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現(xiàn)相機載體的姿態(tài)機動調(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動引起，其成像軌跡認為是平行星下點 軌跡的，一段軌跡稱為一個條帶，可以通過條帶拼接實現(xiàn)對矩形區(qū)域的拼接成像。然而，對 于公路、海岸線、邊境線等走向不平行星下點軌跡的高分辨率成像任務，傳統(tǒng)靜態(tài)成像由于 條帶必須平行星下點軌跡，對目標區(qū)域需多次觀測才能實現(xiàn)完整圖像的獲取，無法滿足目 標區(qū)域圖像實時獲取的需求，成像效能較低。
[0003] 隨著小衛(wèi)星姿態(tài)控制能力的進一步增強，衛(wèi)星可以通過姿態(tài)機動打破傳統(tǒng)靜態(tài)成 像時嚴格依靠軌道運動推掃的約束，從而實現(xiàn)更加靈活的地面推掃成像，成像條帶不再需 要平行星下點軌跡，甚至可以通過姿態(tài)機動形成垂直星下點軌跡的成像。與星下點軌跡成 一定夾角的條帶稱之為斜條帶。傳統(tǒng)靜態(tài)成像中，對于給定的某一平行星下點軌跡的成像 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)機動中沿給定斜條 帶成像時，衛(wèi)星的三軸姿態(tài)需實時變化，需要對成像過程中的姿態(tài)進行規(guī)劃。
[0004] 敏捷衛(wèi)星機動中成像技術(shù)，指衛(wèi)星在三軸姿態(tài)機動中開啟光學有效載荷并進行成 像，在成像過程中實時調(diào)整光軸對地指向以實現(xiàn)復雜的成像任務。法國的Pleiades-HR衛(wèi) 星通過姿態(tài)機動能夠?qū)崿F(xiàn)垂直星下點軌跡的推掃成像，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。動中成像模式黃群東在2012年 第12期《光學精密工程》的《姿態(tài)對地指向不斷變化成像時的像移速度計算》中有詳細描 述，目前的機動中成像技術(shù)缺乏對給定目標軌跡的機動中成像方法，無法實現(xiàn)沿斜條帶成 像過程中的姿態(tài)規(guī)劃，其姿態(tài)調(diào)整方法中也沒有進行成像偏流角補償，難以保證機動中成 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)劃攝影點沿給定斜條帶的滑動速度和位置，然后調(diào)整相機載體的姿態(tài)使得 相機跟蹤攝影點進行成像，從而實現(xiàn)了沿給定目標斜條帶成像，相對于傳統(tǒng)的靜態(tài)成像方 法，該方法對于公路、海岸線、邊境線等走向不平行星下點軌跡的高分辨率成像任務有很好 的實用性，并且可以通過垂直星下點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現(xiàn)：
[0007] -種沿斜條帶成像的姿態(tài)調(diào)整方法，具體實現(xiàn)步驟如下：
[0008] (1)、由成像起始點M到成像結(jié)束點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)球面幾何計算斜條帶在地心地固坐標系下的位置參數(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的經(jīng)度斜條 帶中心線與赤道面交點到起始點的球面幅角f;
[0009] (2)、在地心地固坐標系下，根據(jù)步驟（1)計算得到的斜條帶在地心地固坐標系下 的位置參數(shù)，以及設(shè)定的攝影點速度大小變化函數(shù)vD(t)，計算攝影點沿斜條帶中心線滑動 至IJ位置D時的速度矢量VD和位置矢量RD;其中位置D位于成像起始點M到成像結(jié)束點N之 間；
[0010] ⑶、根據(jù)設(shè)定的相機載體位置變化函數(shù)s⑴，以及步驟⑵確定的攝影點位置矢 量rd，計算相機載體視軸跟蹤攝影點運動時相機載體的姿態(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，以及滾動軸角速度俯仰軸角速度《 y;
[0011] (4)、根據(jù)步驟（3)計算得到的相機載體的姿態(tài)調(diào)整參數(shù)，調(diào)整相機載體的三軸姿 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)球面幾何計算斜條帶 在地心地固坐標系下的位置參數(shù)，具體計算方法如下：
[0013](la)、首先計算出過成像結(jié)束點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M的經(jīng)度和煒度；aN、SN分別為設(shè)定的成 像結(jié)束點N的經(jīng)度和煒度；
[0016](lb)、根據(jù)步驟（la)計算的夾角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)、通過如下公式計算得到斜條帶中心線與赤道面交點的經(jīng)度n :
[0019]tan(aN-Q) =sinitan(Jr-C);
[0020] (1d)、通過如下公式計算得到斜條帶中心線與赤道面交點到起始點的球面幅角 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，在地心地固坐標系下，計算 攝影點沿斜條帶中心線滑動時的速度矢量VD和位置矢量RD的具體步驟如下：
[0023] (2a)、首先根據(jù)設(shè)定的攝影點速度大小變化函數(shù)v(t)，計算攝影點沿斜條帶中心 線上滑動到位置D時的球面角f; iRe
[0024] (2b)、通過如下公式計算得到攝影點速度矢量Vn和位置矢量RD:
[0025]
[0026]
[0027] 其中，vD為攝影點到達位置D時的速度大小值；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，計算相機載體的姿態(tài)調(diào)整 參數(shù)的具體步驟如下：
[0029](3a)、計算當相機載體姿態(tài)調(diào)整到視軸對準攝影點時相機載體本體坐標系XbYb Zb的目標三軸矢量xb、yb、zb;其中，相機載體視軸對準攝影點時，Zb軸指向攝影點位置D，Yb 軸垂直于Zb軸與攝影點速度矢量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)計算得到的目標三軸矢量xb、yb、zb，計算相機載體姿態(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)整實現(xiàn)過程為：軌道坐標系按照123轉(zhuǎn) 序轉(zhuǎn)到相機載體視軸對準攝影點時相機載體本體坐標系XbYbZb;
[0031](3c)、根據(jù)相機載體姿態(tài)運動造成的地面推掃速度，計算滾動軸角速度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，相機載體本體坐標系XbYb Zb的目標三軸矢量xb、yb、zb的具體計算公式如下：
[0033]
[0034]
[0035]xb=ybXzb；
[0036] 其中，gj)為由相機載體位置S指向攝影點所在位置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的具體計算方法如下：
[0038]首先將軸矢量zb在軌道坐標系中表示為[Zb]OTblt= [zbxzbyzJT，則橫滾角供和俯 仰角9的計算公式如下
[0039] 作橫滾俯仰機動后的相機載體本體坐標系的Xb軸與目標軸矢量xb的夾角為偏航 角0，即偏航角0的計算公式如下：
[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，滾動軸角速度C0X和俯仰 軸角速度的具體計算過程如下：
[0042] (3ca)、在軌道坐標系下，計算相機載體姿態(tài)運動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)定的相機載體軌道運行角速度矢 量；
[0045] (3cb)、通過如下公式計算得到滾動軸角速度俯仰軸角速度《 y:
[0046]
[0047] 其中，L為相機載體所在位置到攝影點位置的距離。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu) 點在于：
[0048] (1)、本發(fā)明方法的姿態(tài)調(diào)整方法實現(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軌跡，本發(fā)明方法的成像方式可以實現(xiàn)與星下點軌跡成一定夾角的 斜條帶，對于公路、海岸線、邊境線等走向不平行星下點軌跡的高分辨率成像任務有很好的 實用性，并且