CN107194875A - 利用小卫星群获得高分辨率和大幅宽遥感图像的方法 - Google Patents

Abstract

现有技术条件下，遥感卫星获取图像的高分辨率和大幅宽是一对矛盾。本发明采用多颗小卫星组群运行，可以同时获取高分辨率和大幅宽对地观测图像。采用本发明设计，每颗小卫星只对观测仪器的分辨率有严格要求，幅宽要求可以适当放宽，所有小卫星入轨后既可以均匀分布在同一轨道面、也可以相对集中运行。每次执行观测任务，将大区域分割，为每颗小卫星分配合理的观测仪器开、关机时刻和设置卫星姿态的侧摆角和俯仰角，最后将所有小卫星获得的图像拼接，就可以实现卫星一次过境内外，同时获得高分辨率、大幅宽的对地观测图像，卫星群中小卫星数量越多，图像的幅宽就越大。另外，由于采用卫星群设计，降低了个别卫星失效导致整个卫星任务失效的风险。

Description

利用小卫星群获得高分辨率和大幅宽遥感图像的方法

技术领域

本发明属于航天器制造与航天器工程应用领域，是一种关于提高地球遥感卫星获取对地观测图像效果的方法。

背景技术

地球遥感卫星主要任务之一就是获取对地观测图像，它将光学成像仪器安装到卫星星体，通过卫星绕地球运动，控制光学成像仪器的开关机，获取地球表面不同区域的光学图像。评估获取卫星图像效果的两个重要参数分别是图像的分辨率和图像的幅宽，其中图像分辨率是光学成像仪器一个像元代表的地面面积，当一颗卫星的分辨率为1m时，它表明这颗卫星成像仪器的一个像元代表地面1m×1m的面积，图像分辨率越高，图像就越清晰，获得高清晰度的图像是当代地球遥感卫星追求的目标；卫星图像幅宽是表示一颗卫星经过一个目标区域时获取图像的宽度，一幅图像的幅宽越大，它包含的内容就越多，一次卫星观测能获得大幅宽的图像是当代地球遥感卫星追求的目标。

在现有技术条件下，遥感卫星图像的高分辨率和大幅宽之间是一对矛盾，如果要想获得高分辨率图像，其幅宽就小；要想获得大幅宽图像，分辨率就得降低。在实际卫星载荷设计中，分辨率和幅宽之间通常只能二选一。例如我国在轨运行的高分一号卫星，当图像的分辨率为2m时，幅宽是69km；分辨率为16m，幅宽增加830km。因此，高分辨率卫星为了获得大面积区域目标的图像，只能通过多次观测，将每次观测的图像拼接起来获得，这样做除了要求卫星有合适的回归轨道设计、有很强的姿态侧摆功能和复杂的操作控制外，还需要等待较长的时间。

为了获得高分辨率和大幅宽图像，理论上可以通过增加卫星上的CCD相机数量来解决分辨率和幅宽的矛盾，例如在给定分辨率的前提下，增加一个CCD相机，幅宽就能增加一倍，但卫星平台的能力是有限的，不能无限制地增加CCD相机，通常只能做到2个相机同时工作，获取幅宽增加一倍的图像。

增加同时工作的卫星数量，也可以获得高分辨率和大幅宽图像。但过去卫星制造技术复杂、体积大、成本高，这种方法在工程上无法实现。随着卫星生产技术的发展，过去需要由大卫星完成的功能可以在小卫星上实现，与大卫星相比较，小卫星具有重量轻、尺寸小、研制周期短、性能高和成本低的特点，目前由单颗卫星执行的多种功能由于可以分配给几颗甚至更多的小卫星执行，使得系统更加灵活，同时由小卫星群组成的系统还有一个显著特点：较少受到由于一颗卫星失效所造成的影响。

因此，可以在给定CCD相机分辨率条件下、通过多颗小卫星同时获取的多幅图像拼接，满足卫星一次过境，实时获取高分辨率、大幅宽的对地观测图像的现实要求。

发明内容：

本发明目的在于找到一种对地观测遥感卫星同时获取高分辨率和大幅宽的对地观测图像的方法。它利用安装高分辨率、窄幅宽观测仪器的一群小卫星同时发射入轨，所有卫星在轨正常业务运行后，每次对地观测时，为每个小卫星在地球的经度方向按顺序分配一个观测区域，在地面图像处理中，将群内所有小卫星获得的图像拼接起来，最终获得宽幅图像。

本发明设计首先根据用户对地观测任务需求，在设计的卫星的轨道基础上，选择安装在卫星上的观测仪器运行轨道星下点的分辨率X(m)，该值通常是以用户需要观测的最小目标尺寸为基础确定，对于地面点目标来说，只要大于该分辨率的目标，都能在卫星获得的正常图像中能够被分辨出。

选定观测仪器的分辨率后，如果观测仪器的像元数为Z，可以计算出一台观测仪器对地成像获取的图像幅宽L，其计算公式如式(1)所示：

L＝X×Z/1000(km) (1)

如果卫星轨道高度为H，卫星轨道两轨之间在地球经度上的轨道间隔弧段长Z的计算公式如式(2)所示：

其中r_E是地球半径，Δλ是轨道间隔的经度，因此卫星一次通过目标上空，在不考虑地球的曲率情况下，获取的地球图像在经度只是轨道间隔L/Z；如果图像的幅宽能够达到Z值，理论上一颗卫星运行一天就能够获取整个地球的全球图像。如上所述，受生产条件和能力所限，在给定高分辨率的前提下，现有的对地观测卫星无法实现大幅宽的目标，因此卫星运行一轨，只能获取目标的窄幅图像。

本发明提出在给定分辨率和幅宽的条件下，通过增加卫星数量实现高目标分辨率和大幅宽图像，如图1所示，其中卫星群中卫星的数量为N，如果每颗卫星获取图像的幅宽为L(km)，整个卫星群获取的图像幅宽将是卫星数量的倍数，即N×L(km)。理论上当N≥Z/L时，卫星一次通过可以获得一个轨道间隔宽度的图像，一个卫星群运行一天就能够获取整个地球的全球图像。

对地观测卫星获取图像的一个很重要指标是轨道的重访周期，该指标表明一颗卫星下一次重新经过一条相同的轨道的时间间隔值，为了满足及时观测一些重点区域的变化情况，可以将重访周期设计得很小，但重访周期过低，对于高分辨率、窄幅宽的观测卫星来说，地球上的一些区域将永远无法观测到；选择大的重访周期，固然能观测地球上的所有区域，但重访重点区域的时效性将变差，因此采用常规的设计方法，重访周期的选择和观测区域的获取是一对矛盾。采用本发明设计的方法，只要小卫星的数量满足N≥Z/L时，就可以将重访周期缩为24小时，即在一个轨道平面的条件下，如果卫星用户需要获取的地球表面任意区域图像，可以有机会在一天后再次获取该区域图像。

采用本发明设计的获取高分辨率、大幅宽的对地观测图像的关键在于在给定分辨率和幅宽的前提下如何确定卫星数量和计算每颗卫星对地观测时对应的侧摆角。卫星分辨率和幅宽通常是针对沿星下点轨迹的图像设计的，如图2所示，此时卫星保持正常对地姿态，卫星轨迹经过目标区域的中线，对应地面区域的观测宽度为L₀；当卫星观测的目标远离星下点时，需要通过卫星姿态的侧摆来获取图像，如图3所示，此时卫星的姿态在滚动方向侧摆了θ°，对应地面区域的观测宽度由原来的L₀变为L_i，目标离星下点越远，实际获取图像的幅宽越大。这个结论可以由图3直接看出，也可以由式(1)得出，式(1)中L_i与侧摆角cosβ倒数成正比，卫星获取星下点图像时，β＝0，cosβ＝1对应L_i最小，为L₀；当侧摆角β＞0，cosβ＜1，因此计算出的L_i＞L₀。

当轨道高度为h、观测仪器的视场角为δ，卫星姿态侧摆θ角时，卫星观测区域幅宽L_i的计算公式如式(3)所示：

其中R_e是地球半径。当β＝0°时，对应的L_i就是L₀，其计算公式如式(4)所示：

N个小卫星的观测区域幅宽L_i之和构成了整个区域的总幅宽Z，如图4所示Z计算公式如式(5)所示：

卫星轨道两轨之间的在地球经度上的轨道间隔为Z，采用图5所示的多次叠代算法可以精确计算卫星群中卫星的数量N。

采用本发明技术执行每次对地测任务，采用图5的算法为每个小卫星分配观测区域、确定幅宽L_i后，就可以计算每个卫星工作时的侧摆角θ，其计算公式如式(6)所示：

本发明设计的卫星群中的卫星全部采用小卫星技术设计，卫星的主要载荷是成像仪器、数据存贮器和数传发射机，其中成像仪器获取地面图像、数据存贮器用于存贮获取的图像、数传发射机将实时获取或存贮的图像数据发往地面，这些卫星以卫星群的方式运行在一个相同的轨道面内，可以通过一枚火箭一次发射入轨，到达星箭分离点时，由箭上分离机构在短时间内同时释放这些卫星，所有卫星入轨后，以群的方式运行在设计的轨道平面内，如图6所示。

由于卫星从火箭释放的任意性和卫星在空间受各种摄动力的影响，每个卫星相对其它卫星的位置是变化的，无法形成图1中多颗卫星并排运行的编队，而是像图6中分散排列，整个卫星群获取的图像在南北方向无法对齐。

为了获得一幅标准的长方形观测区域的图像，本发明提出除了采用上述控制卫星侧摆角获取东西方向的大区域图像外，还通过控制每个卫星的俯仰角，使整个卫星群获取的图像在南北方向一致，如图7所示，图中假设有5颗卫星，以其中一颗运行在卫星星下点的卫星为基准，其姿态的俯仰角为0、第二颗卫星的俯仰角为第三颗卫星的俯仰角为第四颗卫星的俯仰角为第五颗卫星的俯仰角为其中俯仰角的计算公式如式(7)所示

其中式中(X₁，Y₁，Z₁)和(X_i，Y_i，Z_i)是第一颗卫星和第i颗卫星在惯性空间的位置，其计算公式如式(8)：

式中a-轨道半长轴、e-轨道偏心率、i-轨道倾角、Ω-轨道升交点赤经，ω-轨道近地点幅角和M-轨道平近点角。

本发明设计的利用多颗卫星获取大幅宽图像的方法的另一个突出优点是增加了整个卫星系统的冗余度。由于有数量众多卫星同时在轨运行，即使有一、二颗卫星故障，不会造成整个系统失效，只是获取图像的幅宽略有减少，具体减少量是故障卫星数量的图像幅宽之和，通过重新安排每卫星的任务，仍然可以获取大幅宽图像。

附图说明：

图1理论上多颗卫星一次覆盖一个轨道间隔示意图。

图2卫星观测星下点目标。

图3卫星姿态侧摆观测目标。

图4控制每颗卫星的侧摆角实现一个大区域图像示意图。

图5根据卫星观测幅宽和观测区域确定卫星数量方法。

图6多颗卫星集中运行在一个轨道面内示意图。

图7控制每颗卫星的俯仰角实现相同观测起始线示意图。

具体实施方式：

本发明可以应用到光学、红外或SAR类型对地观测卫星的成像总体设计和具体应用中，其应用原理是一致的，只是观测条件有差别，因此这里以光学卫星应用为例介绍。

首先卫星设计者根据用户需求，设计卫星的轨道参数，确定卫星的轨道高度，然后确定卫星光学载荷的对地分辨率，它必须满足用户分辨出对地观测最小目标的要求，在此基础上，考虑光学载荷制造技术能力、成本和寿命等因素，确定在上述给定分辨率条件下每幅观测图像的幅宽。最后根据用户对每幅图像的幅宽要求，采用本发明给出的计算公式确定卫星群中卫星的数量。考虑到与大卫星相比，小卫星具有制造成本低，生产速度快的特点，但同时在可靠性和寿命方面还有不足之处，因此为了确保卫星在轨运行后的正常发挥作用，可以适当多发射几颗卫星，以确保整个系统不会因为某些卫星失效影响整体能力。

整个卫星群可以由一枚火箭一次性发射入轨，也可以由多枚火箭多次发射入轨，但无论一次入轨还是多次入轨，所有卫星都必须运行在相同的轨道平面，它们可以相互靠近、也可以均匀分布在轨道平面上。

定期对每颗卫星进行轨道测量，精确计算卫星在空间的轨道位置并对今后一段时间内卫星运行轨迹进行精确预报。

紧接着可以为用户提供观测服务。接收到用户的具体观测需求后，根据卫星的轨道预报结果，由给定的观测目标区域确定卫星群中每颗卫星经过目标上空的先后顺序，采用本发明给出的计算公式，计算每颗卫星上的光学载荷开、关机时刻、观测时卫星姿态侧摆角和观测数据的回放时刻，由地面卫星测控中心将这些计算结果以指令或者注入数据的方式发送到卫星上。卫星收到这些命令后，通常以时间符合方式控制光学载荷和数传机的开、关动作。

在每颗卫星经过目标上空、光学载荷的开机前，星上程序控制卫星姿态侧摆到指定角度，当开机时刻到，控制光学载荷开机，获取目标图像；关机时刻到，控制光学载荷关机，一幅图像获取完毕。获取的图像既可以在图像获取同时回放，也可以事后回放，这取决于地面接收站对该星是否可见和星上能源是否充足等因素。由星上数传机将获取的图像发送到地面接收站。

等卫星群中所有卫星的图像都接收完毕后，对原始数据进行处理，得到每颗卫星的单幅图像，将所有单幅图像按照卫星观测的顺序和排列进行拼图，就可以获得一幅高分辨率、大幅宽的图像。(增加几幅图，单个图像，拼接的图像)

至此已介绍了一种通过多颗在轨小卫星运行配合，实现同时获取高分辨率、大幅宽的对地观测图像的方法，它利用了每颗卫星高分辨率的特点，通过多颗卫星组合观测和合理调度，解决了现有对地观测卫星图像高分辨率和大幅宽之间的矛盾。

本发明主要运用到对地观测卫星的总体设计和业务运行中，实现高分辨率和大幅宽对地观测图像的获取。在总体设计阶段，采用本发明可以实现单颗卫星无法获取高分辨率和大幅宽图像的目标，同时由于采用卫星群设计，大大降低了个别卫星失效导致整个卫星任务失效的风险；在业务运行阶段，采用本发明调度每颗卫星对地观测载荷的开、关机时刻和卫星姿态侧摆角，为每颗卫星分配观测目标，最终获取一幅高分辨率和大幅宽的图像。

Claims (1)

1.一种获取高分辨率和大幅宽对地观测图像的方法，其特征在于：

1)采用安装有高分辨率对地观测仪器的小卫星群，每个卫星上安装的观测仪器分辨率尽量高，幅宽可以相对窄；

2)群中的所有卫星可以一次发射入轨，也可以多次发射入轨，所有卫星都运行在一个轨道平面；

3)群中的所有卫星在轨道面上既可以均匀分布运行，也可以相对集中运行；

4)通过为群中的每颗卫星分配严格的开、关机时刻，设置精确的姿态侧摆角和俯仰角，每颗卫星将获得指定区域的高分辨率图像，将所有卫星获取的图像进行拼接，就可以获得大幅宽遥感图像；

5)按照权力要求1所述的获取宽幅图像的方法，其特征在于：使用多颗高分辨率、窄幅宽的小卫星组成卫星群协作运行，就可以实现一次过境、同时高分辨率、大幅宽的遥感图像，而且群中个别卫星的失效不会影响整个系统功能。