CN116500779A - 基于天基平台与周转旋镜联动的高频宽幅成像方法 - Google Patents

Abstract

基于天基平台与周转旋镜联动的高频宽幅成像方法，涉及空间光学遥感技术领域。为解决现有常规推扫成像与摆镜动态扫描成像等方法难以实现超高频次宽覆盖对地重访的技术难题，首先计算载荷下视角、地面景物对应地心角、成像条带沿轨方向宽度；然后进行成像起始状态设定；随后控制天基平台快速进行姿态机动，大幅提高重访频次和重叠率；同时控制多面旋镜做周期性旋转运动以调整光轴进行扫描，从而有效拓展成像范围；在上述基础上计算与天基平台回凝运动相匹配的探测器行频，对像面偏流速度进行补偿；最终通过对执行机构、旋镜以及探测器工作参数的综合设计与协调控制，实现对于目标区域稳定连续地重访成像。本方法实现超高频次宽覆盖对地重访。

Description

基于天基平台与周转旋镜联动的高频宽幅成像方法

技术领域

本发明涉及空间光学遥感技术领域，具体涉及一种基于天基回凝平台与周转旋镜联动的高频宽幅成像方法。

背景技术

空间遥感能够超越国界、地形的限制，是获取地面信息的重要手段。然而，现有的空间遥感技术难以实现对于热点区域的实时而精确地观察。热点地区实时多变的地区态势与错综复杂的地理环境对于空间遥感观测频次与识别能力提出了更高要求，这些需求敦促空间遥感向超高频次广域覆盖的方向发展。

现阶段拓展空间遥感范围主要通过卫星姿态机动以及摆镜动态扫描。专利CN111666661A“敏捷卫星单轨动中成像多条带拼接任务规划方法及系统”提出一种任意轴姿态机动调度技术，通过在滚动、俯仰、偏航方向进行连续姿态机动实现载荷动中成像，能够获取高空间分辨率的影像。但进行大角度整星侧摆时，其姿态控制精度与回访能力会明显降低。专利CN 105043353 B“反射镜摆动宽幅成像系统及成像方法”利用摆镜在垂轨方向进行扫描从而拓展了幅宽，但载荷工作过程中摆镜需要不断停转等待载荷成像，在进行单轨成像后摆镜还需进行复位。上述方案能在一定程度上实现对目标广域覆盖，但成像模式均为间断式成像，牺牲了载荷的有效工作时间，难以满足日益增长的对热点地区高频次回访的详查需求。因此目前急需一种在保证成像质量的前提下深度破解幅宽与时间分辨率耦合制约关系的技术。

发明内容

本发明为解决现有常规推扫成像与摆镜动态扫描成像等方法难以实现超高频次宽覆盖对地重访的技术难题，提供了一种基于天基平台与周转旋镜联动的高频宽幅成像方法。

基于天基平台与周转旋镜联动的高频宽幅成像方法，具体由以下步骤实现：

步骤一、将入射光束划分为若干微元，计算各个微元对应的载荷下视角及地面景物对应地心角；

步骤二、根据载荷焦距f、轨道高度h计算沿轨方向载荷幅宽W；

步骤三、设定成像起始状态；

根据平台工作需求设定成像起始时刻为t₀；设计卫星成像起始位置与姿态，使载荷光轴在设定成像起始时刻指向起点；

步骤四、设定天基平台与载荷协动模式；

根据期望重访频次n计算天基平台回凝角速度ω_satellite与载荷搭载的旋镜周期性旋转角速度ω_mirror：

式中，m为旋镜面数，GM为地心引力常量，R和h分别为地球半径和轨道高度，v为卫星沿轨飞行在地面处投影速度；

步骤五、根据天基平台与旋镜载荷协动模式计算行频，结合天基平台回凝运动与旋镜载荷行频调整对卫星偏流速度进行补偿；

步骤六、将指令输入卫星姿态控制组件与旋镜运动组件，控制多面旋镜周期性旋转以改变光轴指向对地面景物进行扫描，配合天基平台回凝保持对目标区域半凝视，实现对指定区域的高频次精细成像。

本发明的有益效果：

本发明所述方法针对超高频次宽覆盖对地遥感需求，提出一种利用天基平台与周转旋镜联动的新型高频广域成像方法，有效解决了卫星广域探测时间效率低下的瓶颈问题。首先计算载荷下视角ε_j,k、地面景物对应地心角φ_j,k、沿轨方向载荷条带宽W等参数并进行成像起始状态设定；然后控制卫星平台快速进行姿态机动，同时控制多面旋镜做周期性旋转运动以调整光轴进行扫描；在上述基础上计算与平台回凝运动相匹配的探测器行频，对像面偏流速度进行补偿；最终通过对执行机构、旋镜以及探测器运动参数的综合设计与协调控制实现对于目标区域稳定连续地重访成像。

常规推扫卫星成像受限于载荷幅宽难以满足宽覆盖的成像需求；引入敏捷卫星侧摆或摆镜动态扫描技术可以提高卫星覆盖能力，但是会影响卫星时间利用率，与快速响应的任务目标相违背。

本发明的方法有机融合了平台回凝与旋镜周转运动并将其与成像过程同步进行，既提升载荷有效工作时间又降低了系统控制难度。本发明所述成像模式普遍适用于携带旋镜的遥感卫星系统，能够破解现有技术瓶颈实现超高频次宽覆盖对地清晰成像。

附图说明

图1为本发明所述的基于天基回凝平台与周转旋镜联动的高频宽幅成像方法的流程图；

图2为本发明中天基回凝平台与周转旋镜联动的遥感卫星系统及其工作逻辑示意图；

图3为本发明中天基回凝平台与周转旋镜联动的高频宽幅成像方法工作原理示意图。

具体实施方式

结合图1至图3说明本实施方式，基于天基回凝平台与周转旋镜联动的高频宽幅成像方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、按入射光束对应像元将光束划分为若干微元，计算各个微元对应的载荷下视角ε_j,k(即微元中心光线指向地面景物的方向与载荷对地指向轴间的夹角)、地面景物地心角φ_j,k；

设焦面中心为像元编号原点，则沿轨方向第j行，垂轨方向第k列个像元对应光线的载荷下视角ε_j,k为：

其中，a为像元尺寸，f为载荷焦距，γ为旋镜侧向扫描角度；γ为旋镜侧向扫描角度。

该像元对应的地面景物地心角为φ_j,k：

式中，R为地球半径，h为轨道高度。

在本实施例中取j＝1024，k＝1024，γ＝0计算得：

步骤二、计算沿轨方向载荷幅宽W:

步骤三、设定成像起始状态。

约定成像起始时刻，根据平台工作需求设成像起始时刻为t₀；

设计卫星成像起始位置与姿态，使载荷光轴在约定成像起始时刻指向成像任务区域起点。

步骤四、设计天基平台回凝与旋镜载荷协动模式。

在本实施例中期望重访频次n＝3，旋镜面数m＝6，计算卫星平台回凝角速度ω_satellite与周转旋镜旋转角速度ω_mirror：

设引力常数μ＝3.986006×10⁵km³/s²，则卫星沿轨飞行在地面处投影速度v：

步骤五、根据平台与载荷协动模式计算行频，结合平台回凝与行频调整对卫星偏流速度进行补偿。

行频f_p计算公式可表述为：

其中，a为像元尺寸，为卫星沿轨飞行在地面处投影速度矢量，/>为天基平台姿态调整带来的像移速度矢量，/>为周转旋镜扫描带来的像移速度矢量，/>为地球自转带来的像移速度矢量。

步骤六、利用星敏感器等组件测算所得姿轨数据，结合成像目标区域设计回凝指令以及成像模式指令，并将指令输入天基平台与旋镜载荷，控制多面旋镜周期性旋转以改变光轴指向对地面景物进行扫描，配合天基平台回凝运动保持对目标区域半凝视，从而实现对指定区域的高频次精细成像。

如图2所示，图2为一种可实现天基回凝平台与周转旋镜联动的的遥感卫星及其工作原理，本实施方式中，成像模式基于携带旋镜的遥感卫星系统运行，系统中硬件模块主要包括：具有回凝能力的天基平台、星敏感器、旋镜载荷、中心机以及卫星地面遥控站；模块间传输的数据主要包括：成像指令、回凝指令、成像模式指令以及多次回访影像数据。图中硬件模块以及数据所展示形态均为示意性说明，并不代表其在真实环境下工作状态。

具体工作原理为：卫星地面遥控站将包含目标区域的成像指令发送至卫星，由中心机进行处理。中心机解读成像任务后，接收星敏感器等姿轨器件解算的卫星姿态与轨道数据，基于本实施方式所述步骤一至步骤六计算包含回凝指令和成像模式指令，将其分别传输至天基平台与旋镜载荷，控制天基平台与旋镜载荷协调联动实现广域高频次成像。

图3以图2所述的遥感卫星系统及工作逻辑为例，在本实施例中，取探测器像元尺寸a＝5μm，载荷焦距f＝300mm，像元数目2048×2048，轨道高度为500km，地球半径为6371km。展示了天基回凝平台与周转旋镜联动的高频宽幅成像方法工作原理。图3左下部分以轨道坐标系为参考，给出天基平台姿态机动联合多面旋镜周期性旋转运动实现高频次宽覆盖对地成像的空间关系。图3左上部分为轨道方向x与地心线方向z构成的平面内卫星的工作状态，其中θ₁、θ₂、θ₃为不同运行状态下卫星俯仰姿态角度。图3右上部分示说明了图2所述系统工作逻辑下旋镜载荷在天基平台的一种安装方式。图3右下部分示意了载荷利用旋镜拓展成像范围的原理，其中深色部分为光学系统限制的载荷单帧成像范围，浅色为地球曲率等因素限制的摆扫最大成像范围，载荷通过旋镜单向旋转折转光线，使载荷单帧成像范围覆盖摆扫成像最大范围，实现成像范围的成倍扩展。

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。本发明所述天基回凝平台与周转旋镜联动工作模式普遍适用于携带有旋镜载荷的遥感卫星系统，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。

Claims (4)

1.基于天基平台与周转旋镜联动的高频宽幅成像方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：

步骤一、将入射光束划分为若干微元，计算各个微元对应的载荷下视角及地面景物对应地心角；

步骤二、根据载荷焦距f、轨道高度h计算沿轨方向载荷幅宽W；

步骤三、设定成像起始状态；

根据平台工作需求设定成像起始时刻为t₀；设计卫星成像起始位置与姿态，使载荷光轴在设定成像起始时刻指向起点；

步骤四、设定天基平台与载荷协动模式；

根据期望重访频次n计算天基平台回凝角速度ω_satellite与载荷搭载的旋镜周期性旋转角速度ω_mirror：

式中，m为旋镜面数，GM为地心引力常量，R和h分别为地球半径和轨道高度，v为卫星沿轨飞行在地面处投影速度；

步骤五、根据天基平台与旋镜载荷协动模式计算行频，结合天基平台回凝运动与旋镜载荷行频调整对卫星偏流速度进行补偿；

步骤六、将指令输入卫星姿态控制组件与旋镜运动组件，控制多面旋镜周期性旋转以改变光轴指向对地面景物进行扫描，配合天基平台回凝保持对目标区域半凝视，实现对指定区域的高频次精细成像。

2.根据权利要求1所述的基于天基平台与周转旋镜联动的高频宽幅成像方法，其特征在于：步骤一中，设定焦面中心为像元编号原点，则沿轨方向第j行，垂轨方向第k列个像元对应光线在经旋镜反射前与铅垂线夹角，即：各个微元对应的载荷下视角ε_j,k为：

式中，a为像元尺寸，f为载荷焦距，γ为旋镜侧向扫描角度；

该像元所成像的地面景物对应地心角为φ_j,k：

3.根据权利要求2所述的基于天基平台与周转旋镜联动的高频宽幅成像方法，其特征在于：步骤二中，所述幅宽W，用下式表示为：

式中，sec(·)为角度的正割值。

4.根据权利要求1所述的基于天基平台与周转旋镜联动的高频宽幅成像方法，其特征在于：步骤五中，

行频f_p计算公式可表述为：

式中，a为像元尺寸，为卫星沿轨飞行在地面处投影速度矢量，/>为天基平台姿态调整带来的像移速度矢量，/>为周转旋镜扫描带来的像移速度矢量，/>为地球自转带来的像移速度矢量。