敏捷遙感衛(wèi)星工作模式研究

張新偉 戴君 劉付強

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

1 引言

姿態(tài)機動是指將衛(wèi)星從一種姿態(tài)過渡到另一種要求姿態(tài)的控制過程[1]。遙感衛(wèi)星可以利用高速的姿態(tài)機動能力，快速改變遙感器的對地指向，實現(xiàn)對地目標(biāo)的快速靈活的觀測，這種高速的姿態(tài)機動能力可稱之為姿態(tài)敏捷控制。姿態(tài)敏捷控制可極大地提高衛(wèi)星使用靈活性和觀測效率，快速高效的獲取所需的非星下點目標(biāo)遙感數(shù)據(jù)，是當(dāng)今世界商業(yè)遙感衛(wèi)星的一個發(fā)展方向。美國伊克諾斯衛(wèi)星（Ikonos）、快鳥衛(wèi)星（QuickBird）、地球眼衛(wèi)星1號（Geo-Eye-1）、世界觀測衛(wèi)星1 號（WorldView-1）和世界觀測衛(wèi)星2號（WorldView-2）等商業(yè)遙感衛(wèi)星具備姿態(tài)敏捷能力。另外，法國的昴宿星（Pleiades）衛(wèi)星和印度的制圖衛(wèi)星2號（Cartosat-2）衛(wèi)星也具備了這種姿態(tài)敏感控制能力[2-6]。上述遙感衛(wèi)星既可以實現(xiàn)目標(biāo)的快速成像，亦可實現(xiàn)地形的立體觀測；既可以實現(xiàn)觀測區(qū)域的拼接，亦可實現(xiàn)區(qū)域的掃描成像。隨著國內(nèi)航天技術(shù)的發(fā)展，我國在衛(wèi)星姿態(tài)控制領(lǐng)域已經(jīng)取得了長足的進步，各種空間姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)已達(dá)到一定的水平，具備了發(fā)展敏捷型遙感衛(wèi)星的基本條件。本文在調(diào)研國外典型敏捷衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，分析和論證了姿態(tài)敏捷控制能力，基于敏捷能力設(shè)計了遙感衛(wèi)星工作模式，并提出針對敏捷衛(wèi)星的設(shè)計思路。

2 國外敏捷衛(wèi)星發(fā)展情況綜述

最早的敏捷遙感衛(wèi)星是1999年9月發(fā)射的Ikonos-2 衛(wèi)星，一經(jīng)推出便得到了廣泛的應(yīng)用和良好的口碑。隨后美國數(shù)字全球公司（DigitalGlobe）于2001年10月發(fā)射了QuickBird-2 衛(wèi)星，兩顆遙感衛(wèi)星質(zhì)量均小于1t，屬于小型敏捷遙感衛(wèi)星。隨著技術(shù)的進步，DigitalGlobe公司又于2007年9月和2009年10月相繼發(fā)射了兩顆商用高分辨率成像衛(wèi)星WorldView-1和WorldView-2衛(wèi)星，兩顆衛(wèi)星質(zhì)量分別達(dá)到了2 500kg和2 800kg，衛(wèi)星地面像元分辨率達(dá)到了0.5m，敏捷控制技術(shù)開始在大中型遙感衛(wèi)星上應(yīng)用。國外幾種典型的敏捷衛(wèi)星性能指標(biāo)詳見表1所示。

表1 敏捷遙感衛(wèi)星主要技術(shù)參數(shù)[2-5]Table1 Chief characteristics of remote sensing satellites with agile attitude control

國外商業(yè)遙感衛(wèi)星姿態(tài)控制能力達(dá)到了1～4.5（°）/s，利用敏捷控制能力，實現(xiàn)了豐富多樣的衛(wèi)星工作模式，如圖1～圖4所示。其中圖1展示了衛(wèi)星推掃拼幅成像的工作模式，圖2展示了衛(wèi)星立體拼幅工作模式，圖3展示了衛(wèi)星多點目標(biāo)快速成像工作模式，圖4展示了衛(wèi)星實現(xiàn)姿態(tài)推掃成像和掃描成像工作模式[7]。各種典型的敏捷遙感衛(wèi)星工作模式，極大地提高了遙感衛(wèi)星的快速觀測、成像覆蓋和立體觀測能力，促進了遙感衛(wèi)星商業(yè)價值的提升。

3 敏捷姿態(tài)控制的意義和作用

3.1 分散目標(biāo)的快速響應(yīng)

隨著各國空間相機研制能力的提高，歐美等發(fā)達(dá)國家遙感衛(wèi)星的空間分辨率已經(jīng)具有較高水平。同時為了獲取多個目標(biāo)的遙感影像，大多數(shù)遙感衛(wèi)星均具有大角度機動能力和快速姿態(tài)機動能力，從而使同一軌道內(nèi)，衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)多個目標(biāo)的遙感探測，大大提升了遙感衛(wèi)星的使用效率。如衛(wèi)星側(cè)擺由現(xiàn)在的每軌2～4次，提高到每軌8～16次，同一軌道衛(wèi)星觀測目標(biāo)個數(shù)將提高3倍，相當(dāng)于原衛(wèi)星壽命延長3倍獲取的有效觀察目標(biāo)數(shù)據(jù)，因此衛(wèi)星姿態(tài)敏捷技術(shù)對提高衛(wèi)星的綜合使用效率和商業(yè)價值具有極大的意義，這也正是歐美等發(fā)達(dá)國家熱衷于發(fā)展敏捷遙感衛(wèi)星的初衷。

圖1 拼幅工作模式示意圖Fig.1 Work mode of piecing images together

圖3 多點目標(biāo)成像工作模式示意圖Fig.3 Work mode of viewing multi-areas

3.2 兼顧高分辨率與寬幅成像

高分辨率相機系統(tǒng)在實現(xiàn)高分辨率的同時，為降低難度其視場角較小，導(dǎo)致地面覆蓋寬度較小。如美國Ikonos-2衛(wèi)星的覆蓋寬度僅為11km，法國Pleiades衛(wèi)星覆蓋寬度也只達(dá)到了20km，光學(xué)遙感衛(wèi)星相對較小的幅寬與大范圍的地面目標(biāo)探測需求成為了一對矛盾。利用敏捷控制技術(shù)可實現(xiàn)衛(wèi)星在俯仰軸、滾動軸的快速指向，以完成幅寬拼接，一定程度上解決了這一問題。同時衛(wèi)星在姿態(tài)控制穩(wěn)定度上具備了相當(dāng)?shù)哪芰?，可采用姿態(tài)機動過程中的掃描成像的方式，大大提高圖像覆蓋能力。因此，姿態(tài)的敏捷技術(shù)是解決高分辨率成像與大范圍覆蓋這對矛盾的一條技術(shù)捷徑。

3.3 地面目標(biāo)的三維信息獲取

圖2 立體拼幅工作模式示意圖Fig.2 Work mode of piecing stereo images together

圖4 推掃成像工作模式示意圖[9]Fig.4 Work mode of scanning imaging

隨著遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的快速發(fā)展，獲取地面目標(biāo)的三維信息成為一種新的市場需求。一般情況下，專用的立體測繪衛(wèi)星需要安裝不同指向的兩臺相機或三臺相機，來完成立體觀測任務(wù)。隨著空間分辨率的進一步提高，立體測繪相機的尺寸急劇增大，衛(wèi)星平臺的承載能力受到了極大的挑戰(zhàn)。安裝單臺相機的遙感衛(wèi)星，利用敏捷控制技術(shù)可實現(xiàn)俯仰軸的快速姿態(tài)機動，短時間內(nèi)實現(xiàn)對同一地物的不同角度觀測，以滿足立體觀測需求。這樣一來，極大地解決了安裝多臺相機導(dǎo)致遙感衛(wèi)星承載能力過大的問題，并且降低了衛(wèi)星的經(jīng)濟成本和研制難度。

4 姿態(tài)敏捷控制技術(shù)

敏捷成像衛(wèi)星需要在保持衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定的同時，根據(jù)需要實現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)短期內(nèi)的平穩(wěn)快速機動。采用階越式的噴氣控制，因難以保證姿態(tài)穩(wěn)定而不適用。而目前遙感衛(wèi)星中廣泛使用的姿態(tài)平穩(wěn)控制方式為動量交換式控制，即利用星上飛輪系統(tǒng)角動量變化產(chǎn)生的力矩來實現(xiàn)姿態(tài)控制。

各類飛輪系統(tǒng)或力矩陀螺力矩平衡的基本方程

式中：t表示時間；HS為衛(wèi)星本體角動量；ωS為衛(wèi)星絕對角速度；HR為飛輪的角動量；ωR為飛輪相對于星體的角速度。

由式（1）可知，在衛(wèi)星正常飛行時，若外界干擾力矩M為0時，且星體自身角速度引起的角動量方向變化作用于星體上陀螺力矩ωS×HR得到有效補償后，式（1）右側(cè)為飛輪作用于星體的控制力矩。其中描述了飛輪角動量大小變化的反作用力矩，為星上常用的動量輪控制方式的力矩來源；ωR×HR描述了飛輪角動量方向變化產(chǎn)生的控制力矩，為控制力矩陀螺控制方式的力矩來源。

按一般遙感衛(wèi)星的質(zhì)量1～2t測算，其姿態(tài)機動軸的轉(zhuǎn)動慣量約為2 500～3 500kg·m2，姿態(tài)機動需要較大的控制力矩。動量輪控制方式由于受到最高轉(zhuǎn)速的限制而難以輸出較大力矩，目前輸出力矩較大的動量輪一般可達(dá)到0.5Nm，此時考慮動量輪最高轉(zhuǎn)速影響，對于敏捷衛(wèi)星，大力矩動量輪其可保證的最快機動能力約為±12（°）/100s，難以滿足衛(wèi)星的工作需求。

控制力矩陀螺轉(zhuǎn)子保持固定轉(zhuǎn)速，可快速改變角動量方向，輸出力矩大幅提高，其峰值輸出力矩指標(biāo)可達(dá)到10Nm 以上，可大幅度提高衛(wèi)星的敏捷能力?？刂屏赝勇莨ぷ鲿r輸出力矩的方向不斷變化，因此其在期望控制軸上的輸出力矩不斷變化，受到飽和限制。為使得控制力矩陀螺工作時，不對衛(wèi)星其它軸向產(chǎn)生干擾，一般選用兩個正交安裝的控制力矩陀螺同時工作，相互補償。由于控制力矩陀螺因輸出力矩方向變化而存在飽和控制區(qū)間，在使用時需結(jié)合衛(wèi)星最大機動角加速度與機動角度的需求，設(shè)計控制力矩陀螺的有效工作區(qū)間，以保證衛(wèi)星機動時角速度的平穩(wěn)增加。以目前10Nm 控制力矩陀螺為例，選用的兩個控制力矩陀螺組合工作時，在有效控制區(qū)間可輸出峰值約14Nm、平均值約9Nm 的控制力矩，且可連續(xù)5s，能夠?qū)崿F(xiàn)敏捷衛(wèi)星約1（°）/s的峰值角速度和星體5（°）/10s、15（°）/20s、25（°）/30s的機動控制。

為保證未來敏捷衛(wèi)星更高的快速機動需求，需選擇輸出力矩更大的控制力矩陀螺，以實現(xiàn)控制方式的靈活設(shè)計。在使用時，還需結(jié)合衛(wèi)星結(jié)構(gòu)特點設(shè)計合理的控制方式，在實現(xiàn)星體快速機動的同時，保持星體穩(wěn)定。

5 基于姿態(tài)敏捷控制的工作模式設(shè)計

5.1 同軌多點目標(biāo)成像工作模式

同軌多點目標(biāo)成像模式是利用敏捷衛(wèi)星的快速姿態(tài)指向能力，實現(xiàn)對分散的目標(biāo)快速成像。這種成像模式主要適用于同軌內(nèi)距離沿軌跡方向較近的多個成像點的觀測任務(wù)，利用衛(wèi)星滾動方向的快速姿態(tài)機動能力。圖5給出了一種典型的多點目標(biāo)快速成像工作模式。

在衛(wèi)星軌道高度和飛行速度確定的條件下，對衛(wèi)星機動能力的需求，主要取決于觀測目標(biāo)在飛行方向和垂直飛行方向之間的距離。設(shè)成像點1、成像點2和成像點3之間相距為200km，衛(wèi)星軌道高度為500km，衛(wèi)星速度為7.6km/s，最大滾動角轉(zhuǎn)動范圍±45°，則由點3至點2的姿態(tài)機動能力至少不小于1.7（°）/s，點2運動至點1的姿態(tài)機動能力至少不小于3.4（°）/s

圖5 多點目標(biāo)快速成像模式Fig.5 Work mode of viewing multi-areas of satellite

5.2 同軌立體成像工作模式

同軌立體成像工作模式是指對同一地區(qū)實現(xiàn)不同角度的觀測以形成立體像對，從而得出該地區(qū)的三維成像信息[8]。此種工作模式主要是利用衛(wèi)星俯仰軸的姿態(tài)機動來實現(xiàn)同軌2次或2次以上對同一地物不同角度觀測，如圖6所示。在不考慮地球曲率的前提下，衛(wèi)星姿態(tài)機動能力需求與衛(wèi)星的運行速度、地面觀測距離和立體觀測角度的關(guān)系如式（2）所示。

式中：ω1表示姿態(tài)機動角速度；h表示衛(wèi)星軌道高度；D表示地面影像在飛行方向上的觀測重疊距離；v表示衛(wèi)星速度；φ1和φ2為衛(wèi)星起始和結(jié)束的俯仰軸觀測角度。

設(shè)衛(wèi)星軌道高度為500km，衛(wèi)星速度為7.6km/s，可以計算不同地面影像觀測距離、前后立體觀測角與衛(wèi)星姿態(tài)機動能力的關(guān)系，如表2所示。

圖6 單線陣同軌立體成像示意圖Fig.6 Work mode of stereo imaging of satellite

表2 重疊區(qū)域與衛(wèi)星姿態(tài)機動能力的關(guān)系Table2 Relation of satellite attitude moving time to overlap area

根據(jù)攝影測量原理[9-10]，當(dāng)基高比接近1時，對于圖像處理立體效果來說較好，因此可以選取在±25°時進行立體成像，以便得到較好的立體成像效果。在成像區(qū)域100km 的條件下，俯仰軸姿態(tài)機動能力達(dá)到1（°）/s時，基本可以滿足需要。

5.3 同軌多條帶拼接成像工作模式

同軌多條帶拼接成像工作模式是利用快速姿態(tài)機動能力，使衛(wèi)星實現(xiàn)同一軌道多次同向推掃拼接成像，以增大幅寬。該模式要求衛(wèi)星完成一個條帶推掃后，在衛(wèi)星繼續(xù)飛行過程中立即進行俯仰方向的反向機動，同時通過一定角度的側(cè)擺將衛(wèi)星指向平移約一個幅寬的距離，使得后一次推掃的起始條帶與前一次推掃的起始條帶相鄰。這種模式可以得到若干條幅寬和條帶長度相同的影像，根據(jù)觀測目標(biāo)的不同，可設(shè)計有單次、兩次甚至多次推掃拼幅的模式，其示意圖分別見圖7～圖9。為了提高立體測繪影像的幅寬，還可以設(shè)計同軌拼幅立體成像模式，其示意圖見圖10。

設(shè)衛(wèi)星軌道高度500km，衛(wèi)星速度為7.6km/s，地面覆蓋達(dá)到100km，在不考慮地球曲率的前提下，由式（2）可以計算出不同前后起止觀測角與衛(wèi)星姿態(tài)機動能力的關(guān)系，如表3所示。實現(xiàn)4條帶拼接成像工作模式需要姿態(tài)機動能力達(dá)到2（°）/s以上。

圖7 單次拼幅示意圖Fig.7 Bi-strip mapping

圖8 兩次拼幅示意圖Fig.8 Tri-strip mapping

圖9 三次拼幅示意圖Fig.9 Four strip mapping

圖10 同軌兩次立體成像示意圖Fig.10 Piecing two stereo images together

表3 拼接成像對控制系統(tǒng)的要求Table3 Attitude control ability demands of piecing images

5.4 動態(tài)掃描成像工作模式

動態(tài)掃描成像模式對非沿軌跡方向的狹長地物目標(biāo)（例如海岸線）具有很好的時效性。當(dāng)被觀測的熱點目標(biāo)不在衛(wèi)星沿軌跡方向，需要衛(wèi)星首先進行繞Z 軸旋轉(zhuǎn)一定角度，再利用主動姿態(tài)掃描模式進行成像，即可獲得非沿軌跡方向的衛(wèi)星圖像。動態(tài)掃描成像模式在姿態(tài)機動過程中，星體快速達(dá)到某一角速度，然后按一定角速度運動，在衛(wèi)星姿態(tài)機動的過程中對地面物體成像，如圖11所示。以滾動方向掃描成像為例，掃描角速度與衛(wèi)星飛行速度和飛行距離的關(guān)系如式（3）所示。

式中：ω2表示姿態(tài)掃描角速度；v表示衛(wèi)星速度；φ3表示掃描角度范圍；d表示單次掃描所用時間內(nèi)衛(wèi)星飛行的距離。

設(shè)衛(wèi)星速度為7.6km/s，相機視場對應(yīng)的覆蓋寬度為25km，單次掃描衛(wèi)星飛行距離與相機覆蓋寬度一致，可得不同掃描成像角度與姿態(tài)機動能力的關(guān)系如表4所示。若實現(xiàn)滾動方向?qū)Φ氐膾呙璩上?，需要姿態(tài)機動能力至少達(dá)到6（°）/s以上。

圖11 衛(wèi)星動態(tài)成像初步工作模式Fig.11 Primary work mode of dynamic viewing

表4 滾動方向掃描成像對控制系統(tǒng)要求Table4 Attitude control ability demands of scanning imaging in roll axis

綜上所述，利用敏捷技術(shù)實現(xiàn)姿態(tài)的靈活指向，可以實現(xiàn)四種典型工作模式，主要包括同軌多目標(biāo)成像模式、同軌多條帶拼接成像模式、同軌立體成像模式和動態(tài)掃描成像模式，如圖12所示。采用姿態(tài)敏捷控制技術(shù)實現(xiàn)遙感衛(wèi)星靈活多變的工作模式，衛(wèi)星設(shè)計上需重點關(guān)注以下兩點：一是要進一步提高姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)能力，提供較大的輸出力矩和角動量存儲能力。對于姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)的選擇，可以選用控制力矩陀螺，其能夠連續(xù)輸出較大的轉(zhuǎn)動力矩，提高姿態(tài)機動的控制能力。除姿態(tài)快速機動外，還需要衛(wèi)星姿態(tài)快速轉(zhuǎn)動的平穩(wěn)性，以滿足相機成像對姿態(tài)穩(wěn)定度的要求。二是要進一步減小衛(wèi)星轉(zhuǎn)動慣量，降低對執(zhí)行機構(gòu)的壓力。衛(wèi)星設(shè)計上需采用高性能、高可靠、集成化、小型化的衛(wèi)星設(shè)備，進一步減小設(shè)備重量、結(jié)構(gòu)重量和燃料攜帶量。此外通過合理的設(shè)備和結(jié)構(gòu)布局，降低星體的轉(zhuǎn)動慣量，尤為重要的是太陽翼展開后對整星轉(zhuǎn)動慣量的影響?？刹捎酶咝市〕叽缣栆恚⑼ㄟ^合理布局來以減小其展開跨度。

圖12 敏捷衛(wèi)星典型成像模式示意圖Fig.12 Typical work mode of remote sensing satellites with agile attitude control

6 結(jié)束語

敏捷型遙感衛(wèi)星是當(dāng)今遙感衛(wèi)星的一個重要發(fā)展方向，利用姿態(tài)敏捷能力，可以制定靈活多變的工作模式，滿足國土資源調(diào)查、地質(zhì)勘探、城市規(guī)劃、國土測繪、防災(zāi)減災(zāi)和軍事偵察等多個領(lǐng)域的需求，極大地提高衛(wèi)星使用靈活性和觀測效率。本文在調(diào)研國外典型遙感衛(wèi)星的機動能力和工作模式的基礎(chǔ)上，論證梳理了敏捷控制能力對遙感衛(wèi)星的重要作用和意義，對敏捷衛(wèi)星的控制能力進行了初步分析，并結(jié)合使用需求對多點目標(biāo)成像、立體成像、多條帶拼接成像、動態(tài)掃描成像四種工作模式開展了設(shè)計，明確了衛(wèi)星工作模式與姿態(tài)機動能力之間的關(guān)系，為未來敏捷衛(wèi)星的工作模式設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

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