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。     

结合面阵成像的摆镜扫描系统设计研究

为实现低轨卫星对地面热点区域快速、大范围的成像侦查,对面阵成像摆镜扫描系统的设计进行了研究。基于反射镜摆动扫描展宽相机视场的原理,根据卫星轨道高度、地面分辨率,确定扫描系统采用阶梯式的步进扫描,要求摆镜快速摆动快速稳定。给出了摆镜扫描系统的组成、技术指标和构型,采用TRUM-60旋转行波超声电机作为驱动电机。对设计的摆镜系统建立虚拟样机模型进行仿真,设计的摆镜模态满足系统使用要求。用ADAMS软件对摆镜系统进行动力学仿真分析,摆镜单步运动满足50ms快速摆动、50ms快速停止稳定成像的要求;1个运动周期内摆镜的运动状况与设计要求一致,前1 000 ms内完成10次快摆快稳的步进扫描,回程用时少于200ms,完成1行扫描的时间充裕。设计的摆镜扫描系统能完成面阵扫描,实现宽幅成像。     

相机摆放方式对推扫成像试验的影响分析

为了减小空间TDI CCD相机外场成像过程中相机摆放方式引入的误差,更准确地评价相机成像性能,提出了一种相机最佳水平摆放角、半径以及成像仰角的计算方法。建立了推扫成像的像移矢量数学模型,定义了像移矢量与水平摆放角、半径之间的函数关系,对工程近似进行了误差分析。建立了相机仰角与像移失配率之间的函数关系,提出了最佳仰角的计算方法。分析结果表明：在常规大气条件下,水平摆放角为0°,摆放半径为0, 仰角为7°时,相机摆放方式对成像影响最小,成像结果最能客观反映相机性能。     

卫星后摆补偿地速研究及成像仿真分析

分析了卫星在对地观测时降低轨道高度提高成像分辨率的过程。针对卫星相机的数据 读出频率会随轨道的降低明显升高而产生高频干扰这一问题,提出拍照过程的同时后摆补偿 地速方案,即轨道降低后,在保证相机数据的读出频率一定的条件下,在小角度范围内,利 用卫星的俯仰角速度补偿引起过高读出频率的地速。依据轨道下降高度和俯仰角速度变化 引起的偏流角变化,TDI CCD的速率失配,成像畸变等误差,利用TDI CCD相机像点与物点 的对 应模型的仿真系统进行试验仿真,分析了图像的MTF函数和互相关相似性测度。在拍照时间 要求不太长,俯仰角为小角度时,方案仿真成像能较好地满足要求。
     

空间相机次镜在轨校正仿真分析

针对空间环境变化引起的面形误差和位置误差导致空间相机成像品质下降的情况,提出一种次镜调整补偿系统像差的多软件联合仿真方法。采用次镜调整来补偿系统像差的方法,利用条纹泽尼克多项式来拟合系统波前像差,建立像差系数和次镜调整量之间的多视场灵敏度矩阵模型,进而通过最小二乘法迭代计算求解出各调整量,实现次镜在轨校正的闭环控制。以偏视场同轴三反消像散光学系统为例进行仿真分析,次镜多次迭代调整可以使系统多个视场的波像差接近原始设计值。仿真结果验证了次镜在轨调整的像差补偿作用,为空间相机在轨主动像差校正技术提供了工程应用参考价值。     

线阵CCD动态成像系统的同步误差研究

在介绍TDI-CCD结构及工作原理的基础上,通过像移调制传递函数(MTF)的数学模型,分析了TDI-CCD行扫速率与运动像不同步时对相机成像质量的影响。实验和测试表明,在奈奎斯特频率范围内,只要将相机动态成像系统的同步误差控制在±2%的范围内,并使图像时钟处于连续多相的工作方式,就可以基本上消除像移对成像质量的影响。     

TDICCD成像的速度同步分析和实验

模拟星载遥感器的成像条件对靶标进行动态成像 ,分析TDICCD相机的实验室动态成像性能 ,并通过改变运动像的速度 ,研究TDICCD与运动像不同步对成像质量的影响 ,考察相机在推扫成像过程中 ,因推扫速度失配而产生的像移现象对相机成像质量的影响 ,验证相机像移影响计算公式的推导结果。     

TDICCD成像的速度同步分析和实验

模拟星载遥感器的成像条件对靶标进行动态成像，分析TDICCD相机的实验室动态成像性能，并通过改变运动像的速度，研究TDICCD与运动像不同步对成像质量的影响，考察相机在推扫成像过程中，因推扫速度失配而产生的像移现象对相机成像质量的影响，验证相机像移影响计算公式的推导结果。     

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。     

高分多模卫星图像质量保证和验证

针对高分多模卫星敏捷成像模式开展图像质量预估,识别出关键影响因素,并在工程设计和研制过程中采取相应措施保证图像质量。通过适当提升星下点分辨率,保证卫星一定机动范围内的0.5 m分辨率;配置大气同步校正仪,消除大气对高分辨率图像的影响;采用积分时间分片设置,解决卫星大角度成像时中心和边缘视场像移速度差异大的问题;采用积分时间实时设置,解决主动推扫成像过程中焦面像移速度变化快的问题;通过地面处理,解决主动推扫成像模式下图像内部均一化的问题。高分多模卫星在轨测试结果表明:研制过程中采用的图像质量保证措施有效,敏捷成像模式下的图像质量符合预期要求。     

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。     

遥感卫星全视场成像质量仿真方法研究

基于卫星工具包(STK)和MATLAB软件,提出了一种对卫星全视场成像进行物理建模分析的交互仿真方法。以一颗运行在650km高度的太阳同步轨道、具有侧摆能力的遥感卫星为例,对相机在运动中的全视场积分时间偏差和全视场偏流角修正残差进行了仿真分析。仿真结果表明,文章提出的方法能够较精确地对相机在轨全视场的成像质量进行分析,从而可用于在轨成像性能预估。该仿真方法还能以卫星工程数据作为输入,用于卫星星上算法验证、在轨误差分析补偿等方面,为保障卫星在轨成像质量发挥作用。     

帧转移面阵CCD电子像移补偿设计

文章通过分析像移对面阵CCD成像的影响,针对面阵CCD运动成像中影响图像MTF的速度误差和积分级数来设计具有电子像移补偿功能的面阵CCD积分时序,并完成了软件仿真和硬件电路测试,在实际CCD成像电路中验证了像移补偿时序。     

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。     

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°。     

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。     

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。     

空间红外推扫成像系统探测器光学拼接方法

高分辨率、大视场成像是空间光学遥感器发展的重要方向之一;针对红外成像系统的特点,文章提出了一种基于像方远心光路主光学系统与物方远心光路中继透镜组相结合,在主光学系统像面处通过反射镜分视场实现多探测器组件光学拼接的方法;在此基础上对影响成像系统可实现性的关键问题进行了分析,并给出了解决途径;最后针对大幅宽成像应用需求,给出了光学拼接实现推扫成像的实例。     

线阵CCD倾斜布置敏捷卫星辐射定标的姿态计算方法

针对搭载倾斜布置的多片线阵CCD相机的敏捷卫星上所有探测器对同一区域成像的相对辐射定标,提出了基于地面成像轨迹重合的偏航角速度计算模型与方法,充分利用敏捷卫星对偏航角速度的控制潜力。建立了地面物点到相机焦平面的空间坐标变换关系;推导了斜视成像时地心角的计算公式;给出了对同一区域成像的敏捷卫星偏航角速度计算方法。以5片线阵CCD共30 000个探测器、相邻两片倾斜0.3°的敏捷卫星作为仿真对象,给出了所有探测器在约30s的定标成像过程中的地面轨迹间隔宽度,结果表明:为了实现所有探测器对同一区域成像,需要间隔一定周期调整偏航角速度,当调整周期为0.36s时,对应的地面轨迹宽度在赤道附近优于1个像元、在纬度50°附近优于6个像元。文章对敏捷卫星基于同一区域成像的相对辐射定标可提供一定的参考价值。     

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。