衛(wèi)星對地觀測中的側(cè)擺策略

賈志軍，楊敏，孫洋，何愛林

(1.海司信息化部，北京100000; 2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，武漢430033;3.92956部隊，遼寧116041)

衛(wèi)星對地觀測中的側(cè)擺策略

賈志軍1，楊敏2，孫洋3，何愛林2

(1.海司信息化部，北京100000; 2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，武漢430033;3.92956部隊，遼寧116041)

針對具有側(cè)擺能力的對地觀測衛(wèi)星，在介紹衛(wèi)星對地覆蓋能力的基礎(chǔ)上，給出了非星下點處可見目標(biāo)觀測所需側(cè)擺角度的計算方法，分析了在應(yīng)用側(cè)擺角度時應(yīng)該采用的最佳策略。

側(cè)擺;對地觀測;覆蓋能力

對地觀測衛(wèi)星是利用星載微波和光學(xué)遙感器，對用戶關(guān)注的地面目標(biāo)進(jìn)行成像觀測。其具有對地觀測效果好、覆蓋區(qū)域廣、不受空域國界限制、持續(xù)時間長等特點，已在環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)報、測繪勘探、資源普查、科學(xué)實驗以及軍事作戰(zhàn)等諸多領(lǐng)域帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和軍事價值。

為了擴(kuò)大對地觀測范圍，通常在星上采用側(cè)擺成像技術(shù)，使得星載設(shè)備可在垂直于星下點軌跡的方向進(jìn)行側(cè)擺觀測，增大了非星下點處地面目標(biāo)觀測的可能。通過預(yù)先上注合理的側(cè)擺指令進(jìn)行側(cè)擺角度設(shè)置，可以使衛(wèi)星在目標(biāo)可見時段內(nèi)延長觀測時間、增大覆蓋率，從而提高衛(wèi)星對地觀測效率。本文在確定衛(wèi)星對地覆蓋范圍的基礎(chǔ)上，給出了目標(biāo)可見時段內(nèi)觀測所需側(cè)擺角度的計算方法，并討論了在任務(wù)規(guī)劃中，多目標(biāo)觀測側(cè)擺角度應(yīng)用的最佳策略。

1 星載遙感器的覆蓋能力

對于具有側(cè)擺能力的衛(wèi)星而言，軌道上任意一點對地面的覆蓋能力是指星載遙感器視場角與最大側(cè)擺角度相結(jié)合后能夠觀測的地面范圍。同時也要說明，衛(wèi)星實際觀測瞬時范圍并不等于衛(wèi)星的觀測能力，而只是其中一部分。

如圖1所示，設(shè)衛(wèi)星某時刻t的瞬時軌道高度為h，相應(yīng)星下點為S′，星載遙感器的側(cè)擺角度為β，視場角為FOV，故衛(wèi)星對地覆蓋角度為β+FOV/2。假設(shè)地球是一半徑為Re的均勻圓球體，衛(wèi)星距地心距離SOe=h+Re，計算此時弧段AS′對應(yīng)的地心覆蓋角φ為

由地心覆蓋角可得覆蓋幅寬為

圖2為側(cè)擺角度βmax=30°，視場角FOV=5°時W2AS′= 2AS′隨衛(wèi)星軌道高度變化的情況，可以看出其隨衛(wèi)星軌道高度的增大而增大，雖然這樣能夠增大觀測目標(biāo)的可見機(jī)會，但是會影響對地觀測分辨率的要求。

圖1 衛(wèi)星對地覆蓋幅寬示意圖

圖2 軌道高度與對地觀測幅寬的相互關(guān)系

2 側(cè)擺角度的計算

側(cè)擺角度定義為星載遙感器沿垂直軌道方向轉(zhuǎn)動而偏離星地連線的角度。由第2節(jié)可得衛(wèi)星可觀測范圍，欲判斷地面目標(biāo)是否可見可將地面目標(biāo)統(tǒng)一看成點目標(biāo)，采用點的包含性檢驗來判斷是否可見，進(jìn)而判斷是否采取需要側(cè)擺。

圖1中，假設(shè)目標(biāo)點位于B(λ，φ)，過B點作垂直于衛(wèi)星星下點軌跡的垂線，并與其交于S′(λs，φs)。首先計算出目標(biāo)點B與衛(wèi)星星下點S′的弧長BS′［2］，采用基于球面三角學(xué)的大圓距離求解算法，通常有:①弧度為1分的弧長距離是1海里;②1海里等于1.852 km。則BS′為

則地心覆蓋角∠BOeS為

在三角形BOeS中側(cè)擺角度∠β為

通過軌道預(yù)報得到衛(wèi)星的星下點軌跡，進(jìn)行目標(biāo)可見判斷和側(cè)擺角度的計算，在衛(wèi)星經(jīng)過地面站時進(jìn)行上注測控指令，使得衛(wèi)星能夠?qū)刹炷繕?biāo)進(jìn)行有效觀測。

3 多目標(biāo)觀測

多目標(biāo)觀測時，視場角中心對準(zhǔn)目標(biāo)觀測效率過低，可以利用多個目標(biāo)的觀測角差值在一定范圍內(nèi)的特點，將同時納入衛(wèi)星瞬時觀測范圍的目標(biāo)進(jìn)行合成觀測，從而達(dá)到最大收益。但是多目標(biāo)觀測受到諸多因素的影響，例如星載遙感器的側(cè)擺次數(shù)、最大開機(jī)時間、視場角大小、側(cè)擺速率、側(cè)擺穩(wěn)定時間以及目標(biāo)觀測優(yōu)先級等。文獻(xiàn)［3］中給出了基于多約束的多目標(biāo)合成任務(wù)側(cè)擺角度的計算方法，根據(jù)最大開機(jī)時間Δt以及視場角Δa約束，建立以時序排列的任意兩目標(biāo)作為起止節(jié)點的合成任務(wù)矩陣CAij，具體步驟如下:

2)得到CAij的取值范圍A=［max(ai，aj)－Δa/2，min(ai，aj)+Δa/2］，并按降序排列;

3)搜索以CAij=()A k－Δa/2～k∈為側(cè)擺角時可觀測目標(biāo)的最大收益，并記錄于CAij;

其中:ai為目標(biāo)觀測角度;si為觀測開始時刻;ei為結(jié)束時刻;||為表示集合A劃分區(qū)間的個數(shù)。該算法將合成任務(wù)節(jié)點間的目標(biāo)觀測角度作為臨界值依次搜索，將最優(yōu)擺角從連續(xù)空間轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散空間，實現(xiàn)了快速搜索并降低了復(fù)雜度。但是在最優(yōu)角度計算中會出現(xiàn)臨界情況，例如其實例中觀測目標(biāo)側(cè)擺角度集合為［－13.45°－16.38°－17.32°－17.98°］，按上述步驟計算合成觀測角度為－16.45°，在視場半角為3°時－13.45°處于覆蓋邊沿，如圖3所示。對于載荷性能較差，衛(wèi)星在軌運行受到干擾較為嚴(yán)重的情形，就會使得合成觀測失去意義。

圖3 覆蓋臨界情況

為此可以在步驟3)中記錄滿足最大收益的目標(biāo)觀測角度為集合gk，由于每個目標(biāo)點滿足覆蓋的角度約束是各觀測角度anglei均在以合成觀測角度為中心的Δa/2內(nèi)，即

通過將gk中的每個觀測角度進(jìn)行擴(kuò)展為bi，然后求交集得到集合Bk

這樣就得到了合成任務(wù)的最優(yōu)側(cè)擺角度集合，通過取中值得到所需結(jié)果

4 M atlab與STK聯(lián)合仿真

復(fù)雜航天任務(wù)的仿真分析依托STK本身無法獨立完成，必須通過其與外部軟件的接口開展。STK提供了與Matlab的接口模塊［4］，依靠Matlab靈活的編程建模能力，結(jié)合STK強(qiáng)大的軌道計算功能，即可完成對復(fù)雜任務(wù)的建模和仿真分析。本文利用Matlab通過Mex－Connect直接使用STK/Connect指令，將STK產(chǎn)生的衛(wèi)星動態(tài)位置、目標(biāo)訪問起止時間和是否可見等數(shù)據(jù)發(fā)送到Matlab，作為構(gòu)建模型的必要輸入條件。

4.1 數(shù)據(jù)獲取

用于建立衛(wèi)星Satellite與目標(biāo)Target的可見分析結(jié)果以及衛(wèi)星動態(tài)位置的執(zhí)行指令如下:

［AccData，AccName］=stkAccReport(Satellite，Target，‘Access’);

［secData，secName］=stkAccReport(Satellite，‘LLA Position’，Start_time，Stop_time，Dt);

其中，Access用于兩對象的可見性分析，LLA Position用于獲取衛(wèi)星在以Start_time和Stop_time為起止時間并以Dt為時間間隔的地理位置信息。AccData存儲衛(wèi)星與地面目標(biāo)可見的相關(guān)信息，secData存儲衛(wèi)星某時段內(nèi)的地理坐標(biāo)信息。

4.2 仿真結(jié)果

建立仿真場景，并加載1顆衛(wèi)星配置視場角為6°、側(cè)擺能力為45°的光學(xué)遙感器，添加10個地面目標(biāo)，利用上述指令及第3節(jié)中側(cè)擺角度計算方法可得目標(biāo)可見詳情如表1所示。

由表1可知，10個待觀測目標(biāo)中只有8個目標(biāo)可見，并按時序排列依次編號，由此計算得到其合成角度矩陣為

可以看出合成角度矩陣上三角部分非零數(shù)值較少，即可進(jìn)行合成觀測的機(jī)會較少，主要由于觀測目標(biāo)的地理分布較為分散，并且星上載荷性能限制等原因。

表1 可見觀測目標(biāo)

5 結(jié)束語

本文針對具有側(cè)擺能力的對地觀測衛(wèi)星，分析了其對地覆蓋能力，給出了針對可見目標(biāo)的側(cè)擺角度的計算方法，并討論了多任務(wù)觀測時的合成觀測方法并加以改進(jìn)，保證目標(biāo)合成觀測的可靠性。最后通過Matlab與STK連接進(jìn)行實例仿真。為衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃側(cè)擺策略的應(yīng)用提供了參考。

［1］孫洋，徐慨，張靜，等.對地觀測小衛(wèi)星的軌道設(shè)計及目標(biāo)覆蓋仿真［J］.四川兵工學(xué)報，2013(7):145－148.

［2］Goescience Australia.Distance Calculation Algorithms［EB/ OL］.［2013－05－08］.http://www.ga.gov.au/earth－monitoring/geodesy/geodetic－techniques/distance－calculationalgorithms.html#circle.

［3］白保存，賀仁杰，李菊芳，等.衛(wèi)星單軌任務(wù)合成觀測問題及其動態(tài)規(guī)劃算法［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，31(7):1738－1742.

［4］丁溯泉，張波，劉世勇.STK在航天任務(wù)仿真分析中的應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2011.

(責(zé)任編輯楊繼森)

Sw inging Strategy on Earth Observing Satellites

JIA Zhi－jun1，YANGMin2，SUN Yang3，HE Ai－ling2
(1.Department of Information，Naval Commander Department，Beijing 100000，China; 2.School of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China; 3.the Unit92956 of Navle，Liaoning 116041，China))

To the earth observing satellites with the ability of swinging，this paper gives the calculation method of swinging angle of visible target in non－subsatellite point and discusses the optimal of swinging angle in application.

swinging;earth observing;coverage ability

:A

1006－0707(2014)07－0128－03

format:JIA Zhi－jun，YANG Min，SUN Yang，et al.Swinging Strategy on Earth Observing Satellites［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):128－130.

本文引用格式:賈志軍，楊敏，孫洋，等.衛(wèi)星對地觀測中的側(cè)擺策略［J］.四川兵工學(xué)報，2014(7):128－130.

10.11809/scbgxb2014.07.036

2014－03－16

賈志軍(1965—)，男，高級工程師，主要從事衛(wèi)星通信研究。

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