
载荷对地面目标进行高分辨率旋转扫描，扫描范围为近似与星下点轨迹垂直且中间细、边缘粗的多个条带；
调整载荷扫描速度，将所述多个条带重叠部进行沿轨拼接。
结合实施方式五说明本实施方式，在旋转关节驱动下，载荷对地面目标进行高分辨率旋转扫描，扫描范围为近似与星下点轨迹垂直且中间细、边缘粗的条带，低轨情况下幅宽可达3000km级，解决了幅宽与分辨率相互制约的国际性难题。在合适的旋转速度下，条带之间可相互重叠实现沿轨拼接，进而实现对全球的无缝覆盖，确保载荷获取完整真实的碳监测数据。
实施方式七、本实施方式是对实施方式六所述的一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星监测方法的进一步限定，所述沿轨拼接具体为：
Figure BDA0003880075840000061
其中，p为搭接率，μe为地球引力常数，h为卫星轨道高度，ω为沿轨幅宽，Ω为旋扫载荷旋转速度。
具体的，卫星轨道高度为h，地球采用理想圆球模型，半径为Re＝6378km(按赤道半径计算)，沿轨幅宽为ω(km)，旋扫载荷旋转速度为Ω(°/s)，卫星星下点速度为v(km/s)，相机两个扫描行的搭接率(两个扫描行重叠部分宽度与扫描行幅宽之比)为p，则可建立如下关系
Figure BDA0003880075840000062
对于理想情况下的圆轨道，卫星星下点速度v
Figure BDA0003880075840000063
其中，μe＝398600km3/s2为地球引力常数；a为轨道半长轴，对于圆轨道a＝h+Re。
联立以上两式，可以得到在理想条件下，红外相机星下点的搭接率p为：
Figure BDA0003880075840000064
当h＝700km，Ω＝10.5°/s，ω＝250km时，则可计算得到搭接率p＝7.26％，可以保证在地面处理中找到相同的地物区域，对两个扫描行图像实现有效的拼接。
实施方式八、本实施方式所述的一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行实施方式六至实施方式七中任一项中所述的一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星监测方法。
实施方式九、本实施方式所述的一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行如实施方式六至实施方式七中任一项中所述的一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星监测方法。
以上通过具体实施方式对本申请进行详细说明，但以上所述仅为本申请的较佳实施方式而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的精神和原则范围之内所作的任何修改、实施方式的组合、等同替换和改进等，均应当包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星，其特征在于，所述卫星包括：
全球模式监测单元、斑马线区域单元、热点单元和偏航推扫单元；
所述全球模式监测单元用于载荷以10°/s的转速旋转，获取扫描数据，通过扫描数据进行沿轨拼接获取全球无缝覆盖的碳监测数据；
所述斑马线区域单元用于载荷以5°/s的转速旋转，获取扫描数据及产生斑马线形式的未扫区域,通过规划获取重点区域碳监测数据；
所述热点单元用于载荷以2.5°/s的转速旋转，获取指定时间对指定热点地区的碳监测数据；
所述偏航推扫单元用于采用载荷与平台保持相对静止的推扫模式进行探测，获取星下点附近区域0.5km的碳监测数据。
2.一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星构建方法，其特征在于，所述方法包括：
构建由对地定向的卫星平台和沿速度方向相对平台旋转的载荷组成的碳监测卫星；
根据所述碳监测卫星构建太阳同步轨道。
3.根据权利要求2所述的一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星构建方法，其特征在于，所述根据所述碳监测卫星构建太阳同步轨道具体为：轨道高度700km，降交点地方时为10:30AM，轨道间距为2716km。
4.根据权利要求3所述的一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星构建方法，其特征在于，所述轨道间距获取方法为：
Figure FDA0003880075830000011
其中，Δl为轨道间距，n为卫星经过的周期数，Re为地球半径。
5.根据权利要求2所述的一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星构建方法，其特征在于，所述对地定向的卫星平台和沿速度方向相对平台旋转的载荷通过旋转关节连接。
6.一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星监测方法，其特征在于，所述方法包括：
载荷对地面目标进行高分辨率旋转扫描，扫描范围为近似与星下点轨迹垂直且中间细、边缘粗的多个条带；
调整载荷扫描速度，将所述多个条带重叠部进行沿轨拼接。
7.根据权利要求6所述的一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星监测方法，其特征在于，所述沿轨拼接具体为：
Figure FDA0003880075830000021
其中，p为搭接率，μe为地球引力常数，h为卫星轨道高度，ω为沿轨幅宽，Ω为旋扫载荷旋转速度。
8.一种计算机设备，其特征在于：包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行权利要求6-7中任一项中所述的一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星监测方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行如权利要求6-7中任一项中所述的一种基于载荷垂轨旋转扫描的超宽覆盖多模式碳监测卫星监测方法。
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