TDI CCD遥感卫星对其他卫星成像的可行性分析

2015-12-31谢少波丁丕满何赟晟徐实学

上海航天 2015年2期

谢少波，丁丕满，何赟晟，徐实学，韩旭

（上海卫星工程研究所，上海 200240）

0 引言

欧空局Envisat卫星是目前最大最先进的地球环境监测卫星，卫星总质量8 200kg，高10m，展开宽度25m，厚度5m。根据卫星的几何尺寸和构形，其最大有效反射截面可达约120m2。该卫星运行于平均高度799.8km的太阳同步圆轨道，轨道倾角98.55°，降交点地方时10：00。2012年4月8日，Envisat卫星向地面提供最后一幅遥感图像后出现故障。工程人员决定利用法国昴宿星对Envisat卫星实施成像，帮助判断Envisat卫星的状况。昴宿星运行于太阳同步轨道，轨道高度695km，轨道倾角98.2°，对地最高分辨率0.5m，降交点地方时为上午10：30。根据美国提供的失控后Envisat卫星的轨道参数，2012年4月15日在昴宿星与Envisat卫星相距约100km时，昴宿星对Envisat卫星实施了成像作业。由此次成像任务可知，基于TDI CCD的空间相机拍摄其他卫星是可行的。国内对光学成像卫星拍摄其他卫星的可行性研究较少［1］。为此，本文对其应用的可行性进行了分析。

1 昴宿星对Envisat卫星成像过程

昴宿星对Envisat卫星实施的成像作业获取的部分图像如图1所示。

根据轨道特征，昴宿星的运行轨道较Envisat卫星低105km。昴宿星为对地观测卫星，为拍摄Envisat卫星，昴宿星需作大角度姿态机动，由对地调整到对天姿态，运行速度约7.43km／s，而Envisat卫星的运行速度约7.37km／s。成像图片表明：昴宿星在8min内有效获取了Envisat卫星的清晰图像至少3幅。可初步判断在成像时刻附近，两航天器同向交会运行。

图1 昴宿星拍摄Envisat卫星图片Fig.1 Envisat’s pictures taken by Pleiades satellite

对昴宿星与Envisat卫星30d时长的轨道运行情况进行仿真，结果表明：两航天器的最小距离约107.875km，与文献中成像任务条件相似，此时，两航天器相对运动速度约0.971km／s，运动速度矢量夹角约7.43°，如图2所示。Envisat卫星最大尺寸为24m，经过昴宿星传感器的视场时间小于0.024 7s。

图2 昴宿星与Envisat卫星交会速度矢量Fig.2 Crossing angle of velocity vector between Pleiades satellite and Envisat satellite

交会过程仿真结果表明：交会过程中Envisat卫星相对昴宿星最大视运动角速度0.6（°）／s，昴宿星小角度下机动能力可达0.7（°）／s，昴宿星可实现姿态调整多次对Envisat卫星进行拍摄，由此获得多张图片。进一步分析可知：昴宿星对Envisat卫星成像的分辨率约0.1m／0.4m（全色／多光谱）。昴宿星对地观测时，全色CCD行频约10.6kHz，多光谱CCD行频约2.7kHz，对Envisat卫星成像时全色CCD行频不低于9.7kHz，多光谱CCD不低于2.5kHz。太阳光矢量与航天器连线间夹角128°。

昴宿星对Envisat卫星成功成像主要取决于两个因素：昴宿星具备大角度姿态快速机动能力，其光轴可任意指向，尤其是可指向天顶，还能大角度调整偏航角，以此适应卫星间相对运动矢量方向；任务选择了合适的时机，目标距离近，亮度高，与目标航天器相对运动速度低。

2 TDI CCD遥感卫星拍摄其他卫星可行性

成像卫星主要是对地成像，若拍摄其他卫星则需要分析卫星交会情况，必须满足一定的限制条件。

2.1 交会方位

设成像卫星瞬时半视场角为ω，卫星可机动角度为θ，则卫星的可视范围为±（ω＋θ），目标卫星需在成像卫星下方±（ω＋θ）范围才进入成像卫星视场范围，如图3所示。

图3 成像卫星视场Fig.3 Field of view of imaging satellite

2.2 交会距离

两颗卫星的交会距离直接影响对目标星拍摄的成像分辨率。卫星在大角度侧摆时因受地球畸变的影响，分辨率下降较明显，当成像卫星拍摄近距离目标时，分辨率畸变的影响明显减小。

设成像卫星的对地成像分辨率为a，轨道高度为L，目标卫星的轨道高度为H，成像卫星与目标卫星的垂直距离为h，成像卫星的侧摆角为θ，地球半径为R（如图4所示），则成像卫星对目标星成像分辨率

图4 成像卫星与目标星距离关系Fig.4 Spatial relationship between imaging and target satellite

为较清楚反映目标信息特征，对目标卫星拍摄图像的像元数应不小于30×15，对一个几何尺寸为12m×6m的卫星，则对目标卫星拍摄分辨率gsdmin应不低于0.4m。卫星0.4m分辨率仿真图如图5所示，可较清楚地描述卫星外形特征。

图5 分辨率0.4m卫星仿真图Fig.5 Satellite picture simulated with 0.4mresolution

根据上文可知两颗卫星垂直轨道距离和成像卫星侧摆角应满足

由式（1）可推算出目标星的最低轨道高度Hmin和成像卫星最大侧摆角θmax的关系。成像卫星轨道高度1 200km时目标星的Hmin见表1。

表1 不同成像卫星机动角度时目标星HminTab.1 Minimum orbit altitude of target satellite under various imaging satellite attitude angle

2.3 交会速度

成像卫星相机采用TDI CCD器件，为使成像图像清晰，卫星必须采用精准的行频和偏流角匹配，这对交会时相对速度矢量有一定要求，分析逆向和同向两种交会情况。

a）逆向交会

逆向交会时，一颗卫星为降轨，另一颗卫星为升轨，如图6所示。

因成像行频与目标相对拍摄卫星的速高比成正比，对地面目标来说，相对拍摄卫星运动速度低、距离远，而对逆向交会的卫星来说，相对拍摄卫星运动速度高、距离近，因此行频极高。

令逆向交会时成像卫星轨道高度1 200km，则其速度7 254m／s，轨道倾角100.406°；若目标星轨道高度1 100km，则目标星的速度7 288m／s，轨道倾角100.062°。两卫星相对运动速度14 100m／s，理论行频35 250Hz。拍摄卫星针对地面成像时行频不大于1 175Hz，星上实际行频不及理论行频的4%，对目标星成像实际像元数只有1个点，因此无法使用，可见逆向交会无法实现对目标星实现拍摄成像。

图6 逆向交会Fig.6 Reverse crossing between two satellites

b）同向交会

同向交会时，因目标星轨道低，目标星运行速度较快，交会过程是目标星从成像卫星下方追逐和超越成像卫星，如图7所示。同向交会时两颗卫星的相对运动速度很小，成像卫星的行频将大幅减小，如交会段在赤道附近，目标星与成像卫星轨道倾角差异较小，成像卫星偏流角要求很小且稳定不变，采用固定偏流角的方式可较好适应对目标星的拍摄。若成像卫星的实际偏流角不能采取固定偏流角模式，而是根据侧摆角度及星下点纬度而变，则选择在远离赤道成像可减少偏流角差异的影响。

图7 同向交会Fig.7 Forward crossing between two satellites

令同向交会时成像卫星轨道高度为1 209km，目标星轨道高度1 100km，则两卫星相对运动速度34m／s；分辨率0.4m；理论行频85Hz。卫星实际行频远高于理论行频，属于过采样，仍可拍摄成像。

2.4 交会光照条件

交会时应尽可能选择目标星与地面反照率差异大的工况。目标星的反射率主要体现在太阳翼上，太阳翼反射率较高，可取其值为0.9。为能较好反映目标外形轮廓，背景最好选择低反射率的海面，当选择陆地背景时应选择沙漠等单一背景。

3 成像卫星与目标卫星交会过程仿真

对轨道高度1 209km的光学卫星对美国NROL－66卫星进行拍摄在1年内的交会进行了仿真。该卫星为美国军用卫星，发射质量350kg，轨道高度1 199～1 202km。仿真中设NROL－66卫星的轨道倾角90°，采用标准极轨道，轨道平面的进动速率与太阳同步轨道不同，因此随着时间推移，轨道面的进动总能使两颗卫星的轨道面近似在同一个平面，故有机会对卫星进行成像。两颗卫星轨道如图8所示。

分析对两颗卫星的可见性（无地球遮拦），1年内两颗卫星交会有4次，起止时间见表2。表中第2、3次交会均在阴影区内，不具备成像条件。以第1次交会为例，分析两颗卫星的距离、速度等相对关系是否满足成像要求。交会时两颗卫星相对距离和径向速度如图9所示。由图可知：两颗卫星最小距离34km，对应时刻的径向速率小于50m／s。