[发明专利]一种用于敏捷卫星动态成像的姿态调整方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于敏捷卫星动态成像的姿态调整方法。

背景技术

敏捷型卫星的动态成像是指卫星在三轴姿态机动中开启光学有效载荷并进行成像，在成像过程中实时调整光轴对地指向以实现复杂的成像任务。由于三轴姿态机动和轨道运动的联合作用，卫星成像执行效能得到了很大的提高。因此，动态成像技术必将成为未来航天军用卫星发展的重要方向。

现行卫星的条带成像一般采用对地定向的推扫成像模式，推扫成像方向与轨道运行方向一致，形成的条带基本平行于轨道方向，成像幅宽受光学有效载荷幅宽的限制；成像过程中实际上利用了轨道运动，除了偏流角控制，卫星的俯仰和滚动角速度标称值为零。然而，动态成像技术除了偏流角控制外，还需要控制卫星的俯仰和滚动角速度，实时调整卫星的俯仰和滚动角以实现特定的成像任务。

对于对地定向的推扫成像方式，为了满足成像需求，在《星载TDI-CCD推扫相机的偏流角计算与补偿》(上海航天2006年第6期)一文中袁孝康深入推导了方位偏移和俯仰偏移成像时相机的偏流角计算公式，并提出了采用卫星偏航控制补偿相机偏流角的方法，动态地改变TDICCD线阵的配置方向，使其始终与目标像移方向一致；在《空间相机偏流角的间歇式实时调整》(光学精密工程2009年第17卷第8期)一文中于涛等提出了在星上安装偏流角控制系统：偏流角控制器、功率放大电路、偏流角执行元件、测量元件和调整机构等实现偏流角调整。采用上述方法对卫星姿态进行补偿时，存在以下问题：

(1)文中所提及的成像模式中，星载遥感器的成像幅宽较小，通常是一个较小的圆形或矩形区域，无法对大范围区域目标进行有效的覆盖，成像任务单一；

(2)文中的姿态补偿技术是基于对地定向的推扫成像方式，姿态补偿技术除了偏流角控制，卫星的俯仰和滚动角速度标称值为零，无法实现在三轴姿态机动过程中进行成像。

(3)文中的对地定向的推扫成像方式，由于受光学遥感器成像幅宽的限制，对于大范围的区域成像采用的是多条带的拼接成像方式，成像幅宽有限。对于单次推扫成像幅宽为20km的成像幅宽，即使进行了五次条带的拼接成像，对东西经度方向的覆盖幅宽也只有100km；而宽幅宽动态成像技术，对东西经度方向的覆盖幅宽能够达到350km以上。

(4)文中对地定向推扫成像方式，由于并不具备动态成像能力，成像过程是基于姿态调整稳定后进行推扫成像，姿态机动时间加上稳定时间耗时较长，造成卫星有效成像时间减少，同时地面成像目标的可见时间窗口缩短。

基于以上分析，对地定向的推扫成像方式的姿态调整方法不能适应动态成像的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于敏捷卫星动态成像的姿态调整方法，能够在三轴姿态机动过程中进行成像，可以实现东西经度方向的宽幅宽成像。

本发明的技术方案是：

一种用于敏捷卫星动态成像的姿态调整方法，能够实现姿态调整过程中的宽幅宽成像；首先，调整卫星的滚动角以实现对东西方向的推扫成像；然后，调整卫星的俯仰角和俯仰角速度以补偿轨道运动在地表的牵连速度；最后，调整卫星的偏航角以实现对偏流角的控制。

卫星的滚动角变化规律为：其中为卫星的滚动角速度，为成像起始时刻的滚动角，t表示成像过程中的任意时刻，为t时刻的滚动角；

卫星的俯仰角和俯仰角速度的变化规律如下：

θ_t＝θ_b-ω_θtt；

其中，i为卫星轨道倾角，ω_o为卫星运行角速度，ω_e为地球自转角速度，R_e为地球半径，H为卫星离地面的高度，δ_D为成像目标点的地理纬度，b为以地球半径度量时地心角OO_eT对应的弧长，O为星下点，O_e为地心，T为对应时刻滚动角的侧摆点；θ_b为成像起始时刻的滚动角，θ_t为t时刻的俯仰角，ω_θt为t时刻的俯仰角速度；

卫星的偏航角的变化规律为：