本發(fā)明屬于航天器制造與航天器工程應(yīng)用領(lǐng)域，是一種關(guān)于提高地球遙感衛(wèi)星獲取對地觀測圖像效果的方法。

背景技術(shù)：

地球遙感衛(wèi)星主要任務(wù)之一就是獲取對地觀測圖像，它將光學(xué)成像儀器安裝到衛(wèi)星星體，通過衛(wèi)星繞地球運(yùn)動，控制光學(xué)成像儀器的開關(guān)機(jī)，獲取地球表面不同區(qū)域的光學(xué)圖像。評估獲取衛(wèi)星圖像效果的兩個(gè)重要參數(shù)分別是圖像的分辨率和圖像的幅寬，其中圖像分辨率是光學(xué)成像儀器一個(gè)像元代表的地面面積，當(dāng)一顆衛(wèi)星的分辨率為1m時(shí)，它表明這顆衛(wèi)星成像儀器的一個(gè)像元代表地面1m×1m的面積，圖像分辨率越高，圖像就越清晰，獲得高清晰度的圖像是當(dāng)代地球遙感衛(wèi)星追求的目標(biāo)；衛(wèi)星圖像幅寬是表示一顆衛(wèi)星經(jīng)過一個(gè)目標(biāo)區(qū)域時(shí)獲取圖像的寬度，一幅圖像的幅寬越大，它包含的內(nèi)容就越多，一次衛(wèi)星觀測能獲得大幅寬的圖像是當(dāng)代地球遙感衛(wèi)星追求的目標(biāo)。

在現(xiàn)有技術(shù)條件下，遙感衛(wèi)星圖像的高分辨率和大幅寬之間是一對矛盾，如果要想獲得高分辨率圖像，其幅寬就小；要想獲得大幅寬圖像，分辨率就得降低。在實(shí)際衛(wèi)星載荷設(shè)計(jì)中，分辨率和幅寬之間通常只能二選一。例如我國在軌運(yùn)行的高分一號衛(wèi)星，當(dāng)圖像的分辨率為2m時(shí)，幅寬是69km；分辨率為16m，幅寬增加830km。因此，高分辨率衛(wèi)星為了獲得大面積區(qū)域目標(biāo)的圖像，只能通過多次觀測，將每次觀測的圖像拼接起來獲得，這樣做除了要求衛(wèi)星有合適的回歸軌道設(shè)計(jì)、有很強(qiáng)的姿態(tài)側(cè)擺功能和復(fù)雜的操作控制外，還需要等待較長的時(shí)間。

為了獲得高分辨率和大幅寬圖像，理論上可以通過增加衛(wèi)星上的ccd相機(jī)數(shù)量來解決分辨率和幅寬的矛盾，例如在給定分辨率的前提下，增加一個(gè)ccd相機(jī)，幅寬就能增加一倍，但衛(wèi)星平臺的能力是有限的，不能無限制地增加ccd相機(jī)，通常只能做到2個(gè)相機(jī)同時(shí)工作，獲取幅寬增加一倍的圖像。

增加同時(shí)工作的衛(wèi)星數(shù)量，也可以獲得高分辨率和大幅寬圖像。但過去衛(wèi)星制造技術(shù)復(fù)雜、體積大、成本高，這種方法在工程上無法實(shí)現(xiàn)。隨著衛(wèi)星生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，過去需要由大衛(wèi)星完成的功能可以在小衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)，與大衛(wèi)星相比較，小衛(wèi)星具有重量輕、尺寸小、研制周期短、性能高和成本低的特點(diǎn)，目前由單顆衛(wèi)星執(zhí)行的多種功能由于可以分配給幾顆甚至更多的小衛(wèi)星執(zhí)行，使得系統(tǒng)更加靈活，同時(shí)由小衛(wèi)星群組成的系統(tǒng)還有一個(gè)顯著特點(diǎn)：較少受到由于一顆衛(wèi)星失效所造成的影響。

因此，可以在給定ccd相機(jī)分辨率條件下、通過多顆小衛(wèi)星同時(shí)獲取的多幅圖像拼接，滿足衛(wèi)星一次過境，實(shí)時(shí)獲取高分辨率、大幅寬的對地觀測圖像的現(xiàn)實(shí)要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明目的在于找到一種對地觀測遙感衛(wèi)星同時(shí)獲取高分辨率和大幅寬的對地觀測圖像的方法。它利用安裝高分辨率、窄幅寬觀測儀器的一群小衛(wèi)星同時(shí)發(fā)射入軌，所有衛(wèi)星在軌正常業(yè)務(wù)運(yùn)行后，每次對地觀測時(shí)，為每個(gè)小衛(wèi)星在地球的經(jīng)度方向按順序分配一個(gè)觀測區(qū)域，在地面圖像處理中，將群內(nèi)所有小衛(wèi)星獲得的圖像拼接起來，最終獲得寬幅圖像。

本發(fā)明設(shè)計(jì)首先根據(jù)用戶對地觀測任務(wù)需求，在設(shè)計(jì)的衛(wèi)星的軌道基礎(chǔ)上，選擇安裝在衛(wèi)星上的觀測儀器運(yùn)行軌道星下點(diǎn)的分辨率x(m)，該值通常是以用戶需要觀測的最小目標(biāo)尺寸為基礎(chǔ)確定，對于地面點(diǎn)目標(biāo)來說，只要大于該分辨率的目標(biāo)，都能在衛(wèi)星獲得的正常圖像中能夠被分辨出。

選定觀測儀器的分辨率后，如果觀測儀器的像元數(shù)為z，可以計(jì)算出一臺觀測儀器對地成像獲取的圖像幅寬l，其計(jì)算公式如式(1)所示：

l＝x×z/1000(km)(1)

如果衛(wèi)星軌道高度為h，衛(wèi)星軌道兩軌之間在地球經(jīng)度上的軌道間隔弧段長z的計(jì)算公式如式(2)所示：

其中re是地球半徑，δλ是軌道間隔的經(jīng)度，因此衛(wèi)星一次通過目標(biāo)上空，在不考慮地球的曲率情況下，獲取的地球圖像在經(jīng)度只是軌道間隔l/z；如果圖像的幅寬能夠達(dá)到z值，理論上一顆衛(wèi)星運(yùn)行一天就能夠獲取整個(gè)地球的全球圖像。如上所述，受生產(chǎn)條件和能力所限，在給定高分辨率的前提下，現(xiàn)有的對地觀測衛(wèi)星無法實(shí)現(xiàn)大幅寬的目標(biāo)，因此衛(wèi)星運(yùn)行一軌，只能獲取目標(biāo)的窄幅圖像。

本發(fā)明提出在給定分辨率和幅寬的條件下，通過增加衛(wèi)星數(shù)量實(shí)現(xiàn)高目標(biāo)分辨率和大幅寬圖像，如圖1所示，其中衛(wèi)星群中衛(wèi)星的數(shù)量為n，如果每顆衛(wèi)星獲取圖像的幅寬為l(km)，整個(gè)衛(wèi)星群獲取的圖像幅寬將是衛(wèi)星數(shù)量的倍數(shù)，即n×l(km)。理論上當(dāng)n≥z/l時(shí)，衛(wèi)星一次通過可以獲得一個(gè)軌道間隔寬度的圖像，一個(gè)衛(wèi)星群運(yùn)行一天就能夠獲取整個(gè)地球的全球圖像。

對地觀測衛(wèi)星獲取圖像的一個(gè)很重要指標(biāo)是軌道的重訪周期，該指標(biāo)表明一顆衛(wèi)星下一次重新經(jīng)過一條相同的軌道的時(shí)間間隔值，為了滿足及時(shí)觀測一些重點(diǎn)區(qū)域的變化情況，可以將重訪周期設(shè)計(jì)得很小，但重訪周期過低，對于高分辨率、窄幅寬的觀測衛(wèi)星來說，地球上的一些區(qū)域?qū)⒂肋h(yuǎn)無法觀測到；選擇大的重訪周期，固然能觀測地球上的所有區(qū)域，但重訪重點(diǎn)區(qū)域的時(shí)效性將變差，因此采用常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，重訪周期的選擇和觀測區(qū)域的獲取是一對矛盾。采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的方法，只要小衛(wèi)星的數(shù)量滿足n≥z/l時(shí)，就可以將重訪周期縮為24小時(shí)，即在一個(gè)軌道平面的條件下，如果衛(wèi)星用戶需要獲取的地球表面任意區(qū)域圖像，可以有機(jī)會在一天后再次獲取該區(qū)域圖像。

采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的獲取高分辨率、大幅寬的對地觀測圖像的關(guān)鍵在于在給定分辨率和幅寬的前提下如何確定衛(wèi)星數(shù)量和計(jì)算每顆衛(wèi)星對地觀測時(shí)對應(yīng)的側(cè)擺角。衛(wèi)星分辨率和幅寬通常是針對沿星下點(diǎn)軌跡的圖像設(shè)計(jì)的，如圖2所示，此時(shí)衛(wèi)星保持正常對地姿態(tài)，衛(wèi)星軌跡經(jīng)過目標(biāo)區(qū)域的中線，對應(yīng)地面區(qū)域的觀測寬度為l0；當(dāng)衛(wèi)星觀測的目標(biāo)遠(yuǎn)離星下點(diǎn)時(shí)，需要通過衛(wèi)星姿態(tài)的側(cè)擺來獲取圖像，如圖3所示，此時(shí)衛(wèi)星的姿態(tài)在滾動方向側(cè)擺了θ°，對應(yīng)地面區(qū)域的觀測寬度由原來的l0變?yōu)閘i，目標(biāo)離星下點(diǎn)越遠(yuǎn)，實(shí)際獲取圖像的幅寬越大。這個(gè)結(jié)論可以由圖3直接看出，也可以由式(1)得出，式(1)中l(wèi)i與側(cè)擺角cosβ倒數(shù)成正比，衛(wèi)星獲取星下點(diǎn)圖像時(shí)，β＝0，cosβ＝1對應(yīng)li最小，為l0；當(dāng)側(cè)擺角β＞0，cosβ＜1，因此計(jì)算出的li＞l0。

當(dāng)軌道高度為h、觀測儀器的視場角為δ，衛(wèi)星姿態(tài)側(cè)擺θ角時(shí)，衛(wèi)星觀測區(qū)域幅寬li的計(jì)算公式如式(3)所示：

其中re是地球半徑。當(dāng)β＝0°時(shí)，對應(yīng)的li就是l0，其計(jì)算公式如式(4)所示：

n個(gè)小衛(wèi)星的觀測區(qū)域幅寬li之和構(gòu)成了整個(gè)區(qū)域的總幅寬z，如圖4所示z計(jì)算公式如式(5)所示：

衛(wèi)星軌道兩軌之間的在地球經(jīng)度上的軌道間隔為z，采用圖5所示的多次疊代算法可以精確計(jì)算衛(wèi)星群中衛(wèi)星的數(shù)量n。

采用本發(fā)明技術(shù)執(zhí)行每次對地測任務(wù)，采用圖5的算法為每個(gè)小衛(wèi)星分配觀測區(qū)域、確定幅寬li后，就可以計(jì)算每個(gè)衛(wèi)星工作時(shí)的側(cè)擺角θ，其計(jì)算公式如式(6)所示：

本發(fā)明設(shè)計(jì)的衛(wèi)星群中的衛(wèi)星全部采用小衛(wèi)星技術(shù)設(shè)計(jì)，衛(wèi)星的主要載荷是成像儀器、數(shù)據(jù)存貯器和數(shù)傳發(fā)射機(jī)，其中成像儀器獲取地面圖像、數(shù)據(jù)存貯器用于存貯獲取的圖像、數(shù)傳發(fā)射機(jī)將實(shí)時(shí)獲取或存貯的圖像數(shù)據(jù)發(fā)往地面，這些衛(wèi)星以衛(wèi)星群的方式運(yùn)行在一個(gè)相同的軌道面內(nèi)，可以通過一枚火箭一次發(fā)射入軌，到達(dá)星箭分離點(diǎn)時(shí)，由箭上分離機(jī)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)釋放這些衛(wèi)星，所有衛(wèi)星入軌后，以群的方式運(yùn)行在設(shè)計(jì)的軌道平面內(nèi)，如圖6所示。

由于衛(wèi)星從火箭釋放的任意性和衛(wèi)星在空間受各種攝動力的影響，每個(gè)衛(wèi)星相對其它衛(wèi)星的位置是變化的，無法形成圖1中多顆衛(wèi)星并排運(yùn)行的編隊(duì)，而是像圖6中分散排列，整個(gè)衛(wèi)星群獲取的圖像在南北方向無法對齊。

為了獲得一幅標(biāo)準(zhǔn)的長方形觀測區(qū)域的圖像，本發(fā)明提出除了采用上述控制衛(wèi)星側(cè)擺角獲取東西方向的大區(qū)域圖像外，還通過控制每個(gè)衛(wèi)星的俯仰角，使整個(gè)衛(wèi)星群獲取的圖像在南北方向一致，如圖7所示，圖中假設(shè)有5顆衛(wèi)星，以其中一顆運(yùn)行在衛(wèi)星星下點(diǎn)的衛(wèi)星為基準(zhǔn)，其姿態(tài)的俯仰角為0、第二顆衛(wèi)星的俯仰角為第三顆衛(wèi)星的俯仰角為第四顆衛(wèi)星的俯仰角為第五顆衛(wèi)星的俯仰角為其中俯仰角的計(jì)算公式如式(7)所示

其中式中(x1，y1，z1)和(xi，yi，zi)是第一顆衛(wèi)星和第i顆衛(wèi)星在慣性空間的位置，其計(jì)算公式如式(8)：

式中a-軌道半長軸、e-軌道偏心率、i-軌道傾角、ω-軌道升交點(diǎn)赤經(jīng)，ω-軌道近地點(diǎn)幅角和m-軌道平近點(diǎn)角。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的利用多顆衛(wèi)星獲取大幅寬圖像的方法的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是增加了整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的冗余度。由于有數(shù)量眾多衛(wèi)星同時(shí)在軌運(yùn)行，即使有一、二顆衛(wèi)星故障，不會造成整個(gè)系統(tǒng)失效，只是獲取圖像的幅寬略有減少，具體減少量是故障衛(wèi)星數(shù)量的圖像幅寬之和，通過重新安排每衛(wèi)星的任務(wù)，仍然可以獲取大幅寬圖像。

附圖說明：

圖1理論上多顆衛(wèi)星一次覆蓋一個(gè)軌道間隔示意圖。

圖2衛(wèi)星觀測星下點(diǎn)目標(biāo)。

圖3衛(wèi)星姿態(tài)側(cè)擺觀測目標(biāo)。

圖4控制每顆衛(wèi)星的側(cè)擺角實(shí)現(xiàn)一個(gè)大區(qū)域圖像示意圖。

圖5根據(jù)衛(wèi)星觀測幅寬和觀測區(qū)域確定衛(wèi)星數(shù)量方法。

圖6多顆衛(wèi)星集中運(yùn)行在一個(gè)軌道面內(nèi)示意圖。

圖7控制每顆衛(wèi)星的俯仰角實(shí)現(xiàn)相同觀測起始線示意圖。

具體實(shí)施方式：

本發(fā)明可以應(yīng)用到光學(xué)、紅外或sar類型對地觀測衛(wèi)星的成像總體設(shè)計(jì)和具體應(yīng)用中，其應(yīng)用原理是一致的，只是觀測條件有差別，因此這里以光學(xué)衛(wèi)星應(yīng)用為例介紹。

首先衛(wèi)星設(shè)計(jì)者根據(jù)用戶需求，設(shè)計(jì)衛(wèi)星的軌道參數(shù)，確定衛(wèi)星的軌道高度，然后確定衛(wèi)星光學(xué)載荷的對地分辨率，它必須滿足用戶分辨出對地觀測最小目標(biāo)的要求，在此基礎(chǔ)上，考慮光學(xué)載荷制造技術(shù)能力、成本和壽命等因素，確定在上述給定分辨率條件下每幅觀測圖像的幅寬。最后根據(jù)用戶對每幅圖像的幅寬要求，采用本發(fā)明給出的計(jì)算公式確定衛(wèi)星群中衛(wèi)星的數(shù)量?？紤]到與大衛(wèi)星相比，小衛(wèi)星具有制造成本低，生產(chǎn)速度快的特點(diǎn)，但同時(shí)在可靠性和壽命方面還有不足之處，因此為了確保衛(wèi)星在軌運(yùn)行后的正常發(fā)揮作用，可以適當(dāng)多發(fā)射幾顆衛(wèi)星，以確保整個(gè)系統(tǒng)不會因?yàn)槟承┬l(wèi)星失效影響整體能力。

整個(gè)衛(wèi)星群可以由一枚火箭一次性發(fā)射入軌，也可以由多枚火箭多次發(fā)射入軌，但無論一次入軌還是多次入軌，所有衛(wèi)星都必須運(yùn)行在相同的軌道平面，它們可以相互靠近、也可以均勻分布在軌道平面上。

定期對每顆衛(wèi)星進(jìn)行軌道測量，精確計(jì)算衛(wèi)星在空間的軌道位置并對今后一段時(shí)間內(nèi)衛(wèi)星運(yùn)行軌跡進(jìn)行精確預(yù)報(bào)。

緊接著可以為用戶提供觀測服務(wù)。接收到用戶的具體觀測需求后，根據(jù)衛(wèi)星的軌道預(yù)報(bào)結(jié)果，由給定的觀測目標(biāo)區(qū)域確定衛(wèi)星群中每顆衛(wèi)星經(jīng)過目標(biāo)上空的先后順序，采用本發(fā)明給出的計(jì)算公式，計(jì)算每顆衛(wèi)星上的光學(xué)載荷開、關(guān)機(jī)時(shí)刻、觀測時(shí)衛(wèi)星姿態(tài)側(cè)擺角和觀測數(shù)據(jù)的回放時(shí)刻，由地面衛(wèi)星測控中心將這些計(jì)算結(jié)果以指令或者注入數(shù)據(jù)的方式發(fā)送到衛(wèi)星上。衛(wèi)星收到這些命令后，通常以時(shí)間符合方式控制光學(xué)載荷和數(shù)傳機(jī)的開、關(guān)動作。

在每顆衛(wèi)星經(jīng)過目標(biāo)上空、光學(xué)載荷的開機(jī)前，星上程序控制衛(wèi)星姿態(tài)側(cè)擺到指定角度，當(dāng)開機(jī)時(shí)刻到，控制光學(xué)載荷開機(jī)，獲取目標(biāo)圖像；關(guān)機(jī)時(shí)刻到，控制光學(xué)載荷關(guān)機(jī)，一幅圖像獲取完畢。獲取的圖像既可以在圖像獲取同時(shí)回放，也可以事后回放，這取決于地面接收站對該星是否可見和星上能源是否充足等因素。由星上數(shù)傳機(jī)將獲取的圖像發(fā)送到地面接收站。

等衛(wèi)星群中所有衛(wèi)星的圖像都接收完畢后，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到每顆衛(wèi)星的單幅圖像，將所有單幅圖像按照衛(wèi)星觀測的順序和排列進(jìn)行拼圖，就可以獲得一幅高分辨率、大幅寬的圖像。(增加幾幅圖，單個(gè)圖像，拼接的圖像)

至此已介紹了一種通過多顆在軌小衛(wèi)星運(yùn)行配合，實(shí)現(xiàn)同時(shí)獲取高分辨率、大幅寬的對地觀測圖像的方法，它利用了每顆衛(wèi)星高分辨率的特點(diǎn)，通過多顆衛(wèi)星組合觀測和合理調(diào)度，解決了現(xiàn)有對地觀測衛(wèi)星圖像高分辨率和大幅寬之間的矛盾。

本發(fā)明主要運(yùn)用到對地觀測衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)運(yùn)行中，實(shí)現(xiàn)高分辨率和大幅寬對地觀測圖像的獲取。在總體設(shè)計(jì)階段，采用本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)單顆衛(wèi)星無法獲取高分辨率和大幅寬圖像的目標(biāo)，同時(shí)由于采用衛(wèi)星群設(shè)計(jì)，大大降低了個(gè)別衛(wèi)星失效導(dǎo)致整個(gè)衛(wèi)星任務(wù)失效的風(fēng)險(xiǎn)；在業(yè)務(wù)運(yùn)行階段，采用本發(fā)明調(diào)度每顆衛(wèi)星對地觀測載荷的開、關(guān)機(jī)時(shí)刻和衛(wèi)星姿態(tài)側(cè)擺角，為每顆衛(wèi)星分配觀測目標(biāo)，最終獲取一幅高分辨率和大幅寬的圖像。