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。     

星载TDI-CCD推扫相机的偏流角计算与补偿

在星载时间延迟积分电荷耦合器件(TDI-CCD)线阵推扫成像相机中,为使TDI-CCD线阵移动方向与目标像移方向一致,并实现光生电荷包转移速度与目标像移速度的匹配以确保成像质量,提出一种用卫星偏航控制实现相机偏流角补偿的方法。导出了星下点、方位偏移和俯仰偏移成像时相机偏流角,以及目标像移速度的解析计算公式,并对偏流角补偿进行了讨论。     

敏捷卫星姿态对像移速度与偏流角的影响

针对敏捷卫星需要具备在复杂姿态下推扫成像的能力,建立了卫星在不同姿态下的像移速度和偏流角的数学模型,并进行了仿真分析,讨论了姿态改变对卫星成像带来的影响。仿真分析表明:姿态改变是影响像移速度和偏流角的最大因素,敏捷卫星从一个姿态变化到另一个姿态成像时,需要根据预期的姿态调整相机的积分时间以满足成像质量要求,同时偏流角也需要做相应调整以补偿姿态改变带来的偏流角变化。     

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。     

敏捷卫星偏流角计算模型研究

TDICCD相机成像时为保证图像品质,要求对偏流角进行修正。文章针对敏捷卫星任意姿态角建立了在星下点成像、俯仰姿态机动后成像、滚动姿态机动后成像,以及滚动加俯仰姿态机动后成像几种情况下偏流角计算模型,并对模型进行了仿真计算。结果表明,敏捷卫星姿态目标计算当中,有必要考虑姿态机动带来的偏流角控制目标变化,以保证姿态控制精度。文章对敏捷卫星的偏流角控制设计、计算和测试验证工作有参考价值。     

基于四元数的偏流角跟踪与条带拼接成像研究

根据小卫星星载相机存在后视角或安装相机摆镜导致相机实际光轴无法与星体主轴平行的状况,为避免用欧拉角时的姿态解算与转序问题,提出了一种基于四元数的卫星偏流角跟踪与条带拼接成像姿态控制方法。用四元数描述卫星姿态,根据相对轨道系目标四元数,绕相机光轴转动偏流角,以此作为成像模式目标四元数,实现绕空间轴的偏流角跟踪控制。给出了姿态规划算法:固定偏置姿态确定偏流角跟踪后的目标姿态和目标角速度,用迭代法提高偏流角控制精度,并在姿态机动过程开始即进行偏流角跟踪,保证姿态机动到位和高精度偏流角跟踪的同时实现。基于内干扰力矩前馈方法设计了姿态机动控制律。以同轨双条带拼接成像为例,给出了成像控制方法:在对日或对地定向基础上,计算偏置目标姿态和目标角速度,并调用姿态机动控制算法;姿态机动到位后,若需当轨完成多目标姿态机动,则用姿态机动控制算法保持姿态偏置飞行和偏流角跟踪控制。数学仿真结果验证了该算法的有效性和高精度。     

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。     

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。     

光学卫星等比降地速的地影区主动推扫姿态规划

针对光学推扫卫星在地影区进行夜间推扫成像时,卫星相机成像区域地速过快导致传感器积分时间不足而难以获取高质量夜间影像的情况,设计了一种卫星等比降地速主动推扫的姿态规划方法。首先,根据卫星推扫成像任务的机动时间、成像起始时刻与降速比例等参数计算出卫星等比降地速成像时的等效轨道初始位置;其次,根据卫星等效轨道初始位置与卫星侧摆角,通过轨道递推计算出卫星光轴实时指向的地面目标点坐标;然后,根据卫星实际的轨道位置与姿态解算出卫星指向地面目标点的实时期望姿态;最后,基于吉林一号高分04A卫星的参数对所设计方法进行数值仿真与在轨试验,结果表明了所提出的方法具有可行性与有效性。     

遥感卫星双相机组合成像偏流角修正残差分析

针对国内遥感卫星工程中使用的双相机组合成像的配置,分析了双相机组合成像在偏流角修正中可能引入的误差,提出了一种通用的几何分析模型。基于全视场成像仿真方法,结合卫星实际场景,对卫星在不同姿态机动状态下的模型有效性进行了验证。研究结果表明:使用双相机组合成像的卫星,在无姿态机动(星下点成像)或常规侧摆机动时,成像质量基本不受影响;而俯仰机动时,系统将存在较大的偏流角修正残差,因此设计双相机组合成像卫星时不建议采用大角度俯仰机动成像。     

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。     

空间相机的像移速度矢量计算模型

建立了空间相机的像移速度矢量计算模型.用多重坐标变换在统一的摄影坐标系中表述像面和目标位置.讨论了星下点、方位偏移和俯仰偏移时成像的边界条件与目标定位.根据中心投影原理,给出了电荷耦合器件(CCD)线阵推扫相机对地物目标成像时的偏流角和合成像移速度模值的计算公式.对实现空间相机的精密像移速度补偿、地面目标定位和空间目标识别有重要的应用价值.     

敏捷卫星像移补偿残差计算及对成像影响分析

通过分析敏捷卫星相机像移模糊机理,计算了对偏流角和行频像移补偿后的残差,并对其引起调制传递函数(MTF)的下降进行了仿真计算。结果表明,敏捷光学成像卫星相机设计中行频控制残差对成像质量的影响不容忽视,宜选用像元数少的时间延迟积分电荷耦合器件(TDIC-CD)予以解决。文章的研究结果对敏捷卫星的总体指标设计具有参考价值。     

星载TDI光机扫描相机偏流角建模

星载TDI光机扫描相机成像时,由于存在偏流角,造成在垂直扫描方向存在像移,对遥感相机成像产生影响。文章分析了光机扫描相机偏流角产生的原因,采用矢量分析的方法,建立了光机扫描相机偏流角模型。以某预研相机为例进行了分析,结果表明,偏流角随着扫描视角减小、纬度增高而增大;论述了偏流角对该相机穿轨方向MTF的影响以及对探测器奇偶阵列间距的设计指导。文章建立的偏流角模型可广泛适用于星载光机扫描相机,对光机扫描相机的总体设计具有参考意义。     

卫星TDICCD相机非沿轨成像仿真方法

传统的TDICCD相机沿轨成像模式只需要调整偏流角和卫星飞行速度决定的积分时间,而TDICCD相机非沿轨成像则需要更加复杂的姿态和积分时间控制。对TDICCD相机非沿轨成像进行仿真,有助于了解其工作原理,并有针对性地研发数据处理方案。文章实现了卫星TDICCD相机对非沿星下点轨迹方向条带目标成像的两种仿真方法。一是"南北方向"成像仿真方法,另一种是"摆扫"成像仿真方法。推导了这两种成像在星下点成像和偏离星下点成像两种条件下TDI积分时间和姿态运动的计算方法。通过多级积分条件下的靶标成像效果和成像范围验证了所述方法的正确性和通用性。     

卫星偏流角的矢量计算方法研究

对一种近地圆轨道遥感卫星偏流角的矢量计算方法进行了研究。基于考虑地球自转时偏流角的定义和相关坐标系,将计算偏流角用的速度矢量分解为数个速度的矢量和,由坐标系转换关系,根据卫星地面物点定位信息确定其相对速度,推导出卫星本体坐标系中偏流角的计算公式。算法的基本运算无需求导,可有效避免求导过程中牵连速度计算,具有模型准确、计算简便、结果精确、物理意义清晰、排查错误容易等优点。在不同三轴姿态角、载荷视物前向角和侧向角条件下进行了数学仿真计算,结果发现计算结果与偏流角定义相符,卫星偏流角随星下点地理纬度和纬度幅角的变化分别为封闭类圆和1/2周期的类正弦曲线,而视物前向角、侧向角,滚动角,俯仰角对偏流角的影响较小。该计算方法已用于高分五号(GF-5)卫星的星上偏流角计算软件。     

敏捷卫星主动推扫成像积分时间设置研究

针对敏捷卫星的新型工作方式——主动推扫成像过程中的积分时间设置开展了研究。通过建立敏捷卫星主动推扫成像典型场景和积分时间模型,仿真了敏捷卫星主动推扫成像过程中相机TDICCD的积分时间变化情况,并给出了设置建议。文章对两种典型工况进行了仿真计算,均为卫星对垂轨条带进行扫描,条带长度分别为170km和1520km,仿真结果表明:积分时间在主动推扫成像过程中实时变化,同时在大角度机动下,边缘和中心视场的积分时间有较大差异。积分时间的实时变化需要进行积分时间的实时设置,并仿真给出了设置频率的需求;而积分时间边缘和中心视场的不一致,需要进行积分时间的分片设置。分析表明采用这些措施后,主动推扫过程中由于积分时间设置引起的图像MTF下降能得到有效控制。文章的仿真结果可以为我国敏捷卫星总体的设计和相机的设计提供参考。     

品字形拼接探测器偏流角补偿研究

对遥感卫星TDI-CCD推扫品字形探测器偏流角的补偿进行了研究。根据偏流角产生机理,用轨道要素法推导出一种简单可靠的偏流角计算和补偿方法,将偏流角补偿后重新计算的欧拉角作为控制目标输入闭环进行控制,规避了三轴欧拉角转序的影响。分析了偏流角控制对品字形拼接探测器成像产生的像元错位、调制传递函数(MTF)、通道间配准和幅宽等的影响。结果发现:对偏流角进行控制后穿轨向像元错位可消除,沿轨纵向像元错位不能消除,穿轨和沿轨向MTF均可消除,偏流角可对幅宽无影响;不对偏流角进行控制会严重影响通道间的配准精度。所提方法计算简单,流程清晰,在工程中有一定的应用价值。     

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。     

敏捷卫星立体成像覆盖能力分析

成像幅宽确定时,敏捷卫星的覆盖能力仅取决于成像条带长度。根据敏捷卫星的立体成像过程,推导出基于圆形地球模型星下点轨迹下的立体成像条带长度通用公式,分析了敏捷卫星实现立体成像的最小机动能力需求,并推导出立体成像条带长度所对应的姿态机动能力需求通用公式。基于某卫星典型姿态机动能力进行实际应用分析,得到轨道高度、俯仰预置角、立体观测视角数量等因素对其影响规律。分析结果表明:在其他条件相同时,轨道高度增加或俯仰预置角增大,均会带来立体成像条带长度增加,双视立体成像获取的条带长度也大于三视立体成像。文章采用的分析方法和推导出的相关公式,可为敏捷卫星的总体分析设计提供参考。