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。     

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。     

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。     

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。     

空间相机离轴角引起的积分时间误差分析

光学遥感卫星中空间相机常用的离轴三反光学系统,离轴三反系统能扩大光学系统视场、提高系统调制传递函数（MTF）,但是离轴角会带来积分时间不同步的问题,文章对离轴角引起的积分时间不同步而产生的成像品质影响进行了分析。首先对离轴三反光学系统的离轴角建立数学模型后,应用STK软件仿真空间TDICCD相机在不同级数下离轴角带来的摄影点积分时间和星下点积分时间的差异,然后用Matlab编写程序处理得到的不同积分时间的采样点得出结论,离轴角越大,光学系统的传递函数越小,光学相机成像品质越差。在工程应用中,对一个确定离轴角的离轴三反光学系统,通过仿真,对积分时间调整给出了相应设计建议。     

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。     

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。     

一种空间推扫型光学成像系统几何映射方法

卫星光学遥感器在轨成像会受到颤振的影响,因此图像品质受姿态稳定度的影响很大,而高分辨率图像受到平台误差的影响更加明显。通过研究空间相机的几何模型,提出了一种从地球坐标系到空间光学遥感器坐标系之间的转换关系;分析了在轨卫星的姿态误差和运动源,并在几何模型中加入了内外方位元素特征;然后进行了空间TDICCD相机的成像仿真实验。为了在像面上模拟颤振,分别进行不同模态的颤振仿真,并且对视线范围内多模态综合作用进行仿真。仿真实验是基于三个轴系方向的,并且计算了TDICCD仿真图像的几何畸变量,模型中几何畸变量的测量尺度达到亚像素级,结果有利于指导卫星平台和遥感器的参数设计。     

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。     

敏捷卫星宽幅动态成像姿态调整技术研究

针对敏捷卫星在三轴姿态机动过程中"动中拍"的成像任务,分析了推扫条带与星下点轨迹成90°夹角的宽幅动态成像模式,提出了这种成像模式下的姿态调整技术。数值仿真分析了该成像模式对姿态控制精度的要求,并通过卫星工具包(STK)仿真验证了数学模型的正确性。数值仿真结果表明:在10Hz的控制周期下,姿态角的控制精度需求是0.01°,角加速度的控制精度为0.003 0～0.000 1(°)/s2。针对上述指标要求,提出采用小角度内分段匀角速度进行控制的宽幅动态成像姿态调整方法。     

北京三号A/B卫星沿斜条带成像姿态机动规划方法

针对沿着与星下点轨迹成一定夹角的条带成像姿态机动问题,提出沿斜条带成像的3轴姿态机动规划方法。建立斜条带的几何模型,提出摄影点沿斜条带以恒定地速滑动的规划方法,建立带偏航补偿的成像姿态机动模型,并推导得出3轴姿态及姿态跟踪角速度的计算公式。该方法在北京三号A/B卫星上进行了应用验证,卫星成像能力得到大幅提升,在轨成像质量良好。沿斜条带机动中成像模式成为北京三号A/B卫星常规任务运行模式,可为遥感卫星开展新的业务应用提供参考。     

“嫦娥二号”卫星CCD立体相机的关键技术

文章介绍了中国两次绕月探测中 CCD 立体相机所采用的技术与创新,并与国际同类相机所获取的图像进行了比较;在此基础上详细介绍了“嫦娥二号”(CE-2)卫星CCD立体相机的综合创新集成技术--“单镜头两视角同轨立体成像、时间延迟积分图像传感器（TDICCD）推扫、速高比补偿”,并从工程目标与科学目标出发进行探测灵敏度及成像动态范围的需求分析;根据需求分析确定了总体技术方案,包括光、机、电的优化设计以及对月探测中首次采用TDICCD的技术困难与对策;特别讨论了速高比补偿的方案及实施途径,并进行了在轨试验验证。文章最后分别给出了虹湾地区成像分辨率为1.3m以及全月面分辨率为7m 的代表性图像,图像清晰、层次丰富,显示出中国在对月立体成像技术上取得了显著进步。     

TDICCD相机动态成像技术

文中首先介绍了时间延迟积分TDI(Time Delay Integration)器件在实时观测相机上的应用。然后,作者从TDICCD相机设计出发,在实验室加工了两套TDICCD相机动态成像装置,动态成像质量达到了满意的结果。     

象移对星载TDICCD相机成像品质的影响分析

像移是影响星载时间延迟积分电荷耦合器件（TDICCD）相机成像品质的重要因素。为研究像移对TDICCD像质的影响,首先分析了像移引起图像模糊和几何变形的机理,研究了像移降质的辐射和几何方面评价参量。依据TDICCD工作原理,建立了像移影响下TDICCD相机空变降质模型,并以此为基础,计算并分析了不同形式、不同方向上的像移影响下的像质下降情况。分析结果表明,不同方向、不同形式的像移引起的成像品质下降是不同的。文章中提出的空变降质模型可以为后续的仿真及像移降质图像的恢复等提供参考。     

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。     

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。     

TDICCD相机安装精度对系统调制传递函数的影响

论述了对TDICCD相机安装精度导致调制传递函数（MTF）下降的机理,定量分析了TDICCD相机安装精度对MTF的影响程度,并分析了TDICCD相机安装精度与卫星飞行姿态的耦合效应对MTF的影响。文章的分析方法,可为合理确定TDICCD相机的安装精度指标提供理论分析的依据。     

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。     

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。