一种低轨卫星大幅宽探测垂轨摆扫方法与流程

本发明涉及一种低轨卫星大幅宽探测垂轨摆扫方法，属于航天器控制技术领域。

背景技术：

利用天基平台探测对地面环境、区域安全等进行持续性观测具有可持续性强，可达范围广等优点。低轨卫星平台能够达到较高分辨率，并且组成星座能达到很高的重访率，是众多对地观测卫星的首要选择。但是低轨卫星对地观测视场受限，需要加宽探测范围，提高对于大范围区域的探测能力。

大幅宽成像能够使卫星一次过境时对更宽广的区域进行成像，提高卫星的成像效率，有效利用卫星的过顶时间，降低成本。利用卫星姿态变化调整传感器指向，实现卫星敏捷成像是拓展成像幅宽的有效方式。敏捷成像过程中的姿态变化轨迹不同，对于成像性能的影响显著。设计合适的姿态轨迹从而充分利用有限过顶时间，对目标区域进行大幅宽成像，是进一步提升成像效率需要解决的问题之一。

目前，低轨敏捷卫星实现大幅宽成像的方式采用沿轨道方向多条带扫描：在过顶时间内，先通过姿态机动方式扫描形成一个条带，结束后调整姿态开始扫描下一条带，最后通过拼接实现大幅宽成像。这种方式需要在过顶时间内分配出部分时间用于卫星姿态机动，这将降低敏捷卫星的探测能力。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明为使敏捷卫星过顶时间内充分利用有限时间，提供了一种低轨卫星大幅宽探测垂轨摆扫方法，该方法能够实现卫星的垂轨摆扫，充分利用过顶时间，提升敏捷成像的效率。

实现本发明的技术方案如下：

一种低轨卫星大幅宽探测垂轨摆扫方法，具体过程为：

(一)计算卫星的角速度；

(二)计算卫星扫描过程中图像的中心位置；

(三)基于所述卫星角速度，计算指向图像中心位置时卫星的位置；

(四)根据所述卫星的位置，计算指向图像中心位置时卫星的期望姿态；根据所述期望姿态对卫星进行控制，实现大幅宽探测垂轨摆扫。

进一步地，本发明所述步骤(二)的计算过程为：

根据相机幅宽和目标区域大小，计算成像条带数m和每个条带中需要成像的次数n；

假设目标区域的四个顶点经纬度坐标分别为：(loe,lae)、(lof,laf)、(log,lag)和(loh,lah)，在第p(p≤m)条带，第q(q≤n)幅图像时，卫星上相机光轴应当指向点(lop,q,lap,q)

当p为奇数时其计算公式为：

当p为偶数时其计算公式为：

所述卫星上相机光轴应当指向点(lop,q,lap,q)即为卫星扫描过程中图像的中心位置。

进一步地，本发明所述步骤(三)为：

假设第一次成像时的张角为γ0，升交点与卫星所在位置对应的地心张角γp,q表示第p条带、第q幅图像时的卫星所在位置，

γp,q＝γ0+ω[(p-1)m+q]。

有益效果

本发明能够实现垂轨摆扫，因此能将过顶时间充分利用，提升敏捷成像的效率，充分发挥卫星在轨任务的能力，提升效益。

附图说明

图1为垂轨摆扫进行大幅宽探测示意图。

图2为卫星侧摆成像时几何关系分析。

图3为滚动角和俯仰角计算示意图。

图4表示垂轨摆扫的视场拼接方式。

图5表示沿轨推扫成像示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1所示，卫星到达目标区域上空时，从区域的一角开始探测，完成后调整视场移动，进行下一次探测，使两次探测视场之间能够拼接成一个更大的视场，如此反复形成一个垂轨带状区域；之后又反向重复此过程直至覆盖整个区域。该过程中卫星通过姿态控制载荷指向，实现整个过程。

首先假定卫星轨道高度为hkm；搭载探测器星下点单幅探测幅宽为s＝a×bkm²；相机最大允许倾斜角度为αrad；探测目标区域大小为s＝l×wkm²，其中l表示沿轨长度，w表示垂轨宽度；地球半径为r。

一.计算卫星速度和角速度

在卫星一次过境时，根据载荷成像能力，在尚未到达目标区域正上空，即可通过调整俯仰角使得载荷指向目标区域开始成像扫描。在离开区域时，一定范围内也能够实现成像。

若要保证卫星大幅宽摆扫探测中实现对指定区域的完全覆盖，从指定范围的角落开始成像，能保证最高的成像效率。附图2中a为卫星所在位置，c是a的星下点位置，b为第一幅图像中心位置，d是第一个摆扫周期的中心点位置，位于星下点轨迹。a1，a2为地心与d，c的延长线，轨道高度为hkm，o表示地心，r表示地球半径。

由正弦定理可得：

从而：

由于∠oba＝π-α

此即是b、c点对地心张角。

计算滚动角φ时，与上述过程类似，见附图3左图，此时已知条件为bd＝wkm，由余弦定理：

因此滚动角值为：

对于俯仰轴，见附图3右图，由三角形余弦定理可得：

其中β的引入是由于轨道坐标系变化引起的角度表示变化，由此可计算得俯仰角的值为：

代入具体数值即可计算得其大小。

计算得卫星可提前的绕地心角度：

一次过境，能够允许载荷工作的轨道段绕地心的张角为：

由卫星运动规律，可计算卫星在hkm高度上卫星速度和角速度为：

其中，ge＝gme＝3.986×10¹⁴m³/s²，为地球引力常数。

该步骤中还可进一步计算一次过境的最大任务时间tm：

二.计算扫描过程中的图像中心位置

即是计算每次探测成像时的图像中心。如附图4所示，efgh是区域的四个顶点，其对应的经纬度已知，构成的区域平行于星下点轨迹。图中编号(p,q)表示第p条带上的第q幅图像。

通过相机幅宽和目标区域大小，计算成像条带数至少为：

其中，w表示垂轨宽度，a表示相机的视场宽度；

式中ceil(*)表示向上取整，同理，每个条带中需要成像次数为：

其中，l表示沿轨长度，b表示相机的视场长度；

因此共需进行m×n次成像，并且在区域内均匀分布。如附图4，p表示成像的条带次序，q表示条带中的成像次序。通过计算可得到每一次成像时的中心点坐标。在低纬度地区时，通过线插差值近似计算其经纬度。

假设目标区域的四个顶点经纬度坐标分别为：(loe,lae)、(lof,laf)、(log,lag)和(loh,lah)。在第p(p≤m)条带，第q(q≤n)幅图像时，卫星上相机光轴应当指向点(lop,q,lap,q)，即为图像的中心位置，p为奇数和偶数时的扫描方向不一样。

当p为奇数时其计算公式为：

当p为偶数时其计算公式为：

三.计算指向图像中心点时卫星的位置

假设卫星轨道参数已知，用卫星在轨道平面内，沿着卫星运行的方向，升交点与卫星所在位置对应的地心张角γp,q表示第p(p≤m)条带，第q(q≤n)幅图像时的卫星所在位置，假设第一次成像时的张角为γ0，则有：

γp,q＝γ0+ω[(p-1)m+q](17)

式中ω由式(11)计算而得。

四.计算指向中心位置的卫星期望姿态

通过典型的坐标变换关系，将地理坐标系中的经纬坐标转换至轨道坐标系下的表示：

其中，i0为轨道倾角，γ＝γp,q，由坐标(xo,yo,zo)求取期望姿态角φp,q，θp,q，的计算方式为：

通过上述四个步骤，可以计算在整个成像任务过程中的卫星姿态角期望值变化情况，按照式(19)给出的期望姿态完成卫星姿态控制，即可使卫星实现垂轨大幅宽扫描，实现大范围成像。

传统沿轨推扫的敏捷成像模式如附图5，上一条带的终点与下一条带起点距离远，成像条带之间需要进行大角度的姿态机动，占用大量时间进行姿态调整。本发明采用垂轨摆扫方式，上一条带的终点与下一条带起点距离近，条带间不需要大角度机动，能将过顶时间充分利用，提升敏捷成像的效率，充分发挥卫星在轨任务的能力，提升效益。

虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。