一種沿斜條帶成像的姿態(tài)調(diào)整方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航天器姿態(tài)調(diào)整技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種沿斜條帶成像的姿態(tài)調(diào)整方 法，用于在沿給定斜條帶成像過程中實(shí)現(xiàn)相機(jī)載體的姿態(tài)機(jī)動(dòng)調(diào)整。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)靜態(tài)成像由于推掃地速主要由軌道運(yùn)動(dòng)引起，其成像軌跡認(rèn)為是平行星下點(diǎn) 軌跡的，一段軌跡稱為一個(gè)條帶，可以通過條帶拼接實(shí)現(xiàn)對(duì)矩形區(qū)域的拼接成像。然而，對(duì) 于公路、海岸線、邊境線等走向不平行星下點(diǎn)軌跡的高分辨率成像任務(wù)，傳統(tǒng)靜態(tài)成像由于 條帶必須平行星下點(diǎn)軌跡，對(duì)目標(biāo)區(qū)域需多次觀測(cè)才能實(shí)現(xiàn)完整圖像的獲取，無法滿足目 標(biāo)區(qū)域圖像實(shí)時(shí)獲取的需求，成像效能較低。
[0003] 隨著小衛(wèi)星姿態(tài)控制能力的進(jìn)一步增強(qiáng)，衛(wèi)星可以通過姿態(tài)機(jī)動(dòng)打破傳統(tǒng)靜態(tài)成 像時(shí)嚴(yán)格依靠軌道運(yùn)動(dòng)推掃的約束，從而實(shí)現(xiàn)更加靈活的地面推掃成像，成像條帶不再需 要平行星下點(diǎn)軌跡，甚至可以通過姿態(tài)機(jī)動(dòng)形成垂直星下點(diǎn)軌跡的成像。與星下點(diǎn)軌跡成 一定夾角的條帶稱之為斜條帶。傳統(tǒng)靜態(tài)成像中，對(duì)于給定的某一平行星下點(diǎn)軌跡的成像 條帶，衛(wèi)星的側(cè)擺角保持恒定，成像過程中的姿態(tài)無需規(guī)劃；然而，姿態(tài)機(jī)動(dòng)中沿給定斜條 帶成像時(shí)，衛(wèi)星的三軸姿態(tài)需實(shí)時(shí)變化，需要對(duì)成像過程中的姿態(tài)進(jìn)行規(guī)劃。
[0004] 敏捷衛(wèi)星機(jī)動(dòng)中成像技術(shù)，指衛(wèi)星在三軸姿態(tài)機(jī)動(dòng)中開啟光學(xué)有效載荷并進(jìn)行成 像，在成像過程中實(shí)時(shí)調(diào)整光軸對(duì)地指向以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的成像任務(wù)。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)軌跡的推掃成像，獲得東西方向的350kmX20km的 0. 7m高分辨率圖像，單次成像即可獲取寬幅高分辨率圖像。動(dòng)中成像模式黃群東在2012年 第12期《光學(xué)精密工程》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》中有詳細(xì)描 述，目前的機(jī)動(dòng)中成像技術(shù)缺乏對(duì)給定目標(biāo)軌跡的機(jī)動(dòng)中成像方法，無法實(shí)現(xiàn)沿斜條帶成 像過程中的姿態(tài)規(guī)劃，其姿態(tài)調(diào)整方法中也沒有進(jìn)行成像偏流角補(bǔ)償，難以保證機(jī)動(dòng)中成 像的成像質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種沿斜條帶成像的姿態(tài)調(diào)整方 法，該方法先規(guī)劃攝影點(diǎn)沿給定斜條帶的滑動(dòng)速度和位置，然后調(diào)整相機(jī)載體的姿態(tài)使得 相機(jī)跟蹤攝影點(diǎn)進(jìn)行成像，從而實(shí)現(xiàn)了沿給定目標(biāo)斜條帶成像，相對(duì)于傳統(tǒng)的靜態(tài)成像方 法，該方法對(duì)于公路、海岸線、邊境線等走向不平行星下點(diǎn)軌跡的高分辨率成像任務(wù)有很好 的實(shí)用性，并且可以通過垂直星下點(diǎn)軌跡的成像來獲取寬幅高分辨率圖像。
[0006] 本發(fā)明的上述目的通過以下方案實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種沿斜條帶成像的姿態(tài)調(diào)整方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0008] (1)、由成像起始點(diǎn)M到成像結(jié)束點(diǎn)N作以地心為圓心的圓弧，并以所述圓弧作為 成像斜條帶的中心線；根據(jù)球面幾何計(jì)算斜條帶在地心地固坐標(biāo)系下的位置參數(shù)；所述位 置參數(shù)包括斜條帶中心線與赤道面的夾角i，斜條帶中心線與赤道面交點(diǎn)的經(jīng)度斜條 帶中心線與赤道面交點(diǎn)到起始點(diǎn)的球面幅角f;
[0009] (2)、在地心地固坐標(biāo)系下，根據(jù)步驟（1)計(jì)算得到的斜條帶在地心地固坐標(biāo)系下 的位置參數(shù)，以及設(shè)定的攝影點(diǎn)速度大小變化函數(shù)vD(t)，計(jì)算攝影點(diǎn)沿斜條帶中心線滑動(dòng) 至IJ位置D時(shí)的速度矢量VD和位置矢量RD;其中位置D位于成像起始點(diǎn)M到成像結(jié)束點(diǎn)N之 間；
[0010] ⑶、根據(jù)設(shè)定的相機(jī)載體位置變化函數(shù)s⑴，以及步驟⑵確定的攝影點(diǎn)位置矢 量rd，計(jì)算相機(jī)載體視軸跟蹤攝影點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)相機(jī)載體的姿態(tài)調(diào)整參數(shù)；所述調(diào)整參數(shù)包括 橫滾角，、俯仰角9和偏航角0，以及滾動(dòng)軸角速度俯仰軸角速度《 y;
[0011] (4)、根據(jù)步驟（3)計(jì)算得到的相機(jī)載體的姿態(tài)調(diào)整參數(shù)，調(diào)整相機(jī)載體的三軸姿 〇
[0012] 上述的沿斜條帶成像的姿態(tài)調(diào)整方法，在步驟（1)中，根據(jù)球面幾何計(jì)算斜條帶 在地心地固坐標(biāo)系下的位置參數(shù)，具體計(jì)算方法如下：
[0013](la)、首先計(jì)算出過成像結(jié)束點(diǎn)N的經(jīng)線與斜條帶中心線所在圓面的夾角C:
[0014]
[0015] 其中：aM、SM分別為設(shè)定的成像起始點(diǎn)M的經(jīng)度和煒度；aN、SN分別為設(shè)定的成 像結(jié)束點(diǎn)N的經(jīng)度和煒度；
[0016](lb)、根據(jù)步驟（la)計(jì)算的夾角C通過如下公式確定斜條帶中心線與赤道面的夾 角i:
[0017] cosi = sin (Jr-C) cos 5 N;
[0018](lc)、通過如下公式計(jì)算得到斜條帶中心線與赤道面交點(diǎn)的經(jīng)度n :
[0019]tan(aN-Q) =sinitan(Jr-C);
[0020] (1d)、通過如下公式計(jì)算得到斜條帶中心線與赤道面交點(diǎn)到起始點(diǎn)的球面幅角 f:
[0021]
[0022] 上述的沿斜條帶成像的姿態(tài)調(diào)整方法，在步驟（2)中，在地心地固坐標(biāo)系下，計(jì)算 攝影點(diǎn)沿斜條帶中心線滑動(dòng)時(shí)的速度矢量VD和位置矢量RD的具體步驟如下：
[0023] (2a)、首先根據(jù)設(shè)定的攝影點(diǎn)速度大小變化函數(shù)v(t)，計(jì)算攝影點(diǎn)沿斜條帶中心 線上滑動(dòng)到位置D時(shí)的球面角f; iRe
[0024] (2b)、通過如下公式計(jì)算得到攝影點(diǎn)速度矢量Vn和位置矢量RD:
[0025]
[0026]
[0027] 其中，vD為攝影點(diǎn)到達(dá)位置D時(shí)的速度大小值；為地球半徑。
[0028] 上述的沿斜條帶成像的姿態(tài)調(diào)整方法，在步驟（3)中，計(jì)算相機(jī)載體的姿態(tài)調(diào)整 參數(shù)的具體步驟如下：
[0029](3a)、計(jì)算當(dāng)相機(jī)載體姿態(tài)調(diào)整到視軸對(duì)準(zhǔn)攝影點(diǎn)時(shí)相機(jī)載體本體坐標(biāo)系XbYb Zb的目標(biāo)三軸矢量xb、yb、zb;其中，相機(jī)載體視軸對(duì)準(zhǔn)攝影點(diǎn)時(shí)，Zb軸指向攝影點(diǎn)位置D，Yb 軸垂直于Zb軸與攝影點(diǎn)速度矢量VD所在的平面，XZb軸和Yb軸根據(jù)右手法則確定；
[0030] (3b)、根據(jù)步驟（1)計(jì)算得到的目標(biāo)三軸矢量xb、yb、zb，計(jì)算相機(jī)載體姿態(tài)調(diào)整的 橫滾角俯仰角0和偏航角0;其中，所述姿態(tài)調(diào)整實(shí)現(xiàn)過程為：軌道坐標(biāo)系按照123轉(zhuǎn) 序轉(zhuǎn)到相機(jī)載體視軸對(duì)準(zhǔn)攝影點(diǎn)時(shí)相機(jī)載體本體坐標(biāo)系XbYbZb;
[0031](3c)、根據(jù)相機(jī)載體姿態(tài)運(yùn)動(dòng)造成的地面推掃速度，計(jì)算滾動(dòng)軸角速度cox和俯仰 軸角速度《y。
[0032] 上述的沿斜條帶成像的姿態(tài)調(diào)整方法，在步驟（3a)中，相機(jī)載體本體坐標(biāo)系XbYb Zb的目標(biāo)三軸矢量xb、yb、zb的具體計(jì)算公式如下：
[0033]
[0034]
[0035]xb=ybXzb；
[0036] 其中，gj)為由相機(jī)載體位置S指向攝影點(diǎn)所在位置D的方向矢量。
[0037] 上述的沿斜條帶成像的姿態(tài)調(diào)整方法，在步驟（3b)中，橫滾角9、俯仰角0和偏 航角0的具體計(jì)算方法如下：
[0038]首先將軸矢量zb在軌道坐標(biāo)系中表示為[Zb]OTblt= [zbxzbyzJT，則橫滾角供和俯 仰角9的計(jì)算公式如下
[0039] 作橫滾俯仰機(jī)動(dòng)后的相機(jī)載體本體坐標(biāo)系的Xb軸與目標(biāo)軸矢量xb的夾角為偏航 角0，即偏航角0的計(jì)算公式如下：
[0040] (
[0041] 上述的沿斜條帶成像的姿態(tài)調(diào)整方法，在步驟（3c)中，滾動(dòng)軸角速度C0X和俯仰 軸角速度的具體計(jì)算過程如下：
[0042] (3ca)、在軌道坐標(biāo)系下，計(jì)算相機(jī)載體姿態(tài)運(yùn)動(dòng)造成的地面推掃速度Vn:
[0043]Vn=VD+coeXRd-〇sXRd；
[0044] 其中，為設(shè)定的地球自轉(zhuǎn)速度矢量；《 設(shè)定的相機(jī)載體軌道運(yùn)行角速度矢 量；
[0045] (3cb)、通過如下公式計(jì)算得到滾動(dòng)軸角速度俯仰軸角速度《 y:
[0046]
[0047] 其中，L為相機(jī)載體所在位置到攝影點(diǎn)位置的距離。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu) 點(diǎn)在于：
[0048] (1)、本發(fā)明方法的姿態(tài)調(diào)整方法實(shí)現(xiàn)了沿給定斜條帶的成像：傳統(tǒng)靜態(tài)成像的成 像條帶只能平行星下點(diǎn)軌跡，本發(fā)明方法的成像方式可以實(shí)現(xiàn)與星下點(diǎn)軌跡成一定夾角的 斜條帶，對(duì)于公路、海岸線、邊境線等走向不平行星下點(diǎn)軌跡的高分辨率成像任務(wù)有很好的 實(shí)用性，并且