敏捷光学卫星多模式推扫成像时的偏流角研究

对运行于太阳同步轨道的以时间延迟积分CCD(TDI-CCD)相机为成像有效载荷的敏捷光学卫星姿态对地指向变化的多模式推扫成像,研究了基于运动学和卫星自身姿态信息的偏流角解算方法。基于线阵TDI-CCD推扫点目标瞬时成像、区域扫描成像和立体成像模式,分析了动态成像过程中的偏流原理。综合运动学和速度矢量方法,推导出了星下点速度矢量在敏感器坐标系中的表达式。数值仿真表明:当相机推扫方向与航迹方向平行时,偏流源于地球自转;当相机推扫方向与航迹方向不平行时,偏流角主要受地表的牵连速度影响。采用姿态偏航控制对偏流角进行调整,可实现敏捷光学卫星执行多模式推扫成像技术。     

敏捷遥感卫星新型姿态控制精度评估方法

针对新型敏捷遥感卫星地面测试缺乏验证手段问题,文章提出一种针对敏捷机动成像过程的新型姿态控制精度评估方法,通过设计星地模型算法,根据卫星的定轨数据和高精度姿态数据计算,可得到星载相机成像点在地固坐标系(ECF)的坐标,并引入地表高程数据以提高计算精度,进行成像点位置精度评估,即姿态指向精度评估;通过计算地表镜下点运动速度等衍生参数,进行载荷成像质量评估。与同条件下地面任务规划数据比对,算法精度误差在10米量级,远小于卫星姿态指向误差导致的成像位置偏离,满足地面分析验证精度需求。该套算法已应用于遥感公用平台、某卫星姿态敏捷机动技术地面验证工作。     

一种遥感卫星宽幅无盲区拼接成像路径自主规划方法研究

为解决低幅宽卫星载荷因幅宽小而导致成像覆盖物面窄、效率低、使用复杂的缺陷,提出了一种多条带拼接成像路径自主规划方法。先完成单次侧摆成像规划:通过卫星、目标相对位置关系判断成像时机,规划包括姿态机动开始时刻、成像开始时刻、成像结束时刻、滚动目标姿态角,以及可成像总时长的成像时域确定。再进行多条带拼接成像规划:由成像开始时刻及姿态偏置要求确定条带拼接方向,计算图像拼接点位置参数;根据满足载荷成像最大允许俯仰姿态机动角和姿态机动速度,确定相邻次成像开始时刻卫星位置与姿态机动开始时间;由成像时刻的轨道位置、前后摆俯仰姿态角、图像拼接点位置及侧摆成像偏流角计算相邻次成像滚动目标姿态;根据确定的滚动、俯仰目标姿态角和成像位置迭代计算偏流角,确定偏航目标姿态。给出了相应的单次侧摆成像路径和最大面积多条带拼接成像路径的自主规划计算流程。仿真结果表明:该方法能根据卫星姿态机动能力、轨道参数及载荷视场角自主完成成像条件分析及路径规划,实现载荷对目标区域无盲区最大幅宽成像,提高成像效率及卫星在轨任务自主规划执行能力。     

视频卫星对地凝视成像姿态调整技术研究

针对视频卫星成像时视轴对地面目标的指向保持问题、面阵传感器与目标区域之间的相对运动导致的成像质量问题,进行视频卫星对地凝视成像姿态调整技术的研究。首先建立使用面阵传感器的视频卫星对地凝视成像姿态运动学模型,分析卫星与地面目标之间的相对运动过程。然后,以成像质量为基本约束条件,提出一种对地面区域目标凝视成像的三轴姿态机动规划方法。最后,对姿态机动规划方法进行数值仿真和验证,依据仿真结果,提出面阵凝视成像对卫星姿态控制精度的需求。数值仿真分析结果表明,文章提出的面阵凝视成像姿态机动规划方法是合理可行的,所需的姿态指向稳定度为0.003(°)/s,偏航轴姿态稳定度为0.069(°)/s,姿态指向精度为0.01°。     

光学遥感卫星对月定标时姿态机动补偿方法

对月定标具有不依赖地面定标场、不受天气影响、定标效率高等优势,但需要解决对月姿态控制及成像参数匹配性设计问题。文章针对光学遥感卫星推扫成像,提出一种姿态机动补偿方法,用于解决星载相机对月成像过程中积分时间与推扫速度失配的问题,并以一颗太阳同步轨道卫星作为分析对象,研究了卫星对月成像时的补偿角速度,经过对姿态机动补偿过程进行仿真分析,结果表明:使用该方法可以使相机推扫速度与积分时间匹配,达到正常对月成像的目的。     

推扫CCD相机对地观测卫星的轨道设计

针对推扫电荷耦合器件（CCD）相机成像特点,根据太阳同步回归轨道卫星轨道设计方法,给出了CCD光学对地观测卫星的轨道高度设计方案,并分析了所设计轨道的地面光照条件。结果表明设计方案合理可行。     

卫星机动过程成像的姿态规划与控制研究

对有星载相机的卫星机动过程成像的姿态规划与控制进行了研究。为避免目标姿态的任意性产生的控制转序问题,用四元数描述偏流角跟踪控制。从用户角度出发,提出了两种适于机动过程成像的姿态规划模式:一是指定星体相对轨道系摆扫角速度,通过设定摆扫方向与卫星飞行方向成任意角度,可实现任意方向摆扫成像,另一是指定成像点经纬度条带,可实现海岸线等地面目标成像。在摆扫规划姿态的基础上,将绕相机光轴转过经迭代计算的偏流角作为最终的姿态控制基准,给出了高动态姿态机动控制算法。引入陀螺角速度信息以提高滚动姿态机动过程中的动态特性;将星体当前姿态与目标姿态偏差四元数作为姿态控制基准以实现任意姿态最短路径机动;以飞轮作为姿态控制执行机构,设计PD控制律,在机动过程中对内干扰力矩进行前馈控制。仿真结果验证了所提算法的有效性和工程可操作性,可用于对地成像小卫星机动过程成像的姿态规划与控制。     

敏捷卫星一般轨迹主动推扫成像模式设计

相比于传统对地观测卫星,敏捷卫星可沿滚动、俯仰、偏航三轴进行快速机动,理论上可以实现对地面任意走向条带目标的成像。针对该成像需求,文章设计了敏捷卫星一般轨迹主动推扫成像模式。在一般轨迹主动推扫过程中,卫星三轴姿态均连续变化,文章给出了适用于主动推扫成像过程的姿态规划算法。对于一轨内多个条带目标的成像时序规划问题,建立成像开始时刻规划模型,采用序列二次规划算法对该模型进行求解。针对典型应用场景的仿真算例表明,成像过程规划算法是合理的。从成像质量保障的角度出发,分析了主动推扫成像过程的卫星姿态控制精度、姿态稳定度等影响因素的影响链路,并提出了工程控制要求,可为卫星工作模式设计提供参考。     

姿态对地指向不断变化成像时的偏流角分析

 针对敏捷卫星在三轴姿态机动过程中同时进行推扫成像的偏流角问题,基于线阵TDICCD推扫成像原理,分析了动态成像过程中的偏流原理,通过速度矢量法推导出动态成像方式下的偏流角数学解析表达式。数值仿真分析表明：当相机推扫速度方向与星下点速度方向的夹角η为0°（沿航迹方向推扫成像）或180°（沿航迹反方向推扫成像）,偏流是由地球自转产生的,数值较小;当夹角为0°＜η＜180°时,偏流是地球自转和轨道运动共同产生的,偏流角数值较大;当夹角η=90°（垂直于航迹方向推扫成像）时,偏流角随地理纬度的增大而增大。基于以上结论,采用姿态偏航控制对偏流角进行调整,可以实现在三轴姿态机动过程中开启光学有效载荷进行推扫成像的动态成像技术。     

一种对地姿态重定向的机动轨迹规划及控制方法

针对载荷工作时需根据目标点指向进行姿态动态调整的对地遥感卫星快速重定向问题进行了研究。鉴于综合考虑轨道运动、观测目标重定向及对目标瞄准时姿态动态调整的复杂性,首先将观测目标重定向运动解耦出来,并利用轨道系下绕欧拉轴旋转的策略进行规划,从而便于由运动学精确推导姿态机动角加速度在内的期望跟踪轨迹参量解析式;基于期望轨迹参量,设计了一种基于前馈补偿与跟踪误差线性反馈控制相结合的姿态跟踪控制器,在动力学参数确知时可实现运动学及动力学的精确补偿;进一步考虑系统离散实现及零阶保持带来的补偿误差,基于冲量等效原理对补偿算法的角加速度进行修正;最后,利用闭环与开环控制仿真对所提出方法的有效性进行了验证。     

地月系L2点Lissajous轨道卫星对地月的跟踪规律研究

地月系L2点附近的Lissajous轨道,可以用于月球背面探测。以此为背景,研究运行于Lissajous轨道上的中继卫星对月球和地球的跟踪规律。给出非常适于两轴转动天线运动分析的Lissajous轨道卫星的姿态描述,并初步分析了该卫星本体姿态的测量方案。推导天线中心指向地心和月心的机动角变化规律,并用统计的方法给出了对地跟踪不被月球遮挡的概率;分析Lissajous轨道参数与跟踪规律的关系;基于避免同时处于遮挡区考虑,设计了中继卫星的任务交替策略;最后,研究天线波束宽度对指向精度的影响。所得跟踪规律经数值验证是正确的。     

一种基于动目标点的上面级相对相位控制方法

根据上面级多星发射任务对相对相位角的控制需求,提出了一种基于动目标点的以半长轴、偏心率、倾角和升交点赤经等轨道要素偏差为控制量的要素制导方法。给出了制导方法中的动目标点求取和根据轨道偏差进行控制使其到达目标位置的两个步骤。无需事先计算目标位置,根据参考卫星的初始轨道信息进行轨道预报在线实时计算目标点,有效消除了参考卫星的J2摄动影响及初始轨道偏差引起的相对相位角的误差。数学仿真结果验证了方法对相对相位控制的有效性和鲁棒性。     

低轨小椭圆轨道S频段SAR卫星姿态导引方法研究

国内外针对S频段SAR卫星姿态导引研究较少，在考虑轨道偏心率和系统天线指向误差情况下尚无明确的导引策略。基于合成孔径雷达（SAR）成像模型及椭圆轨道动力学理论，引入椭圆轨道的径向速度和法向速度分量，推导得到了椭圆轨道任意位置上多普勒中心频率的新的数学表达及分量分解。提出了面向低轨小偏心率轨道S频段合成孔径雷达（SAR）卫星的偏航导引、二维姿态导引方法以及采取不同轨道模型时的简化实现，分析得到了不同补偿方法的补偿效果以及天线指向精度对补偿效果的影响。根据仿真结果，结合卫星工程实现和地面成像处理难度，提出了以偏航导引为主，二维导引为辅的姿态导引策略，对低轨小椭圆轨道S频段SAR卫星姿态导引设计具有指导意义。     

偏流角修正对主动推扫成像品质影响分析

针对时间延迟积分电荷耦合器件航天遥感相机在轨非沿迹主动推扫成像,文章建立了非沿迹主动推扫成像的摄影地速和积分时间计算模型。基于传统偏流角修正,文章采用矢量分析的方法,提出非沿迹主动推扫成像偏流角计算方法,适应于敏捷成像模式相机光轴指向不断变化的情况。文章开展了偏流角修正对成像品质的影响分析,通过仿真分析了不同推扫角度、推扫角速度及与迹向不同夹角时的偏流角及其成像调制传递函数变化情况,实现了对非沿迹主动推扫成像品质评估。     

敏捷卫星姿态机动过程分析与可视化判读平台设计

针对传统的成像姿态及姿态角速度的判读方式不再适用于敏捷卫星复杂姿态机动测试的问题,提出了一种基于实时测试场景的载荷对地成像轨迹计算方法,以Matlab软件为计算平台,实现成像轨迹、地面成像点(简称成像点)移动速度等多项指标数据的实时判读;利用Matlab与STK软件双向通信技术,开发了基于STK软件的实时数据可视化判读平台。整星测试结果表明:该平台实现了敏捷机动复杂过程分析与可视化判读,为开展整星综合测试和在轨任务分析提供了理论参考和实用工具。     

嫦娥二号卫星CCD立体相机设计与验证

介绍了嫦娥二号卫星CCD立体相机的设计思想与结果、发射前检测与地面推扫成像试验.嫦娥二号卫星CCD立体相机仍采用与嫦娥一号相同的线阵推扫成像模式,但嫦娥二号卫星CCD立体相机的技术指标要求大幅度提高,主要表现为地元分辨率由嫦娥一号的120m提高为嫦娥二号在100km圆轨上优于7m与在100km/15km椭圆轨道近月弧段...     

在轨实时引导多星成像任务规划方法研究

针对遥感卫星在轨自主任务规划的强时效需求和依赖地面系统的现状,通过分析卫星的轨道特性和多载荷工作配合的方式,提出了一种面向在轨实时引导成像的多星自主任务规划方法。文章首先根据成像的要求,将卫星载荷对目标的可见性,统一转化为"时间-姿态"信息,在保留有效信息的前提下对轨道递推模型合理简化,设计了卫星成像的无冲突任务序列生成方法,并为优化成像收益设计了临机调整策略。仿真结果表明:面向在轨实时引导成像的多星自主任务规划方法能实现将多目标向多星系统的分配,增加临机调整策略后,可实时地通过用高收益目标替代低收益目标的方式提高整个规划方案的成像收益,所提出的方法有效,研究结果可为多星在轨自主任务规划技术研究提供参考。     

关于主星带伴随分布式小卫星雷达系统的姿态跟踪控制研究

波束指向同步是主星带伴随分布式小卫星雷达系统必须解决的问题之一.主星为补偿多普勒频移而进行的姿态导引会导致地面目标点相对位置漂移,针对这一现象,伴随分布式小卫星应进行姿态控制与主星协同,为保证姿态控制器在外界扰动和参数不确定情况下有效工作,分别设计了自适应姿态机动控制律和姿态跟踪控制律.仿真结果表明,姿态控制器可以有效实现姿态机动和跟踪,控制精度能够满足波束指向同步的要求.     

敏捷SAR卫星聚束模式姿态机动策略研究

提出了敏捷SAR卫星聚束模式姿态机动参数计算方法,充分考虑了相位中心位置和离轴角的影响,通过矢量计算方法得到敏捷SAR卫星聚束模式成像所需的初始姿态角,通过迭代计算消除相位中心位置影响,得到准确姿态角。文章通过Matlab和STK软件联合仿真,验证了上述计算方法的有效性。     

应用北斗导航卫星信号的GEO SAR成像机理验证方法

为了验证地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)的成像机理,采用倾斜地球同步轨道(IGSO)北斗导航卫星作为照射源,通过地面接收北斗导航卫星信号和地面反射的回波信号,实现对GEO SAR成像机理的等效性验证。北斗导航卫星具有与GEO SAR卫星相似的轨道,地面接收的信号可以等效成单程传播的GEO SAR回波信号;成像处理采用与GEO SAR相同的合成孔径时间,在合成孔径时间内地面反射的北斗导航卫星信号具有与单程传播的GEO SAR回波信号相似的距离徙动特性和多普勒特性,可实现长合成孔径时间条件下GEO SAR成像机理的验证。通过双基地试验实现了应用北斗导航卫星信号的GEO SAR成像机理的等效性验证。