专利名称：敏捷卫星成像侧摆推扫速度失配时的姿态补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种敏捷卫星成像时的姿态补偿方法。
背景技术：
光学遥感卫星的成像过程中，由于轨道的运动、地球的自转、姿态的机动、相机工作推扫方式等因素会导致目标成像点与实际成像点存在一定的偏差，这种偏差可以用偏流角来度量。对于星下点成像模式，偏流角的计算公式已经成熟；对于偏离星下点成像模式，在 《星载TDI-C⑶推扫相机的偏流角计算与补偿》(上海航天2006年第6期)一文中袁孝康深入推导了方位偏移和俯仰偏移成像时相机的偏流角计算公式，并提出了采用卫星偏航控制补偿相机偏流角的方法，动态地改变TDICCD线阵的配置方向，使其始终与目标像移方向一致；在《侧摆摄影偏流角和速高比的计算模型》(航天器工程第19卷第1期2010年1月) 一文中陈绍龙通过坐标转换推导出了卫星在星下点、侧摆、俯仰摄影模式下偏流角和速高比的计算公式，并基于TDICCD遥感卫星，提出采用电子学补偿方法进行偏流角控制，通过适当的方式旋转像平面，使得像移补偿系统移动方向和像移方向重合。采用上面两种方法对卫星姿态进行补偿时，存在以下问题(1)文中所提及的成像模式中，星载遥感器的成像幅宽较小，成像的范围较小，通常是一个较小的圆形或矩形区域，无法对区域目标进行有效的覆盖，成像任务单一；上述模式下的姿态补偿技术是基于姿态对地指向固定情况下的偏流角姿态控制，而对于卫星侧摆推扫成像时姿态对地指向不断变化情况下的偏流角姿态补偿技术尚未给出具体的措施。(2)文中假定星下点的移动速度与相机的地表推扫速度匹配一致，偏流角的姿态补偿仅考虑了地球自转而产生的偏流角问题，姿态补偿有很大的局限性上述模式下的姿态补偿方法只适合于星下点移动速度与相机推扫速度一致的情况，即卫星沿轨道进行推扫的情况，无法满足敏捷卫星星下点移动速度与相机推扫速度失配时的情况。而对于复杂的成像任务，如卫星绕滚动轴进行东西方向侧摆推扫时(即星下点移动方向与相机推扫方向不一致)，尚未给出偏流角的计算方法，因此基于偏流角的卫星姿态补偿无法实现，无法满足复杂成像任务的需求。随着遥感卫星的快速发展，出现了姿态灵活的敏捷卫星，这种卫星可以根据成像任务进行姿态的快速机动，从而实现区域目标成像、连续条带成像、多条带拼接成像和同轨立体成像等多种成像模式。这些成像模式下，卫星星下点的移动方向与相机的推扫方向不一致，姿态对地指向不断变化，这将导致星下点移动速度与相机的推扫速度失配，从而产生新的动态偏流角问题。对于敏捷卫星姿态对地指向变化情况下的偏流角姿态补偿技术需要考虑轨道运动星下点速度、地球自转、相机推扫速度三个方面。传统模式下(星下点移动速度与相机推扫速度匹配一致)的基于偏流角的卫星姿态补偿方法已经不能适应敏捷卫星成像时的姿态调整需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种基于敏捷卫星成像中卫星进行东西方向侧摆推扫模式下偏流角的卫星姿态补偿方法，满足高分辨率卫星进行区域目标成像的需求，从而实现对成像目标的有效捕获。本发明的技术解决方案是敏捷卫星成像侧摆推扫速度失配时的姿态补偿方法，对于卫星在顺行轨道往东侧进行侧摆推扫时①若Vp2 =|V' t-Vtecosi| = V' t_VteC0Si时，卫星应绕卫星本体坐标系的偏航轴进行偏航控制，其中偏航角速度的方向与卫星本体坐标系偏航轴的正方向相反，偏航角控制量β由下式得到
|Q(Re+h) cos - (Re+Λ) cos cos i\^ = arctanJ-H^[
ωβ (R + h) cos δτ sin i +-
cos θ②若Vp2 =I V' t"Vtecosi| = -v/ t+Vtecosi时，卫星应绕卫星本体坐标系的偏航轴进行偏航控制，其中偏航角速度的方向与卫星本体坐标系偏航轴的正方向相同，偏航角控制量β由下式得到
|Q(Re + K) cos b — coe (Re+h) cos δτ cos i\^ = arCtanJ-H^L
<ae (R + K) cos δτ sin i +-
cos θ其中，Vp2为由于卫星轨道星下点速度与相机推扫速度失配而导致的偏流横向速度，V' t为成像目标点由于轨道运动而产生的相对于卫星的速度，Vte为成像目标点随地球自转的线速度，i为卫星轨道倾角，Ω为卫星运行角速度，θ为卫星推扫角，h为目标高度，
为地球自转角速度，Re为地球半径，H为卫星离地面的高度，ωχ为卫星绕本体坐标系滚动轴进行东西方向推扫时的角速度，b为以地球半径度量时地心角00;Τ对应的弧长，0为星下点，Oe 为地心，T 为成像目标点位置，δ T = arcsin(sin δ。cosb士cos δ osinbcosi)，δ 0 为星下点纬度，当成像目标纬度高于星下点纬度时取“ + ”，当成像目标纬度低于星下点纬度时取“-，，；对于卫星在顺行轨道往西侧进行侧摆推扫时①若Vp2 =|V' t-Vtecosi| = V' t_VteC0Si时，卫星应绕卫星本体坐标系的偏航轴进行偏航控制，其中偏航角速度的方向与卫星本体坐标系偏航轴的正方向相同，偏航角控制量β由下式得到
|Q(Re+h) cos b-coe (R. + h) cos δτ cos i\^ = arCtanJm-
-γ- - a>e (R + h) cos δτ sin i
cos θ②若vp2 =I V' t-Vtecosi| = -V' t+Vtecosi时，卫星应绕卫星本体坐标系的偏航轴进行偏航控制，其中偏航角速度的方向与卫星本体坐标系偏航轴的正方向相反，偏航角控制量β由下式得到
|Q(Re + h) cos b-coe (Re + h) cos δτ cos i\β = arCtanJJHo-
--- — ω (R + h) cos δτ sin i
cos θ对于卫星在逆行轨道往东侧进行侧摆推扫时
Vp2 = V' t+VteCOS(180° _i)，卫星应绕卫星本体坐标系的偏航轴进行偏航控制， 其中偏航角速度的方向与卫星本体坐标系偏航轴的正方向相同，偏航控制量β由下式得到
权利要求
1.敏捷卫星成像侧摆推扫速度失配时的姿态补偿方法，其特征在于 对于卫星在顺行轨道往东侧进行侧摆推扫时①若Vp2 =Iv' t-Vtecosi| =V' t-vteC0Si时，卫星应绕卫星本体坐标系的偏航轴进行偏航控制，其中偏航角速度的方向与卫星本体坐标系偏航轴的正方向相反，偏航角控制量β由下式得到|Q(R + h)cosb-ω (R + h)cosδτ cosi\ β = arctanJ-—-L(Re+h) cos δτ sin i + ^COS2^②若Vp2 =I V' t-Vtecosi| =-V' t+Vtecosi时，卫星应绕卫星本体坐标系的偏航轴进行偏航控制，其中偏航角速度的方向与卫星本体坐标系偏航轴的正方向相同，偏航角控制量β由下式得到|Q(R. + K) cos b-coe (Re+h) cos δτ cos i\ β = arctanJ-—-L(Re+h) cos δτ sin i + -cos2 0其中，Vp2为由于卫星轨道星下点速度与相机推扫速度失配而导致的偏流横向速度， V' 成像目标点由于轨道运动而产生的相对于卫星的速度，Vte为成像目标点随地球自转的线速度，i为卫星轨道倾角，Ω为卫星运行角速度，θ为卫星推扫角，h为目标高度， 为地球自转角速度，Re为地球半径，H为卫星离地面的高度，ωχ为卫星绕本体坐标系滚动轴进行东西方向推扫时的角速度，b为以地球半径度量时地心角00;Τ对应的弧长，O为星下点，Oe 为地心，T 为成像目标点位置，δ T = arcsin(sin δ。cosb士cos δ osinbcosi)，δ 0 为星下点纬度，当成像目标纬度高于星下点纬度时取“ + ”，当成像目标纬度低于星下点纬度时取“-，，；对于卫星在顺行轨道往西侧进行侧摆推扫时①若Vp2=|V' t-Vtecosi| =V' t-VteCosi时，卫星应绕卫星本体坐标系的偏航轴进行偏航控制，其中偏航角速度的方向与卫星本体坐标系偏航轴的正方向相同，偏航角控制量β由下式得到Λ+ h) cos b_a>p (Rp + h) cos δτ cos/Iβ = arctanJ-—-------'-———--ω (R + h) cos δτ sin i cos θ②若Vp2=I V' t-Vtecosi| =-V' t+Vtecosi时，卫星应绕卫星本体坐标系的偏航轴进行偏航控制，其中偏航角速度的方向与卫星本体坐标系偏航轴的正方向相反，偏航角控制量β由下式得到+ h) cos b_coe (Re + h) cos δτ cos ；ρ — STCt&n-—--^~ - ω (R + h) cos δτ sin icos θ对于卫星在逆行轨道往东侧进行侧摆推扫时Vp2 = V' t+Vtecos(180° _i)，卫星应绕卫星本体坐标系的偏航轴进行偏航控制，其中偏航角速度的方向与卫星本体坐标系偏航轴的正方向相同，偏航控制量β由下式得到β = arctan Q(Re + ^ COS 6 — ^ (Re+h) cos δτ cos i (Re+K) cos δτ sin i +cos θ对于卫星在逆行轨道往西侧进行侧摆推扫时Vp2 = V' t+Vtecos(180° _i)，卫星应绕卫星本体坐标系的偏航轴进行偏航控制，其中偏航角速度的方向与卫星本体坐标系偏航轴的方向相反，偏航控制量β由下式得到 β = arctan ^(Re + h)cosb-coe(Re + K)cosδτ cosiΗ) -ae(Re+h)cosδτ sini cos θ卫星本体坐标系中，原点在卫星质心上，Χ、Υ、Ζ三轴为卫星的惯量主轴，其中X轴为滚动轴，Y轴为俯仰轴，ζ轴为偏航轴。
全文摘要
敏捷卫星成像侧摆推扫速度失配时的姿态补偿方法，针对传统的成像模式(卫星对地指向固定)中姿态补偿方法的局限性(仅考虑了地球自转而带来的偏流作用)，通过对卫星侧摆推扫姿态对地指向不断变化的成像模式(即星下点速度与相机推扫速度失配的情况，此时姿态对地指向不断变化)下的偏流角产生原因进行分析，从轨道运动、地球自转和相机推扫速度三个方面考虑成像的偏流作用，根据轨道姿态参数并结合偏流角的基本定义，得到了该模式下的偏流角计算公式，在此基础上结合TDICCD成像的基本原理和偏航控制原理给出了卫星姿态补偿方法，可以满足敏捷卫星侧摆推扫的成像需求。
文档编号B64G1/24GK102267574SQ201110109368
公开日2011年12月7日 申请日期2011年4月29日 优先权日2011年4月29日
发明者杨芳, 黄群东 申请人:航天东方红卫星有限公司