本發明為采用tdiccd光學載荷的寬幅擺掃成像衛星提供一種通過衛星本體機動實現的偏流角補方法，屬于航天器姿態控制領域。

背景技術：

1、隨著社會經濟的進步和現代作戰策略的演變，人們對于提升國土甚至全球范圍內高分辨率影像的覆蓋能力和戰場快速感知能力的需求日益增強。特別迫切的是改進光學遙感衛星的成像覆蓋寬度。傳統的光學遙感衛星通常采用推掃方式進行成像，而在推掃速度固定的情況下，成像覆蓋寬度和分辨率之間存在著相互制約的關系。為了解決這兩者之間的矛盾，有學者提出了一類使相機沿垂直軌道方向擺動掃描的成像方式，大大提高了對地成像的幅寬。

2、擺掃寬幅成像衛星一般使用時間延遲積分(tdiccd)相機作為成像光學載荷，根據tdiccd的成像原理，理論上要求焦面上各像點的像移速度方向和大小必須與tdiccd的積分轉方向和積分時間相匹配，而由于擺掃成像過程中的姿態機動、軌道運動、地球自轉等因素的影響，地面目標在像面上所成的像會產生像移，極大的影響成像質量，其中像移速度方向的誤差稱為偏流角。

3、對于一般的推掃、凝視等成像方式，偏流角的補償方式主要有兩種：第一種是偏流機構匹配，即在星上安裝焦面偏流機構進行偏流角匹配，這種方式實時性較高，但是焦平面上安裝的機械結構會降低偏流角匹配的可靠性，同時會增加成像衛星的總重量，提高平臺的控制要求；第二種是姿態偏航匹配方式，通過衛星平臺繞偏航軸旋轉一定的角度，使tdiccd的積分方向與像移速度方向保持一致，從而實現偏流角的匹配，該方式可靠性更高，且隨著敏捷成像衛星的姿態控制精度和靈活度的不斷提高，姿態偏航進行偏流角匹配的方式也是逐漸被更多的敏捷衛星所采用。

4、但是由于垂軌擺掃成像方式tdiccd安裝方向為積分方向垂直于軌道方向，在光學載荷擺掃成像過程中，擺掃機動引起的像移速度是沿tdiccd的積分方向的，衛星沿軌道運動所引起的地面像移速度是垂直tdiccd的積分方向的，衛星沿軌道運動所引起的地面像移速度是造成偏流角的主要因素，僅通過上述姿態偏航方式無法解決擺掃成像情況下的偏流角補償問題。

技術實現思路

1、(一)發明目的

2、本發明的目的是為了結解決傳統的姿態偏航方式無法實現對光學載荷擺掃成像方法偏流角的補償的問題，提出一種通過中心平臺的俯仰姿態機動實現光學載荷擺掃成像衛星的偏流角補償的方法。該方法通過對載荷擺掃成像中偏流角的主要成因分析，利用衛星平臺俯仰方向的角速度，對衛星沿軌道運動引起的地面像移速度進行抵消，從而實現對擺掃成像衛星偏流角的補償，提高寬幅擺掃成像衛星的成像質量。

3、(二)技術方案

4、為了實現上述目的，本發明首先給出載荷擺掃成像的角速度曲線，接著通過焦面上的像移速度模型計算得到擺掃成像方式下的偏流角隨時間變化的曲線，根據對偏流角曲線特點的分析結果，結合給出的光學載荷擺掃成像的角速度曲線，設計一種衛星平臺俯仰機動角速度曲線，當光學載荷按照擺掃成像角速度曲線對地掃描成像時，衛星平臺按照所設計的俯仰機動角速度曲線機動即可實現對偏流角的補償。

5、本發明所涉及一種擺掃成像衛星俯仰機動的偏流角補償方法，步驟如下：

6、步驟一：設計擺掃機動的軌跡

7、載荷擺掃成像衛星運行在固定軌道上，通過控制載荷沿軌道速度方向擺動實現安裝在其上的tdiccd相機對地掃描成像，其勻速階段對地掃描成像時的示意圖如圖1所示，在正向掃描階段對地成像，在回掃階段不進行成像，一個周期內正擺和回擺轉過的角度相同。其對應的掃描角速度曲線如圖2所示，該角速度曲線分為正向擺動和反向擺動兩部分，其中正向擺動包括正向加速階段、勻速掃描階段(成像階段)、正向減速階段，反向擺動階段為一段連續的正弦曲線。該角速度軌跡的曲線設計過程如下：

8、正向加速階段為四分之一周期的正弦曲線，對應的角速度為：

9、

10、其中，t0為載荷擺掃成像任務的起始時間，t為當前時間，f1為加速階段的正弦角頻率，αmax為載荷擺掃軌跡中的最大角加速度。

11、勻速掃描階段的角速度為常值，對應的角速度為：

12、ωr2＝ωuni?(2)

13、其中，ωuni為勻速掃描階段的角速度，勻速掃描階段的起始時間為

14、正向減速階段為與正向加速階段對稱的四分之一周期正弦曲線，對應的角速度為：

15、

16、其中，t2＝t1+tuni為正向加速階段的起始時間，tuni為勻速掃描階段的持續時間，根據具體成像任務確定，正向減速階段和正向加速階段的幅值和頻率相同。

17、反向回掃階段為一段二分之一周期的正弦函數，且滿足正向擺動階段轉過的總角度與反向回掃階段轉過的總角度相等，其對應的角速度為：

18、

19、其中，f2為反向擺掃階段的角頻率，根據正向擺動和反向擺動轉過角度相同來確定，為反向回掃階段的開始時間，反向回掃階段的結束時間為

20、則一整個周期的載荷掃擺動角速度可以表示為：

21、

22、式(5)為一個周期內載荷擺掃的角速度曲線，該軌跡滿足載荷在正向擺掃階段和反向回掃階段轉過的角度相同，載荷在每個周期的勻速階段進行對地掃描成像，且滿足相鄰周期內的成像條帶能夠完全搭接，完成對地寬幅成像任務。

23、步驟二：根據焦面上的像移速度模型求解偏流角

24、載荷按照式(5)所描述的角速度曲線繞軌道速度方向擺掃時，tdiccd沿著垂直軌道速度方向對地積分成像，此時軌道速度引起的像移速度會垂直于tdiccd的積分方向，該像移速度會引起偏流角。偏流角產生的原理如圖3所示，其中載荷擺掃角速度引起的像移速度沿著tdiccd的積分方向，衛星的軌道角速度引起的像移速度方向為垂直tdiccd的積分方向，該方向的像移會造成相機成像質量的下降，其中的夾角β即為偏流角。

25、為了精確的求解偏流角，采用焦平面上的像移速度模型進行偏流角的計算，首先取焦平面上的像點p＝(p1,p2)計算得到對應的地面目標位置矢量

26、

27、其中，為地心到像點對應的地面目標的矢量在地心慣性坐標系下的分量列陣，為地心軌道坐標系到地心慣性坐標系的坐標變換矩陣，為衛星載荷坐標系到地心軌道坐標系的坐標變換矩陣，為相機相對衛星載荷坐標系的安裝矩陣，為相機到對應地面目標點的矢量在相機坐標系下的分量列陣，為衛星平臺質心到相機的矢量在衛星載荷坐標系下的分量列陣，為地心到衛星質心的矢量在地心軌道坐標系下的分量列陣。

28、接著將得到的地面目標位置矢量帶入像移速度場模型，并將對應的姿態與軌道參數帶入，即可求得焦面上的像移速度

29、

30、其中，f為相機組合焦距，h為軌道高度，即中心平臺質心與地面目標點連線投影到光軸上的距離，為從衛星質心指向地面目標點的矢量在衛星載荷坐標系下的分量列陣，為從衛星質心指向地面目標點的矢量在地心軌道坐標系下的分量列陣。

31、取在焦面內的兩個分量，即為目標像點q的前向像移速度vp1和橫向像移速度vp2，則焦面目標像點處的偏流角β的計算公式為：

32、β＝arctan(vp2/vp1)?(8)

33、衡量偏流角對成像質量影響的指標為偏流角對應的相機的調制傳遞函數，其表達式如下：

34、

35、其中，n為tdiccd的積分級數，mtfd為偏流角對應的相機調制傳遞函數，用于表征偏流角對成像質量的影響，對于該指標，工程上只要滿足該值大于一定值即可滿足成像質量需求，一般為0.98，因此偏流角的補償不需要完全補償為零。

36、在完整的仿真系統中，控制衛星載荷按照步驟一給出的載荷角速度曲線進行機動，并根據像移速度模型計算得到一個成像周期內的偏流角。

37、步驟三：俯仰機動補償偏流角軌跡的設計

38、根據載荷擺掃成像衛星偏流角產生的原理，可以看出引起偏流角的主要原因為軌道角速度引起的垂直焦面積分方向的像移速度，為了抵消該像移速度的影響，希望產生一個相反的像移速度。因此可以通過控制衛星平臺在俯仰軸方向的角速度，產生一個與軌道角度引起的像移速度相反的像移速度，從而實現對偏流角的補償，補償原理的示意圖如圖4所示。

39、如果俯仰軸一直以同向的角速度進行機動，會導致光學載荷的視線軸偏離星下點的角度越來越大，最終成像條帶將無法拼接，因此衛星平臺俯仰機動補償偏流角的軌跡需要設計為在一個周期內繞俯仰軸轉過的總角度為0。根據無偏流補償時的偏流角情況分析，在勻速擺掃成像階段，偏流角近似對稱，在視線軸指向對地時偏流角最大。因此基于載荷擺掃圖像設計偏流角補償角速度曲線，如圖5所示，其中加、減速段和反向回掃階段均為正弦曲線，勻速對地掃描階段對應的補償曲線為二分之一周期的幅值為ωa的正弦曲線加上一個常值ωf，正反兩個階段轉過的角度大小相同，關鍵的參數包括常值ωf的大小和擺掃階段對應的正弦函數的幅值ωa。該軌跡的每個階段的時間與步驟一中載荷擺掃角速度曲線一致，具體表達式如下：

40、正向加速階段角速度：

41、

42、其中，ωf為加速階段角速度軌跡的幅值。

43、載荷勻速掃描階段對應的偏流角補償角速度：

44、ωby2＝ωf+ωasin(f3(t-t1))?(11)

45、其中，ωa為對應的正弦函數的幅值，為對應的角頻率。

46、正向減速階段角速度：

47、

48、其中，t2為正向減速階段的開始時間，正向減速階段和正向加速階段的角速度均為正弦形式的函數，且幅值和頻率相同。

49、反向階段角速度：

50、ωby4＝-ωd?sin(f2(t-t3))?(13)

51、其中，ωd為反向階段正弦曲線的幅值，f2為反向階段的角頻率，t3為反向階段的開始時間。ωd可以根據正向和反向階段轉過的總角度之和為零這個條件求解得到。

52、則設計得到的俯仰機動補償偏流角軌跡，即衛星平臺的俯仰角速度曲線在一個擺掃周期內可以表示為：

53、

54、從上述設計的俯仰角速度偏流角補償軌跡可以看出，決定該軌跡的變量僅有ωf和ωa兩項，僅需確定這兩個數值即可求出偏流角補償軌跡。

55、步驟四：偏流角補償軌跡參數初值確定

56、設軌道高度為h，地球半徑為re，軌道角速度為ωo，根據俯仰軸機動補償偏流角的原理，軌道角速度引起的地面像移速度為：

57、vωo＝ωore?(15)

58、衛星平臺俯仰軸角速度引起的地面像移速度為：

59、vωby＝ωbyh?(16)

60、其中，ωby為衛星沿俯仰軸方向的角速度，對應步驟三所設計的俯仰機動補償偏流角的角速度。

61、由于僅在ωby2階段，相機進行對地掃描成像，因此進需要考慮該階段ωf和ωa對角速度的影響，ωf對應的初值根據軌道角速度引起的地面像移速度和衛星平臺俯仰軸角速度引起的地面像移速度的關系求解,ωf初值可以表示為：

62、

63、ωa的存在是為了補償載荷在不同擺角下地面像移速度存在的微小差別，其幅值大小可根據偏流角最大值和最小值之差按照比例求解，ωa的初值可以表示為：

64、ωa0＝α(βmax-βmin)?(18)

65、其中，α為設置的系數。

66、步驟五：迭代法調整偏流角補償軌跡參數

67、將步驟四的得到的偏流角補償軌跡初始參數帶入到步驟三中式(14)，得到衛星平臺的俯仰角速度曲線，并帶入完整的仿真系統，可以求解初步補償后的剩余偏流角β'，偏流角的最大值和最小值之差記為δβ，以一個周期內剩余偏流角的最大值β’max為基準，適當調整ωf的大小(根據剩余偏流角乘一個系數實現)，β’max大于零則增大ωf的絕對值，否則減小；根據式(18)調整ωa的大小。將新得到的偏流角補償軌跡參數帶入步驟三中式(14)，得到衛星平臺的俯仰角速度曲線，帶入完整的仿真系統并根據步驟二的像移速度模型求解剩余偏流角及其對應的mtfd參數，mtfd不滿足參數需要則重復上述方法進行偏流角補償軌跡參數調整，直到偏流角對應的調制傳遞函數滿足要求。一般經過兩到三次迭代后，剩余偏流角的大小即可滿足需求。

68、綜上，擺掃成像衛星俯仰機動的偏流角補償方法通過設計載荷擺掃軌跡和建立像移速度模型，得到偏流角的產生原理和待補償的偏流角大小，并由此設計了一種衛星俯仰機動的偏流角補償軌跡，通過迭代的方法調整補償軌跡的參數，最終實現了對偏流角的補償，提高成像質量。

69、(三)優點

70、本發明提供的一種擺掃成像衛星俯仰機動的偏流角補償方法的優點在于：

71、①本發明采用了衛星姿態機動的方式進行偏流角補償，相較于使用偏流角補償機構的偏流角補償方法具有更高的可靠性，且能夠減輕衛星質量，適用于敏捷成像衛星。

72、②本發明針對擺掃寬幅成像方法設計了衛星俯仰機動的偏流角補償方法，而傳統的衛星姿態偏航偏流角補償方法無法實現對擺掃成像的偏流角補償。