一种基于视场方向正交配置的高轨多星联合观测优化方法与流程

本发明涉及一种基于视场方向正交配置的高轨多星联合观测优化方法，用于提升高轨多星组网进行对地观测时的覆盖效率及全天可观测时长，优化时空综合覆盖能力，属于光学遥感卫星。

背景技术：

1、高轨光学遥感卫星在对地连续观测方面具有突出优势，对任务区域的全天可观测时长是评价卫星效能的核心指标之一。其中在午夜前后卫星对地观测时，太阳与相机视轴夹角较小，易照射相机内壁干扰成像从而对观测任务造成长时间中断。为此高轨光学遥感卫星普遍采用局部开口的异型遮光罩来改善遮光能力，如筒状斜切式、分段夹板式、单板式等，其主要特征是“长边-短边”设计，在轨使用时基本原则是保持遮光罩长边朝向太阳实现有效遮挡，同时太阳从斜前方入射短边一侧也不会受到太阳照射，从而避免遮光罩内壁热量堆积而引入额外的热辐射及杂散光影响。

2、采用“长边-短边”遮光罩的卫星一般将长边布置于星体+x侧，由于卫星绕地球运行时太阳相对卫星本体的入射方位会发生反转，因此卫星需在星下点地方时正午、午夜附近进行姿态调头，即在“午夜-正午”时段以星体+x轴指向飞行方向、+z轴指地心为基准姿态，在“正午-午夜”时段以星体-x轴指向飞行方向、+z轴指地心为基准姿态，如图1所示。

3、在基准姿态基础上，进一步通过绕星体z轴旋转调整偏航角度，使遮光罩长边朝向太阳(即尽量减小遮光罩长边法线与太阳矢量的夹角)，可改善遮光效果、提升可观测时长。相对于基准姿态，以遮光效果最优时，午夜前后所要求的偏航方向相反。如夏至前后阳光从北侧入射，午夜前相对基准姿态正向偏航、午夜后反向偏航，才能使遮光罩长边始终处于北侧朝向太阳，如图2所示。而冬至阳光从南侧入射，所需的偏航方向则相反。

4、但对于相机视场为非旋转对称视场设计的卫星，星体偏航动作会使相机视场同步转动，导致地面覆盖形状发生变化。以基准姿态下相机视场为南北向矩形为例，在对指定条带区域进行成像覆盖时，根据条带方位调整卫星偏航角度可以达到最佳覆盖效率，否则需要多次步进拼接才能完成覆盖，降低覆盖效率及持续覆盖时长。相对于基准姿态，以覆盖效率最优时，午夜前后所要求的偏航方向相同，如图3所示。

5、即相对于基准姿态，以遮光效果最优时要求午夜前后偏航方向相反，而以覆盖效率最优时要求午夜前后偏航方向相同。这使得卫星观测时总有一个时段无法兼顾遮光效果(影响工作时长)与覆盖效率的要求，降低了对任务区域的综合时空覆盖能力。即便采用多星联合观测，如采用覆盖效率最优约束偏航方向，也同样存在某一时段各星均不满足遮光条件、影响可观测时长，无法规避上述矛盾。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，针对相机视场具有非旋转对称特点(尤其是矩形视场)的高轨光学遥感卫星多星系统，提供了一种基于视场方向正交配置的高轨多星联合观测优化方法，通过对相邻卫星视场方向的组合配置以及任务优化调配，在保障任务覆盖效率的前提下，有效提升全天可观测时长，实现对任务区域的时空覆盖综合优化。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种基于视场方向正交配置的高轨多星联合观测优化方法，包括：

4、通过调整相机安装方位角度或是调整相机光学设计，将基准姿态下相邻两颗卫星的视场方向调整为正交；

5、针对单一条带区域的观测任务进行观测优化，具体包括：(a)根据条带方向，以覆盖效率最优约束各卫星的星体偏航角度；(b)选择在当前时段偏航方向有利于遮光的卫星执行观测任务；

6、针对条带方向分布在不同象限的两个区域的观测任务进行观测优化，具体包括：(a)当相邻卫星对两个条带区域进行组合观测覆盖，且两个条带朝向分别处于一三象限和二四象限时，仍以地面覆盖形状约束星体偏航角度；(b)根据不同象限区域观测原则，指派两颗卫星分别观测不同方向的条带区域，并且在午夜前后，将两颗卫星的任务区域进行切换；

7、针对条带方向分布在相同象限的两个区域的观测任务进行观测优化，如果为多星系统，根据不同象限区域观测原则，午夜前选择某一方向视场的两颗卫星分别观测两个区域，午夜后切换视场为正交方向的两颗卫星分别观测两个区域；

8、如为双星系统，根据不同象限区域观测原则，午夜前选择某一方向视场的单星通过轮巡来覆盖两个区域，午夜后切换视场为正交方向的另一颗卫星来覆盖两个区域，保证全天可工作时长；

9、针对多颗星组网对多个条带区域成像进行观测优化，通过任务组合，寻求卫星偏航方向同时满足覆盖及遮光的配置。

10、进一步的，进行针对单一条带区域的观测任务进行观测优化时，所述根据条带方向，以覆盖效率最优约束星体偏航角度，具体为：

11、相邻两颗星的视场正交，所需的星体偏航角度相差90°，即相对于基准姿态，相邻两颗星观测同一条带区域时，将保持相反的偏航方向，一颗始终维持正向偏航、另一颗始终维持反向偏航。

12、进一步的，进行针对单一条带区域的观测任务进行观测优化时，所述选择在当前时段偏航方向有利于遮光的卫星执行观测任务，具体为：遮光效果最优时，午夜前后所要求的偏航方向相反，相邻卫星视场正交组合配置使得始终有一颗卫星的偏航方向有利于遮光；令午夜前后切换卫星来执行指定条带区域的观测任务。

13、进一步的，针对条带方向分布在不同象限的两个区域的观测任务进行观测优化时，所述当相邻卫星对两个条带区域进行组合观测覆盖，且两个条带朝向分别处于一三象限和二四象限时，仍以地面覆盖形状约束星体偏航角度，具体为：

14、当卫星基准姿态下视场方向为南北向时定义为a星，观测一三象限条带需正向偏航、观测二四象限条带需反向偏航；当卫星基准姿态下视场方向为东西向时定义为b星，所需偏航方向则相反。

15、进一步的，所述不同象限区域观测原则，具体为：各星的偏航角度既满足条带方向的覆盖需求，偏航方向又有利于当前遮光。

16、进一步的，所述针对条带方向分布在相同象限的两个区域，是指均处于一三象限或均处于二四象限。

17、进一步的，针对条带方向分布在不同象限的两个区域的观测任务进行观测优化时，所述根据不同象限区域观测原则，分别指派两颗卫星观测不同方向的条带区域，并且在午夜前后，将两颗卫星的任务区域进行切换，具体为：

18、夏至前后太阳从北侧入射，午夜前卫星正向偏航、午夜后卫星反向偏航有利于遮光，在午夜前由a星正向偏航观测一三象限条带、b星正向偏航观测二四象限条带，午夜后两星切换任务区域并均转为反向偏航，即a星反向偏航观测二四象限条带、b星反向偏航观测一三象限条带；

19、冬至前后太阳从南侧入射，午夜前卫星反向偏航、午夜后卫星正向偏航有利于遮光，在午夜前由a星反向偏航观测二四象限条带、b星反向偏航观测一三象限条带，午夜后两星切换任务区域并均转为正向偏航，即a星正向偏航观测一三象限条带、b星正向偏航观测二四象限条带。

20、另一方面，

21、本发明还提出一种基于视场方向正交配置的高轨多星联合观测优化系统，包括：

22、姿态调整模块：通过调整相机安装方位角度或是调整相机光学设计，将基准姿态下相邻两颗卫星的视场方向调整为正交；

23、第一观测优化模块：针对单一条带区域的观测任务进行观测优化，具体包括：(a)根据条带方向，以覆盖效率最优约束各卫星的星体偏航角度；

24、(b)选择在当前时段偏航方向有利于遮光的卫星执行观测任务；

25、第二观测优化模块：针对条带方向分布在不同象限的两个区域的观测任务进行观测优化，具体包括：(a)当相邻卫星对两个条带区域进行组合观测覆盖，且两个条带朝向分别处于一三象限和二四象限时，仍以地面覆盖形状约束星体偏航角度；(b)根据不同象限区域观测原则，指派两颗卫星分别观测不同方向的条带区域，并且在午夜前后，将两颗卫星的任务区域进行切换；

26、第三观测优化模块：针对条带方向分布在相同象限的两个区域的观测任务进行观测优化，如果为多星系统，根据不同象限区域观测原则，午夜前选择某一方向视场的两颗卫星分别观测两个区域，午夜后切换视场为正交方向的两颗卫星分别观测两个区域；

27、如为双星系统，根据不同象限区域观测原则，午夜前选择某一方向视场的单星通过轮巡来覆盖两个区域，午夜后切换视场为正交方向的另一颗卫星来覆盖两个区域，保证全天可工作时长；

28、第四观测优化模块：针对多颗星组网对多个条带区域成像进行观测优化，通过任务组合，寻求卫星偏航方向同时满足覆盖及遮光的配置。

29、本发明与现有技术相比的有益效果是：

30、对于视场为非旋转对称设计的高轨多星系统，本发明通过将相邻卫星视场方向正交配置以及观测任务组合优化，可保证在午夜前或午夜后的任意时段，总有卫星的偏航方向既满足地面覆盖形状要求，又有利于遮光，实现覆盖效率与工作时长的整体提升。