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1、(10)申请公布号 CN 103886208 A (43)申请公布日 2014.06.25 CN 103886208 A (21)申请号 201410119891.2 (22)申请日 2014.03.27 G06F 19/00(2011.01) (71)申请人 航天东方红卫星有限公司 地址 100094 北京市海淀区北京市 5616 信 箱 (72)发明人 韩杏子 赵鸿志 孙燕萍 窦强 王付刚 叶钊 董小静 (74)专利代理机构 中国航天科技专利中心 11009 代理人 安丽 (54) 发明名称 一种高分辨率光学卫星机动成像偏流角修正 方法 (57) 摘要 本发明一种高分辨率光学卫星机动成像偏。
2、流 角修正方法， 针对卫星姿态机动方案， 建立机动成 像模式下偏流角修正模型， 推导出基于卫星位置 及地面点位置坐标计算偏流角的方法， 并提出在 焦面位置安装偏流角修正装置的方案。使卫星具 备对偏离飞行方向目标条带的成像能力， 大大提 高卫星的观察范围和观察效率， 同时可以使卫星 具备沿星下点垂直方向的动态推扫成像的能力， 通过多条带拼接的方式， 实现对星下点区域的大 幅宽成像， 从而减小对 TDICCD 相机幅宽的要求。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 。
3、(10)申请公布号 CN 103886208 A CN 103886208 A 1/1 页 2 1. 一种高分辨率光学卫星机动成像偏流角修正方法， 其特征在于步骤如下 ： 1） 根据实际卫星参数， 建立卫星模型以及卫星上 TDICCD 相机成像模型 ； 2） 根据待观测目标位置， 确定卫星姿态机动方案， 生成卫星实时姿态机动数据， 并根据 步骤 1） 得到的卫星模型以及 TDICCD 相机成像模型， 获得姿态机动过程中卫星实时位置坐 标以及成像地面点坐标同时得到卫星实时位置坐标和 地面点坐标所对应的时间 t ； 3） 将步骤 2） 得到的卫星实时位置坐标对时间 t 求导， 计算获得卫星速 度矢。
4、量 其中 4） 将步骤 2） 得到的地面点坐标对时间 t 求导， 计算获得摄影点地速 矢量 其中 5） 计算卫星速度矢量与地速矢量在 TDICCD 相机焦平面上投影矢量之间的夹角 (t)， 即偏流角 (t) ； 51） 计算获得卫星速度矢量在焦平面的投影矢量 52） 计算获得地速矢量在焦平面的投影矢量 其中为之间的夹角 ； 53） 计算获得偏流角 6） 在卫星姿态机动方案下， 建立偏流角 (t) 随时间变化模型， 根据该模型采用焦面 偏流角补偿装置将偏流角 (t) 实时修正为 0 度。 权 利 要 求 书 CN 103886208 A 2 1/6 页 3 一种高分辨率光学卫星机动成像偏流角修正。
5、方法 技术领域 0001 本发明属于光学遥感卫星成像领域， 涉及一种搭载 TDICCD 相机的高分辨率光学 卫星机动成像偏流角修正方法。 背景技术 0002 TDICCD 基于对同一目标进行多次曝光实现延时积分， 大大增强了光能收集， 提高 了信噪比， 因此被广泛应用于高分辨率光学遥感卫星上。但同时， 由于 TDICCD 这种特殊的 工作方式， 要求同一列上的每一个像元都对同一目标曝光积分， 其正常工作的基本前提是 光生电荷包的转移与焦面上图像的运动保持同步， 任何的匹配误差都将导致图像模糊。 0003 目前多数卫星均采用预先通过姿态机动， 使相机光轴稳定指向目标区域后， 通过 卫星运动实现 。
6、TDICCD 相机对目标的推扫成像 （见图 1） ， 这种成像模式下， 卫星姿态保持不 变， TDICCD 相机物像关系稳定， 图像模糊的主要来源是地球自转引起的卫星飞行方向与 TDICCD 相机实际成像方向不一致， 二者之间的夹角即偏流角， 偏流角会导致相机在积分成 像过程中产生图像的横向像移， 影响相机成像质量。因此， 对偏流角进行调节是 TDICCD 相 机像移补偿系统中的一项重要任务。 0004 近年来航天光学遥感技术发展迅速， 卫星快速姿态机动能力大大提升， 出现了具 有灵活姿态机动能力且具有较高地面分辨率的高分辨率敏捷卫星， 若采用图 1 所示的传统 观测模式对目标进行观测， 对于。
7、与飞行方向有一定夹角的目标条带区域， 如果卫星 TDICCD 相机幅宽有限， 一次推扫覆盖不到目标全貌， 则需要通过任务规划， 通过不同轨的多条带拼 接， 方可实现对目标区域的全面观察。 0005 针对敏捷卫星强大姿态机动能力的特点， 人们开始研究在姿态实时调节实现对 与飞行方向有一定夹角的目标条带实时指向过程中， TDICCD 相机进行成像的新型工作模 式机动成像(见附图2)。 此模式下， 由于卫星姿态随时间不断变化， 偏流角的来源不只 是地球自转影响， 还受到卫星姿态机动方案的影响， 研究卫星机动成像模式下偏流角的计 算方法及修正方法是实现机动成像的必要前提。 0006 国内现有在轨卫星，。
8、 尚未有机动成像的先例， 对姿态变化过程中偏流角的计算方 法有一定的研究， 但并未结合卫星机动成像模式进行全链路研究。 目前国外的资料中， 法国 的Pleiades卫星、 美国的IKONOS卫星均为具有快速机动能力的敏捷卫星， 可灵活的实现条 带拼接成像、 立体成像以及区域点目标成像等， 根据Pleiades卫星和IKONOS-2卫星给出的 成像模式， 推断 Pleiades 和 IKONOS-2 应该也具有机动成像能力， 但是具体的实现方法， 并 未有资料可查阅。 发明内容 0007 本发明解决的技术问题是 ： 克服现有技术的不足， 提供一种高分辨率光学卫星机 动成像偏流角修正方法， 对卫星。
9、机动成像模式下， 针对不同姿态机动方案， 获得机动成像过 程中偏流角计算模型， 针对偏流角模型提出在焦面安装像移补偿装置进行偏流角实时修正 说 明 书 CN 103886208 A 3 2/6 页 4 补偿。 0008 本发明的技术方案是 ： 一种高分辨率光学卫星机动成像偏流角修正方法， 步骤如 下 ： 0009 1） 根据实际卫星参数， 建立卫星模型以及卫星上 TDICCD 相机成像模型 ； 0010 2） 根据待观测目标位置， 确定卫星姿态机动方案， 生成卫星实时姿态机动数据， 并 根据步骤 1） 得到的卫星模型以及 TDICCD 相机成像模型， 获得姿态机动过程中卫星实时位 置坐标以及成。
10、像地面点坐标同时得到卫星实时位置坐 标和地面点坐标所对应的时间 t ； 0011 3） 将步骤 2） 得到的卫星实时位置坐标对时间 t 求导， 计算获得卫 星速度矢量 其中 0012 4） 将步骤 2） 得到的地面点坐标对时间 t 求导， 计算获得摄影点 地速矢量 其中 0013 5） 计算卫星速度矢量与地速矢量在 TDICCD 相机焦平面上投影矢量之间的 夹角 (t)， 即偏流角 (t) ； 0014 51） 计算获得卫星速度矢量在焦平面的投影矢量 0015 52） 计算获得地速矢量在焦平面的投影矢量 其中为之间的夹角 ； 0016 53） 计算获得偏流角 0017 6） 在卫星姿态机动方案。
11、下， 建立偏流角 (t) 随时间变化模型， 根据该模型采用 焦面偏流角补偿装置将偏流角 (t) 实时修正为 0 度。 说 明 书 CN 103886208 A 4 3/6 页 5 0018 本发明与现有技术相比的优点在于 ： 0019 本发明对搭载 TDICCD 相机的高分辨率光学卫星机动成像模式进行建模， 对卫星 这种新型工作模式的实施过程进行模拟。针对卫星姿态机动方案， 建立机动成像模式下偏 流角修正模型， 推导出基于卫星位置及地面点位置坐标计算偏流角的方法， 并提出在焦面 位置安装偏流角修正装置的方案。使卫星具备对偏离飞行方向目标条带的成像能力， 大大 提高卫星的观察范围和观察效率， 同。
12、时可以使卫星具备沿星下点垂直方向的动态推扫成像 的能力， 通过多条带拼接的方式， 实现对星下点区域的大幅宽成像， 从而减小对 TDICCD 相 机幅宽的要求。 附图说明 0020 图 1 为一般卫星成像模式示意图 ； 0021 图 2 为机动成像模式示意图 ； 0022 图 3 为焦面旋转补偿装置构图 ； 0023 图 4 为焦面二维平移补偿装置构图 ； 0024 图 5 为本发明方法流程图。 具体实施方式 0025 如图 5 所示， 本发明主要包括以下步骤 ： 0026 （1） 利用 stk 仿真软件， 根据实际卫星参数， 建立卫星场景及卫星模型， 并利用 stk 软件中的传感器工具， 在卫。
13、星模型下建立 TDICCD 相机模型， 获得机动成像基本模型 ； 0027 （2） 利用 matlab 软件， 根据目标轨迹追踪要求， 确定姿态机动方案 ( 转序、 姿态角 速率变化等 )， 对卫星姿态进行模拟计算， 得到每一时刻卫星的实时姿态数据， 同时对卫星 坐标系、 姿态角转序、 加载时刻等进行规定， 按照 stk 要求的姿态数据格式生成卫星姿态数 据文件 (.a 文件 )， 加载至步骤 (1) 所建立的基本模型中， 对目标轨迹的动态成像过程进行 模拟。 0028 Stk 要求的姿态数据文件格式具体如下 ： 0029 数据行内容 1Stk Version 2BEGIN Attitude 。
14、3NumberOfAttitudePoints 4BlockingFactor 5InterpolationOrder 6CentralBody 说 明 书 CN 103886208 A 5 4/6 页 6 7ScenarioEpoch 8CoordinateAxes 9Sequence 10AttitudeTimeEulerAngles 11Attitude data 12END Attitude 0030 0031 （3） 输出步骤 (2) 中动态成像期间卫星实时位置坐标以及相机视 轴指向与地面交点坐标同时输出实时位置坐标和地面点坐标对应的时 间 t ； 0032 其中， 卫星位置坐标及地。
15、面点坐标均采用地心固定坐标系下坐标， 坐标系原点 O 为地心且与地球自旋一同运动的固联坐标系， 其 x 轴指向赤道面与 Greenwich 子午面的相 交线， z 轴指向赤道北极， y 轴与 z、 x 两轴构成右手正交系。 0033 (4) 卫星位置坐标对时间求导， 获得卫星速度矢量 0034 0035 0036 0037 (5) 地面点坐标对时间求导， 获得摄影点地速矢量 0038 0039 0040 0041 (6)计算卫星速度矢量与地速矢量在TDICCD相机焦平面上投影矢量之间的 夹角 (t)， 即为偏流角 (t) ； 0042 a. 卫星推扫速度矢量在 TDICCD 相机焦平面的投影矢。
16、量计算方法 ： 0043 多数 TDICCD 相机与卫星本体固连安装， TDICCD 相机光轴与 z 轴一致， 焦平面垂直 于光轴， 故卫星推扫速度矢量在焦平面的投影矢量即 ： 说 明 书 CN 103886208 A 6 5/6 页 7 0044 0045 b. 地速矢量在焦平面的投影矢量计算方法 0046 根据矢量原理， 已知一个平面的单位法向量求已知矢量在该平面的投影矢 量可按下述方法进行计算 ： 0047 获得矢量到平面的距离 b ； 0048 获得模长为 b 的垂直于平面的向量 ； 0049 即为在平面上的投影矢量。 0050 据上， 地速矢量在焦平面的投影矢量计算方法如下 ： 00。
17、51 焦平面单位法向量可由下式计算 ： 0052 0053 则在焦平面投影为 ： 0054 0055 其中 ： 0056 为之间的夹角。 0057 c. 偏流角计算方法 0058 已知矢量和求二者之间夹角可利用下式进行计算 ： 0059 0060 0061 (7) 根据步骤 (6) 计算所得卫星姿态实时变化情况下， 偏流角的实时数值， 在焦面 增加偏流角补偿装置， 可采用如图 3 和图 4 所示两种方案。 0062 对于图 3 所示方案， 对旋转电机的指标要求按下式计算 ： 0063 动态范围 ： (t)min (t)max 0064 最大角速率 ： 0065 对于图 4 所示方案， 对位移调。
18、节组件的指标要求按下式计算 ： 0066 线阵方向位移调节组件 ： 0067 动态范围 ： L-Lcosd(t) 0068 调节频率 ： (L-Lcosd(t)/dt 说 明 书 CN 103886208 A 7 6/6 页 8 0069 级数方向位移调节组件 ： 0070 动态范围 ： L-Lsind(t) 0071 调节频率 ： (L-Lsind(t)/dt 0072 其中， L 为 TDICCD 半宽值。 0073 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。 说 明 书 CN 103886208 A 8 1/3 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103886208 A 9 2/3 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103886208 A 10 3/3 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 103886208 A 11 。