阅读说明：本技术 一种低轨卫星大幅宽探测垂轨摆扫方法 (Low-orbit satellite large-width detection vertical orbit swinging scanning method ) 是由 曹永奎 倪淑燕 廖育荣 李兆铭 李磊 于 2019-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供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。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。(The invention provides a low-orbit satellite large-width detection vertical orbit swinging scanning method, which comprises the following specific processes: calculating the angular velocity of the satellite; (II) calculating the central position of the image in the satellite scanning process; (III) calculating the position of the satellite when the satellite points to the central position of the image based on the angular velocity of the satellite; fourthly, calculating an expected attitude of the satellite when the satellite points to the central position of the image according to the position of the satellite; and controlling the satellite according to the expected attitude to realize large-width detection vertical orbit swinging. The method can realize vertical orbit swing scanning of the satellite, fully utilizes the overhead time and improves the agile imaging efficiency.)

一种低轨卫星大幅宽探测垂轨摆扫方法

技术领域

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。

发明内容

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：(Lo_E,La_E)、(Lo_F,La_F)、(Lo_G,La_G)和(Lo_H,La_H)，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(Lo_p,q,La_p,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(Lo_p,q,La_p,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γ_p,q表示第p条带、第q幅图像时的卫星所在位置，

γ_p,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h km；搭载探测器星下点单幅探测幅宽为s＝a×b km²；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h km，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＝w km，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h km高度上卫星速度和角速度为：

其中，G_E＝GM_E＝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t_m：

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：(Lo_E,La_E)、(Lo_F,La_F)、(Lo_G,La_G)和(Lo_H,La_H)。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(Lo_p,q,La_p,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γ_p,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：

γ_p,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＝γ_p,q，由坐标(x_o,y_o,z_o)求取期望姿态角φ_p,q，θ_p,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。