一种沿斜条带成像的姿态调整方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航天器姿态调整技术领域，特别涉及一种沿斜条带成像的姿态调整方 法，用于在沿给定斜条带成像过程中实现相机载体的姿态机动调整。
【背景技术】
[0002] 传统静态成像由于推扫地速主要由轨道运动引起，其成像轨迹认为是平行星下点 轨迹的，一段轨迹称为一个条带，可以通过条带拼接实现对矩形区域的拼接成像。然而，对 于公路、海岸线、边境线等走向不平行星下点轨迹的高分辨率成像任务，传统静态成像由于 条带必须平行星下点轨迹，对目标区域需多次观测才能实现完整图像的获取，无法满足目 标区域图像实时获取的需求，成像效能较低。
[0003] 随着小卫星姿态控制能力的进一步增强，卫星可以通过姿态机动打破传统静态成 像时严格依靠轨道运动推扫的约束，从而实现更加灵活的地面推扫成像，成像条带不再需 要平行星下点轨迹，甚至可以通过姿态机动形成垂直星下点轨迹的成像。与星下点轨迹成 一定夹角的条带称之为斜条带。传统静态成像中，对于给定的某一平行星下点轨迹的成像 条带，卫星的侧摆角保持恒定，成像过程中的姿态无需规划；然而，姿态机动中沿给定斜条 带成像时，卫星的三轴姿态需实时变化，需要对成像过程中的姿态进行规划。
[0004] 敏捷卫星机动中成像技术，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。法国的Pleiades-HR卫 星通过姿态机动能够实现垂直星下点轨迹的推扫成像，获得东西方向的350kmX20km的 0. 7m高分辨率图像，单次成像即可获取宽幅高分辨率图像。动中成像模式黄群东在2012年 第12期《光学精密工程》的《姿态对地指向不断变化成像时的像移速度计算》中有详细描 述，目前的机动中成像技术缺乏对给定目标轨迹的机动中成像方法，无法实现沿斜条带成 像过程中的姿态规划，其姿态调整方法中也没有进行成像偏流角补偿，难以保证机动中成 像的成像质量。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种沿斜条带成像的姿态调整方 法，该方法先规划摄影点沿给定斜条带的滑动速度和位置，然后调整相机载体的姿态使得 相机跟踪摄影点进行成像，从而实现了沿给定目标斜条带成像，相对于传统的静态成像方 法，该方法对于公路、海岸线、边境线等走向不平行星下点轨迹的高分辨率成像任务有很好 的实用性，并且可以通过垂直星下点轨迹的成像来获取宽幅高分辨率图像。
[0006] 本发明的上述目的通过以下方案实现：
[0007] -种沿斜条带成像的姿态调整方法，具体实现步骤如下：
[0008] (1)、由成像起始点M到成像结束点N作以地心为圆心的圆弧，并以所述圆弧作为 成像斜条带的中心线；根据球面几何计算斜条带在地心地固坐标系下的位置参数；所述位 置参数包括斜条带中心线与赤道面的夹角i，斜条带中心线与赤道面交点的经度斜条 带中心线与赤道面交点到起始点的球面幅角f;
[0009] (2)、在地心地固坐标系下，根据步骤（1)计算得到的斜条带在地心地固坐标系下 的位置参数，以及设定的摄影点速度大小变化函数vD(t)，计算摄影点沿斜条带中心线滑动 至IJ位置D时的速度矢量VD和位置矢量RD;其中位置D位于成像起始点M到成像结束点N之 间；
[0010] ⑶、根据设定的相机载体位置变化函数s⑴，以及步骤⑵确定的摄影点位置矢 量rd，计算相机载体视轴跟踪摄影点运动时相机载体的姿态调整参数；所述调整参数包括 横滚角，、俯仰角9和偏航角0，以及滚动轴角速度俯仰轴角速度《 y;
[0011] (4)、根据步骤（3)计算得到的相机载体的姿态调整参数，调整相机载体的三轴姿 〇
[0012] 上述的沿斜条带成像的姿态调整方法，在步骤（1)中，根据球面几何计算斜条带 在地心地固坐标系下的位置参数，具体计算方法如下：
[0013](la)、首先计算出过成像结束点N的经线与斜条带中心线所在圆面的夹角C:
[0014]
[0015] 其中：aM、SM分别为设定的成像起始点M的经度和炜度；aN、SN分别为设定的成 像结束点N的经度和炜度；
[0016](lb)、根据步骤（la)计算的夹角C通过如下公式确定斜条带中心线与赤道面的夹 角i:
[0017] cosi = sin (Jr-C) cos 5 N;
[0018](lc)、通过如下公式计算得到斜条带中心线与赤道面交点的经度n :
[0019]tan(aN-Q) =sinitan(Jr-C);
[0020] (1d)、通过如下公式计算得到斜条带中心线与赤道面交点到起始点的球面幅角 f:
[0021]
[0022] 上述的沿斜条带成像的姿态调整方法，在步骤（2)中，在地心地固坐标系下，计算 摄影点沿斜条带中心线滑动时的速度矢量VD和位置矢量RD的具体步骤如下：
[0023] (2a)、首先根据设定的摄影点速度大小变化函数v(t)，计算摄影点沿斜条带中心 线上滑动到位置D时的球面角f; iRe
[0024] (2b)、通过如下公式计算得到摄影点速度矢量Vn和位置矢量RD:
[0025]
[0026]
[0027] 其中，vD为摄影点到达位置D时的速度大小值；为地球半径。
[0028] 上述的沿斜条带成像的姿态调整方法，在步骤（3)中，计算相机载体的姿态调整 参数的具体步骤如下：
[0029](3a)、计算当相机载体姿态调整到视轴对准摄影点时相机载体本体坐标系XbYb Zb的目标三轴矢量xb、yb、zb;其中，相机载体视轴对准摄影点时，Zb轴指向摄影点位置D，Yb 轴垂直于Zb轴与摄影点速度矢量VD所在的平面，XZb轴和Yb轴根据右手法则确定；
[0030] (3b)、根据步骤（1)计算得到的目标三轴矢量xb、yb、zb，计算相机载体姿态调整的 横滚角俯仰角0和偏航角0;其中，所述姿态调整实现过程为：轨道坐标系按照123转 序转到相机载体视轴对准摄影点时相机载体本体坐标系XbYbZb;
[0031](3c)、根据相机载体姿态运动造成的地面推扫速度，计算滚动轴角速度cox和俯仰 轴角速度《y。
[0032] 上述的沿斜条带成像的姿态调整方法，在步骤（3a)中，相机载体本体坐标系XbYb Zb的目标三轴矢量xb、yb、zb的具体计算公式如下：
[0033]
[0034]
[0035]xb=ybXzb；
[0036] 其中，gj)为由相机载体位置S指向摄影点所在位置D的方向矢量。
[0037] 上述的沿斜条带成像的姿态调整方法，在步骤（3b)中，横滚角9、俯仰角0和偏 航角0的具体计算方法如下：
[0038]首先将轴矢量zb在轨道坐标系中表示为[Zb]OTblt= [zbxzbyzJT，则横滚角供和俯 仰角9的计算公式如下
[0039] 作横滚俯仰机动后的相机载体本体坐标系的Xb轴与目标轴矢量xb的夹角为偏航 角0，即偏航角0的计算公式如下：
[0040] (
[0041] 上述的沿斜条带成像的姿态调整方法，在步骤（3c)中，滚动轴角速度C0X和俯仰 轴角速度的具体计算过程如下：
[0042] (3ca)、在轨道坐标系下，计算相机载体姿态运动造成的地面推扫速度Vn:
[0043]Vn=VD+coeXRd-〇sXRd；
[0044] 其中，为设定的地球自转速度矢量；《 设定的相机载体轨道运行角速度矢 量；
[0045] (3cb)、通过如下公式计算得到滚动轴角速度俯仰轴角速度《 y:
[0046]
[0047] 其中，L为相机载体所在位置到摄影点位置的距离。本发明与现有技术相比的优 点在于：
[0048] (1)、本发明方法的姿态调整方法实现了沿给定斜条带的成像：传统静态成像的成 像条带只能平行星下点轨迹，本发明方法的成像方式可以实现与星下点轨迹成一定夹角的 斜条带，对于公路、海岸线、边境线等走向不平行星下点轨迹的高分辨率成像任务有很好的 实用性，并且