一種敏捷衛(wèi)星機(jī)動(dòng)中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行斜條帶成像的方法
【專利摘要】一種敏捷衛(wèi)星機(jī)動(dòng)中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行斜條帶成像的方法，克服傳統(tǒng)成像方式中成像軌跡必須平行于星下點(diǎn)軌跡的不足，提出了一種采用“斜條帶”覆蓋與星下點(diǎn)軌跡成一定夾角的目標(biāo)區(qū)域的成像方式，建立了地球上任意目標(biāo)點(diǎn)被“斜條帶”覆蓋的判定原則，并據(jù)此提出對(duì)目標(biāo)斜條帶進(jìn)行成像的方法，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對(duì)與星下點(diǎn)軌跡成一定夾角的狹長(zhǎng)區(qū)域的成像。本發(fā)明方法解決了衛(wèi)星動(dòng)中成像過程中的斜條帶成像區(qū)域建模及對(duì)斜條帶目標(biāo)進(jìn)行成像的問題，使得衛(wèi)星成像區(qū)域更加靈活，成像效能得到提升。
【專利說(shuō)明】一種敏捷衛(wèi)星機(jī)動(dòng)中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行斜條帶成像的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天遙感【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)斜條帶進(jìn)行成像的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，大多數(shù)光學(xué)遙感衛(wèi)星均采用傳統(tǒng)成像模式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像，即推掃成像時(shí)， 衛(wèi)星的姿態(tài)保持穩(wěn)定，從而像面空間方位對(duì)地固定，推掃成像完全依賴于衛(wèi)星的軌道運(yùn)動(dòng) 速度，因此每一景的地面推掃軌跡必須平行于星下點(diǎn)軌跡。然而，對(duì)于一些特殊成像任務(wù)， 例如沿公路、沿海岸線、沿邊境線等狹長(zhǎng)區(qū)域目標(biāo)的成像，目標(biāo)區(qū)域并不平行于星下點(diǎn)軌 跡，如果采用傳統(tǒng)成像方式，其覆蓋區(qū)域由于受衛(wèi)星軌道的嚴(yán)格約束，需要經(jīng)過多景的拼接 才能形成完整圖像，且每一景覆蓋的目標(biāo)區(qū)域較少，效能較低。如果要提高成像效能，就需 要通過新的成像模式以打破成像時(shí)衛(wèi)星軌道的嚴(yán)格約束，即可通過姿態(tài)機(jī)動(dòng)中成像來(lái)實(shí)現(xiàn) 與星下點(diǎn)軌跡成一定夾角區(qū)域的觀測(cè)。動(dòng)中成像的基本概念黃群東在2012年第12期《光 學(xué)精密工程》上的《姿態(tài)對(duì)地指向不斷變化成像時(shí)的像移速度計(jì)算》一文中已經(jīng)有了詳細(xì)描 述。
[0003] 傳統(tǒng)成像模式中，地面成像軌跡平行于星下點(diǎn)軌跡，通過獲取成像時(shí)刻衛(wèi)星的位 置、姿態(tài)數(shù)據(jù)以及相機(jī)的視場(chǎng)角就能夠完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域覆蓋的判斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)成像的任務(wù) 規(guī)劃。然而，動(dòng)中成像的地面成像軌跡尚未建立，沒有確定的地面成像軌跡模型，從對(duì)目標(biāo) 的觀測(cè)來(lái)講，難以確定目標(biāo)是否被覆蓋，進(jìn)而難以實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃；從衛(wèi)星姿控的角度來(lái)講， 則難以獲取合適的姿態(tài)機(jī)動(dòng)方案以滿足任務(wù)需求。
[0004] 目前，法國(guó)的Pleiades-HR衛(wèi)星通過姿態(tài)機(jī)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)垂直星下點(diǎn)軌跡的成像。 垂直星下點(diǎn)軌跡的主動(dòng)推掃模式能夠打破衛(wèi)星成像幅寬的限制，實(shí)現(xiàn)高分辨率、大幅寬、高 效能的兼顧。在國(guó)內(nèi)，機(jī)動(dòng)中成像尚處于理論探索階段，尚有很多關(guān)鍵技術(shù)需要解決。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服傳統(tǒng)成像方式中成像軌跡必須平行于星下點(diǎn)軌跡 的不足，提出了一種采用"斜條帶"覆蓋與星下點(diǎn)軌跡成一定夾角的目標(biāo)區(qū)域的成像方式， 建立了地球上任意目標(biāo)點(diǎn)被"斜條帶"覆蓋的判定方法，并據(jù)此提出對(duì)目標(biāo)斜條帶進(jìn)行成像 的方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)與星下點(diǎn)軌跡成一定夾角的狹長(zhǎng)區(qū)域的成像。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種敏捷衛(wèi)星機(jī)動(dòng)中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行斜條帶成像的方法， 包括如下步驟：
[0007] (1)將狹長(zhǎng)目標(biāo)區(qū)域分割成多個(gè)小塊，記每一個(gè)小塊的中心點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)V，地理坐 標(biāo)V(a v，δ v)，其中α和δ分別表示經(jīng)度與緯度，角標(biāo)V對(duì)應(yīng)目標(biāo)點(diǎn)V;針對(duì)每一個(gè)小塊， 分別執(zhí)行步驟（2)?步驟（4);
[0008] (2)確定一條能夠覆蓋目標(biāo)點(diǎn)V的斜條帶；所述的斜條帶采用傾角iA、升交點(diǎn)赤經(jīng) Ω Α、斜條帶中心線到虛擬圓的距離d、寬度2 λ、起點(diǎn)Μ的地理坐標(biāo)M( a M, δ M)、終點(diǎn)N的地 理坐標(biāo)Ν(αΝ，δΝ)共六種參數(shù)確定；所述的虛擬圓為圓心過地心、半徑為地球半徑、傾角為 iA、升交點(diǎn)赤經(jīng)為的圓，所述的斜條帶中心線為與虛擬圓平行的平面與地球相交所成的 最大圓周上截取的一段圓弧，圓弧的兩個(gè)端點(diǎn)形成起點(diǎn)Μ和終點(diǎn)Ν，虛擬圓與星下點(diǎn)軌跡所 在圓的夾角Α為斜條帶的相對(duì)傾角；在斜條帶中心線所在圓平面兩側(cè)作與斜條帶中心線所 在圓平面平行且球面距離為λ的兩個(gè)平面與地球相交形成兩個(gè)圓周，兩個(gè)圓周上與斜條 帶中心線對(duì)應(yīng)弧長(zhǎng)一致且球面距離為λ的兩段圓弧構(gòu)成斜條帶的兩個(gè)寬度邊沿；從起點(diǎn)Μ 和終點(diǎn)Ν分別作垂直于虛擬圓的圓心過地球球心的圓弧與虛擬圓相交，形成起點(diǎn)Μ在虛擬 圓上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)Μ'，地理坐標(biāo)為，（α Μ,，δ Μ,)，終點(diǎn)Ν在虛擬圓上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)Ν'，地理坐標(biāo) 為Ν' ( α Ν,，δ Ν,)，起點(diǎn)Μ和對(duì)應(yīng)點(diǎn)Μ'之間的弧長(zhǎng)為d，終點(diǎn)Ν和對(duì)應(yīng)點(diǎn)Ν'之間的弧長(zhǎng) 也為d ;
[0009] 目標(biāo)點(diǎn)V能夠被斜條帶覆蓋需要同時(shí)滿足條件：|x_d|〈 λ、α Μ,〈 α ν,〈 α N,、 δ M,〈 δ v,〈 δ N, ;x為目標(biāo)點(diǎn)V和對(duì)應(yīng)點(diǎn)V'之間的弧長(zhǎng)，V' ( α ν,，δ ν,)為對(duì)應(yīng)點(diǎn)V'的地 理坐標(biāo)，從目標(biāo)點(diǎn)V作垂直于虛擬圓的圓心過地球球心的圓弧與虛擬圓相交，形成目標(biāo)點(diǎn)V 在虛擬圓上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)V' ；
[0010] (3)從斜條帶的起點(diǎn)Μ開始，在斜條帶中心線上生成點(diǎn)序列Τ1、Τ2、Τ3、…、Ττ、…， 直至斜條帶的終點(diǎn)Ν，并將斜條帶的起點(diǎn)Μ，點(diǎn)序列ΤΙ、Τ2、Τ3、…、Τ τ、…，斜條帶的終點(diǎn)Ν 的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化至衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系下；所述衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系的原點(diǎn)在衛(wèi)星的質(zhì)心，X軸指 向衛(wèi)星的前進(jìn)方向，ζ軸指向地心的方向，y軸與X軸、ζ軸成右手坐標(biāo)系；
[0011] (4)在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系下，計(jì)算出成像初始時(shí)刻衛(wèi)星成像系統(tǒng)的光軸指向相對(duì)于 衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系的姿態(tài)，據(jù)此調(diào)整衛(wèi)星的預(yù)置姿態(tài)使得衛(wèi)星成像系統(tǒng)的光軸指向斜條帶的 起點(diǎn)M，衛(wèi)星從起點(diǎn)Μ開始進(jìn)行推掃成像；在起點(diǎn)Μ處成像完畢后計(jì)算斜條帶中心線上的下 一點(diǎn)所需的衛(wèi)星成像系統(tǒng)光軸指向并據(jù)此調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)，使得衛(wèi)星成像系統(tǒng)的光軸順序 指向Τ1、Τ2、Τ3、"·、Τ τ、…，直至斜條帶的終點(diǎn)Ν并在每一個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行推掃成像，從而完 成相對(duì)傾角為Α的斜條帶成像；
[0012] (5)將各小塊的斜條帶成像結(jié)果進(jìn)行拼接，得到狹長(zhǎng)目標(biāo)區(qū)域的成像結(jié)果。
[0013] 所述弧長(zhǎng)X的計(jì)算方法為：
[0014]

【權(quán)利要求】
1. 一種敏捷衛(wèi)星機(jī)動(dòng)中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行斜條帶成像的方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 將狹長(zhǎng)目標(biāo)區(qū)域分割成多個(gè)小塊，記每一個(gè)小塊的中心點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)V，地理坐標(biāo) V(av，δν)，其中α和δ分別表示經(jīng)度與緯度，角標(biāo)V對(duì)應(yīng)目標(biāo)點(diǎn)V;針對(duì)每一個(gè)小塊，分 別執(zhí)行步驟（2)?步驟（4); (2) 確定一條能夠覆蓋目標(biāo)點(diǎn)V的斜條帶；所述的斜條帶采用傾角iA、升交點(diǎn)赤經(jīng)Ωα、 斜條帶中心線到虛擬圓的距離d、寬度2 λ、起點(diǎn)Μ的地理坐標(biāo)Μ( α Μ，δ Μ)、終點(diǎn)Ν的地理坐 標(biāo)Ν(αΝ，δ Ν)共六種參數(shù)確定；所述的虛擬圓為圓心過地心、半徑為地球半徑、傾角為iA、 升交點(diǎn)赤經(jīng)為Ω Α的圓，所述的斜條帶中心線為與虛擬圓平行的平面與地球相交所成的最 大圓周上截取的一段圓弧，圓弧的兩個(gè)端點(diǎn)形成起點(diǎn)Μ和終點(diǎn)Ν，虛擬圓與星下點(diǎn)軌跡所在 圓的夾角Α為斜條帶的相對(duì)傾角；在斜條帶中心線所在圓平面兩側(cè)作與斜條帶中心線所在 圓平面平行且球面距離為λ的兩個(gè)平面與地球相交形成兩個(gè)圓周，兩個(gè)圓周上與斜條帶 中心線對(duì)應(yīng)弧長(zhǎng)一致且球面距離為λ的兩段圓弧構(gòu)成斜條帶的兩個(gè)寬度邊沿；從起點(diǎn)Μ和 終點(diǎn)Ν分別作垂直于虛擬圓的圓心過地球球心的圓弧與虛擬圓相交，形成起點(diǎn)Μ在虛擬圓 上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)Μ'，地理坐標(biāo)為，（α Μ,，δ Μ,)，終點(diǎn)Ν在虛擬圓上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)Ν'，地理坐標(biāo)為 f ( α Ν,，δ Ν,)，起點(diǎn)Μ和對(duì)應(yīng)點(diǎn)Μ'之間的弧長(zhǎng)為d，終點(diǎn)Ν和對(duì)應(yīng)點(diǎn)Ν'之間的弧長(zhǎng)也為 d ； 目標(biāo)點(diǎn)V能夠被斜條帶覆蓋需要同時(shí)滿足條件：I x_d |〈 λ、α Μ,〈 α ν ,〈 α N,、 δ M,〈 δ v,〈 δ N, ;x為目標(biāo)點(diǎn)V和對(duì)應(yīng)點(diǎn)V'之間的弧長(zhǎng)，V' ( α ν,，δ ν,)為對(duì)應(yīng)點(diǎn)V'的地 理坐標(biāo)，從目標(biāo)點(diǎn)V作垂直于虛擬圓的圓心過地球球心的圓弧與虛擬圓相交，形成目標(biāo)點(diǎn)V 在虛擬圓上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)V' ； (3) 從斜條帶的起點(diǎn)Μ開始，在斜條帶中心線上生成點(diǎn)序列Τ1、Τ2、Τ3、"·、Ττ、…，直 至斜條帶的終點(diǎn)Ν，并將斜條帶的起點(diǎn)Μ，點(diǎn)序列Τ1、Τ2、Τ3、"·、Τ τ、…，斜條帶的終點(diǎn)Ν的 地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化至衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系下；所述衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系的原點(diǎn)在衛(wèi)星的質(zhì)心，X軸指向 衛(wèi)星的前進(jìn)方向，ζ軸指向地心的方向，y軸與X軸、ζ軸成右手坐標(biāo)系； (4) 在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系下，計(jì)算出成像初始時(shí)刻衛(wèi)星成像系統(tǒng)的光軸指向相對(duì)于衛(wèi)星 軌道坐標(biāo)系的姿態(tài)，據(jù)此調(diào)整衛(wèi)星的預(yù)置姿態(tài)使得衛(wèi)星成像系統(tǒng)的光軸指向斜條帶的起點(diǎn) M，衛(wèi)星從起點(diǎn)Μ開始進(jìn)行推掃成像；在起點(diǎn)Μ處成像完畢后計(jì)算斜條帶中心線上的下一點(diǎn) 所需的衛(wèi)星成像系統(tǒng)光軸指向并據(jù)此調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)，使得衛(wèi)星成像系統(tǒng)的光軸順序指向 ΤΙ、Τ2、Τ3、…、Τ τ、…，直至斜條帶的終點(diǎn)Ν并在每一個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行推掃成像，從而完成相 對(duì)傾角為Α的斜條帶成像； (5) 將各小塊的斜條帶成像結(jié)果進(jìn)行拼接，得到狹長(zhǎng)目標(biāo)區(qū)域的成像結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種敏捷衛(wèi)星機(jī)動(dòng)中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行斜條帶成像的方法，其特征 在于：所述弧長(zhǎng)X的計(jì)算方法為：
當(dāng)傾角iA〈90°時(shí)，X的取值由公式直接求出；當(dāng)傾角iA>90°時(shí)，X的取值為公式計(jì)算 結(jié)果的相反數(shù)。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104217123SQ201410469552
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】黃敏, 楊芳, 葛玉君, 黃群東 申請(qǐng)人:航天東方紅衛(wèi)星有限公司