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(duì)，遼寧116041)

衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)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(duì)，遼寧116041)

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

側(cè)擺;對(duì)地觀測(cè);覆蓋能力

對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星是利用星載微波和光學(xué)遙感器，對(duì)用戶關(guān)注的地面目標(biāo)進(jìn)行成像觀測(cè)。其具有對(duì)地觀測(cè)效果好、覆蓋區(qū)域廣、不受空域國(guó)界限制、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，已在環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)報(bào)、測(cè)繪勘探、資源普查、科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jià)值。

為了擴(kuò)大對(duì)地觀測(cè)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(diǎn)軌跡的方向進(jìn)行側(cè)擺觀測(cè)，增大了非星下點(diǎn)處地面目標(biāo)觀測(cè)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(shí)段內(nèi)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間、增大覆蓋率，從而提高衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)效率。本文在確定衛(wèi)星對(duì)地覆蓋范圍的基礎(chǔ)上，給出了目標(biāo)可見時(shí)段內(nèi)觀測(cè)所需側(cè)擺角度的計(jì)算方法，并討論了在任務(wù)規(guī)劃中，多目標(biāo)觀測(cè)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(duì)于具有側(cè)擺能力的衛(wèi)星而言，軌道上任意一點(diǎn)對(duì)地面的覆蓋能力是指星載遙感器視場(chǎng)角與最大側(cè)擺角度相結(jié)合后能夠觀測(cè)的地面范圍。同時(shí)也要說明，衛(wèi)星實(shí)際觀測(cè)瞬時(shí)范圍并不等于衛(wèi)星的觀測(cè)能力，而只是其中一部分。

如圖1所示，設(shè)衛(wèi)星某時(shí)刻t的瞬時(shí)軌道高度為h，相應(yīng)星下點(diǎn)為S′，星載遙感器的側(cè)擺角度為β，視場(chǎng)角為FOV，故衛(wèi)星對(duì)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(jì)算此時(shí)弧段AS′對(duì)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(chǎng)角FOV=5°時(shí)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(cè)目標(biāo)的可見機(jī)會(huì)，但是會(huì)影響對(duì)地觀測(cè)分辨率的要求。

圖1 衛(wèi)星對(duì)地覆蓋幅寬示意圖

圖2 軌道高度與對(duì)地觀測(cè)幅寬的相互關(guān)系

2 側(cè)擺角度的計(jì)算

側(cè)擺角度定義為星載遙感器沿垂直軌道方向轉(zhuǎn)動(dòng)而偏離星地連線的角度。由第2節(jié)可得衛(wèi)星可觀測(cè)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(diǎn)目標(biāo)，采用點(diǎn)的包含性檢驗(yàn)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(diǎn)位于B(λ，φ)，過B點(diǎn)作垂直于衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡的垂線，并與其交于S′(λs，φs)。首先計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)B與衛(wèi)星星下點(diǎn)S′的弧長(zhǎng)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(zhǎng)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(bào)得到衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡，進(jìn)行目標(biāo)可見判斷和側(cè)擺角度的計(jì)算，在衛(wèi)星經(jīng)過地面站時(shí)進(jìn)行上注測(cè)控指令，使得衛(wèi)星能夠?qū)刹炷繕?biāo)進(jìn)行有效觀測(cè)。

3 多目標(biāo)觀測(cè)

多目標(biāo)觀測(cè)時(shí)，視場(chǎng)角中心對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)觀測(cè)效率過低，可以利用多個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)角差值在一定范圍內(nèi)的特點(diǎn)，將同時(shí)納入衛(wèi)星瞬時(shí)觀測(cè)范圍的目標(biāo)進(jìn)行合成觀測(cè)，從而達(dá)到最大收益。但是多目標(biāo)觀測(cè)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(shí)間、視場(chǎng)角大小、側(cè)擺速率、側(cè)擺穩(wěn)定時(shí)間以及目標(biāo)觀測(cè)優(yōu)先級(jí)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(jì)算方法，根據(jù)最大開機(jī)時(shí)間Δt以及視場(chǎng)角Δa約束，建立以時(shí)序排列的任意兩目標(biāo)作為起止節(jié)點(diǎn)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(shí)可觀測(cè)目標(biāo)的最大收益，并記錄于CAij;

其中:ai為目標(biāo)觀測(cè)角度;si為觀測(cè)開始時(shí)刻;ei為結(jié)束時(shí)刻;||為表示集合A劃分區(qū)間的個(gè)數(shù)。該算法將合成任務(wù)節(jié)點(diǎn)間的目標(biāo)觀測(cè)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(shí)現(xiàn)了快速搜索并降低了復(fù)雜度。但是在最優(yōu)角度計(jì)算中會(huì)出現(xiàn)臨界情況，例如其實(shí)例中觀測(cè)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(jì)算合成觀測(cè)角度為－16.45°，在視場(chǎng)半角為3°時(shí)－13.45°處于覆蓋邊沿，如圖3所示。對(duì)于載荷性能較差，衛(wèi)星在軌運(yùn)行受到干擾較為嚴(yán)重的情形，就會(huì)使得合成觀測(cè)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(cè)角度為集合gk，由于每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)滿足覆蓋的角度約束是各觀測(cè)角度anglei均在以合成觀測(cè)角度為中心的Δa/2內(nèi)，即

通過將gk中的每個(gè)觀測(cè)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(dú)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(jì)算功能，即可完成對(duì)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(dòng)態(tài)位置、目標(biāo)訪問起止時(shí)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(dòng)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(duì)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(shí)間并以Dt為時(shí)間間隔的地理位置信息。AccData存儲(chǔ)衛(wèi)星與地面目標(biāo)可見的相關(guān)信息，secData存儲(chǔ)衛(wèi)星某時(shí)段內(nèi)的地理坐標(biāo)信息。

4.2 仿真結(jié)果

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

由表1可知，10個(gè)待觀測(cè)目標(biāo)中只有8個(gè)目標(biāo)可見，并按時(shí)序排列依次編號(hào)，由此計(jì)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(cè)的機(jī)會(huì)較少，主要由于觀測(cè)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(cè)目標(biāo)

5 結(jié)束語

本文針對(duì)具有側(cè)擺能力的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，分析了其對(duì)地覆蓋能力，給出了針對(duì)可見目標(biāo)的側(cè)擺角度的計(jì)算方法，并討論了多任務(wù)觀測(cè)時(shí)的合成觀測(cè)方法并加以改進(jìn)，保證目標(biāo)合成觀測(cè)的可靠性。最后通過Matlab與STK連接進(jìn)行實(shí)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(duì)地觀測(cè)小衛(wèi)星的軌道設(shè)計(jì)及目標(biāo)覆蓋仿真［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，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(cè)問題及其動(dòng)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(guó)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(duì)地觀測(cè)中的側(cè)擺策略［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2014(7):128－130.

10.11809/scbgxb2014.07.036

2014－03－16

賈志軍(1965—)，男，高級(jí)工程師，主要從事衛(wèi)星通信研究。

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