謝少波，丁丕滿，何赟晟，徐實(shí)學(xué)，韓 旭

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

0 引言

歐空局Envisat衛(wèi)星是目前最大最先進(jìn)的地球環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，衛(wèi)星總質(zhì)量8 200kg，高10m，展開寬度25m，厚度5m。根據(jù)衛(wèi)星的幾何尺寸和構(gòu)形，其最大有效反射截面可達(dá)約120m2。該衛(wèi)星運(yùn)行于平均高度799.8km的太陽同步圓軌道，軌道傾角98.55°，降交點(diǎn)地方時(shí)10：00。2012年4月8日，Envisat衛(wèi)星向地面提供最后一幅遙感圖像后出現(xiàn)故障。工程人員決定利用法國昴宿星對(duì)Envisat衛(wèi)星實(shí)施成像，幫助判斷Envisat衛(wèi)星的狀況。昴宿星運(yùn)行于太陽同步軌道，軌道高度695km，軌道傾角98.2°，對(duì)地最高分辨率0.5m，降交點(diǎn)地方時(shí)為上午10：30。根據(jù)美國提供的失控后Envisat衛(wèi)星的軌道參數(shù)，2012年4月15日在昴宿星與Envisat衛(wèi)星相距約100km時(shí)，昴宿星對(duì)Envisat衛(wèi)星實(shí)施了成像作業(yè)。由此次成像任務(wù)可知，基于TDI CCD的空間相機(jī)拍攝其他衛(wèi)星是可行的。國內(nèi)對(duì)光學(xué)成像衛(wèi)星拍攝其他衛(wèi)星的可行性研究較少［1］。為此，本文對(duì)其應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析。

1 昴宿星對(duì)Envisat衛(wèi)星成像過程

昴宿星對(duì)Envisat衛(wèi)星實(shí)施的成像作業(yè)獲取的部分圖像如圖1所示。

根據(jù)軌道特征，昴宿星的運(yùn)行軌道較Envisat衛(wèi)星低105km。昴宿星為對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，為拍攝Envisat衛(wèi)星，昴宿星需作大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)，由對(duì)地調(diào)整到對(duì)天姿態(tài)，運(yùn)行速度約7.43km／s，而Envisat衛(wèi)星的運(yùn)行速度約7.37km／s。成像圖片表明：昴宿星在8min內(nèi)有效獲取了Envisat衛(wèi)星的清晰圖像至少3幅?？沙醪脚袛嘣诔上駮r(shí)刻附近，兩航天器同向交會(huì)運(yùn)行。

圖1 昴宿星拍攝Envisat衛(wèi)星圖片F(xiàn)ig.1 Envisat’s pictures taken by Pleiades satellite

對(duì)昴宿星與Envisat衛(wèi)星30d時(shí)長的軌道運(yùn)行情況進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：兩航天器的最小距離約107.875km，與文獻(xiàn)中成像任務(wù)條件相似，此時(shí)，兩航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度約0.971km／s，運(yùn)動(dòng)速度矢量夾角約7.43°，如圖2所示。Envisat衛(wèi)星最大尺寸為24m，經(jīng)過昴宿星傳感器的視場(chǎng)時(shí)間小于0.024 7s。

圖2 昴宿星與Envisat衛(wèi)星交會(huì)速度矢量Fig.2 Crossing angle of velocity vector between Pleiades satellite and Envisat satellite

交會(huì)過程仿真結(jié)果表明：交會(huì)過程中Envisat衛(wèi)星相對(duì)昴宿星最大視運(yùn)動(dòng)角速度0.6（°）／s，昴宿星小角度下機(jī)動(dòng)能力可達(dá)0.7（°）／s，昴宿星可實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整多次對(duì)Envisat衛(wèi)星進(jìn)行拍攝，由此獲得多張圖片。進(jìn)一步分析可知：昴宿星對(duì)Envisat衛(wèi)星成像的分辨率約0.1m／0.4m（全色／多光譜）。昴宿星對(duì)地觀測(cè)時(shí)，全色CCD行頻約10.6kHz，多光譜CCD行頻約2.7kHz，對(duì)Envisat衛(wèi)星成像時(shí)全色CCD行頻不低于9.7kHz，多光譜CCD不低于2.5kHz。太陽光矢量與航天器連線間夾角128°。

昴宿星對(duì)Envisat衛(wèi)星成功成像主要取決于兩個(gè)因素：昴宿星具備大角度姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)能力，其光軸可任意指向，尤其是可指向天頂，還能大角度調(diào)整偏航角，以此適應(yīng)衛(wèi)星間相對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量方向；任務(wù)選擇了合適的時(shí)機(jī)，目標(biāo)距離近，亮度高，與目標(biāo)航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度低。

2 TDI CCD遙感衛(wèi)星拍攝其他衛(wèi)星可行性

成像衛(wèi)星主要是對(duì)地成像，若拍攝其他衛(wèi)星則需要分析衛(wèi)星交會(huì)情況，必須滿足一定的限制條件。

2.1 交會(huì)方位

設(shè)成像衛(wèi)星瞬時(shí)半視場(chǎng)角為ω，衛(wèi)星可機(jī)動(dòng)角度為θ，則衛(wèi)星的可視范圍為±（ω＋θ），目標(biāo)衛(wèi)星需在成像衛(wèi)星下方±（ω＋θ）范圍才進(jìn)入成像衛(wèi)星視場(chǎng)范圍，如圖3所示。

圖3 成像衛(wèi)星視場(chǎng)Fig.3 Field of view of imaging satellite

2.2 交會(huì)距離

兩顆衛(wèi)星的交會(huì)距離直接影響對(duì)目標(biāo)星拍攝的成像分辨率。衛(wèi)星在大角度側(cè)擺時(shí)因受地球畸變的影響，分辨率下降較明顯，當(dāng)成像衛(wèi)星拍攝近距離目標(biāo)時(shí)，分辨率畸變的影響明顯減小。

設(shè)成像衛(wèi)星的對(duì)地成像分辨率為a，軌道高度為L，目標(biāo)衛(wèi)星的軌道高度為H，成像衛(wèi)星與目標(biāo)衛(wèi)星的垂直距離為h，成像衛(wèi)星的側(cè)擺角為θ，地球半徑為R（如圖4所示），則成像衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)星成像分辨率

圖4 成像衛(wèi)星與目標(biāo)星距離關(guān)系Fig.4 Spatial relationship between imaging and target satellite

為較清楚反映目標(biāo)信息特征，對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星拍攝圖像的像元數(shù)應(yīng)不小于30×15，對(duì)一個(gè)幾何尺寸為12m×6m的衛(wèi)星，則對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星拍攝分辨率gsdmin應(yīng)不低于0.4m。衛(wèi)星0.4m分辨率仿真圖如圖5所示，可較清楚地描述衛(wèi)星外形特征。

圖5 分辨率0.4m衛(wèi)星仿真圖Fig.5 Satellite picture simulated with 0.4mresolution

根據(jù)上文可知兩顆衛(wèi)星垂直軌道距離和成像衛(wèi)星側(cè)擺角應(yīng)滿足

由式（1）可推算出目標(biāo)星的最低軌道高度Hmin和成像衛(wèi)星最大側(cè)擺角θmax的關(guān)系。成像衛(wèi)星軌道高度1 200km時(shí)目標(biāo)星的Hmin見表1。

表1 不同成像衛(wèi)星機(jī)動(dòng)角度時(shí)目標(biāo)星HminTab.1 Minimum orbit altitude of target satellite under various imaging satellite attitude angle

2.3 交會(huì)速度

成像衛(wèi)星相機(jī)采用TDI CCD器件，為使成像圖像清晰，衛(wèi)星必須采用精準(zhǔn)的行頻和偏流角匹配，這對(duì)交會(huì)時(shí)相對(duì)速度矢量有一定要求，分析逆向和同向兩種交會(huì)情況。

a）逆向交會(huì)

逆向交會(huì)時(shí)，一顆衛(wèi)星為降軌，另一顆衛(wèi)星為升軌，如圖6所示。

因成像行頻與目標(biāo)相對(duì)拍攝衛(wèi)星的速高比成正比，對(duì)地面目標(biāo)來說，相對(duì)拍攝衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度低、距離遠(yuǎn)，而對(duì)逆向交會(huì)的衛(wèi)星來說，相對(duì)拍攝衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度高、距離近，因此行頻極高。

令逆向交會(huì)時(shí)成像衛(wèi)星軌道高度1 200km，則其速度7 254m／s，軌道傾角100.406°；若目標(biāo)星軌道高度1 100km，則目標(biāo)星的速度7 288m／s，軌道傾角100.062°。兩衛(wèi)星相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度14 100m／s，理論行頻35 250Hz。拍攝衛(wèi)星針對(duì)地面成像時(shí)行頻不大于1 175Hz，星上實(shí)際行頻不及理論行頻的4%，對(duì)目標(biāo)星成像實(shí)際像元數(shù)只有1個(gè)點(diǎn)，因此無法使用，可見逆向交會(huì)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)星實(shí)現(xiàn)拍攝成像。

圖6 逆向交會(huì)Fig.6 Reverse crossing between two satellites

b）同向交會(huì)

同向交會(huì)時(shí)，因目標(biāo)星軌道低，目標(biāo)星運(yùn)行速度較快，交會(huì)過程是目標(biāo)星從成像衛(wèi)星下方追逐和超越成像衛(wèi)星，如圖7所示。同向交會(huì)時(shí)兩顆衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很小，成像衛(wèi)星的行頻將大幅減小，如交會(huì)段在赤道附近，目標(biāo)星與成像衛(wèi)星軌道傾角差異較小，成像衛(wèi)星偏流角要求很小且穩(wěn)定不變，采用固定偏流角的方式可較好適應(yīng)對(duì)目標(biāo)星的拍攝。若成像衛(wèi)星的實(shí)際偏流角不能采取固定偏流角模式，而是根據(jù)側(cè)擺角度及星下點(diǎn)緯度而變，則選擇在遠(yuǎn)離赤道成像可減少偏流角差異的影響。

圖7 同向交會(huì)Fig.7 Forward crossing between two satellites

令同向交會(huì)時(shí)成像衛(wèi)星軌道高度為1 209km，目標(biāo)星軌道高度1 100km，則兩衛(wèi)星相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度34m／s；分辨率0.4m；理論行頻85Hz。衛(wèi)星實(shí)際行頻遠(yuǎn)高于理論行頻，屬于過采樣，仍可拍攝成像。

2.4 交會(huì)光照條件

交會(huì)時(shí)應(yīng)盡可能選擇目標(biāo)星與地面反照率差異大的工況。目標(biāo)星的反射率主要體現(xiàn)在太陽翼上，太陽翼反射率較高，可取其值為0.9。為能較好反映目標(biāo)外形輪廓，背景最好選擇低反射率的海面，當(dāng)選擇陸地背景時(shí)應(yīng)選擇沙漠等單一背景。

3 成像衛(wèi)星與目標(biāo)衛(wèi)星交會(huì)過程仿真

對(duì)軌道高度1 209km的光學(xué)衛(wèi)星對(duì)美國NROL－66衛(wèi)星進(jìn)行拍攝在1年內(nèi)的交會(huì)進(jìn)行了仿真。該衛(wèi)星為美國軍用衛(wèi)星，發(fā)射質(zhì)量350kg，軌道高度1 199～1 202km。仿真中設(shè)NROL－66衛(wèi)星的軌道傾角90°，采用標(biāo)準(zhǔn)極軌道，軌道平面的進(jìn)動(dòng)速率與太陽同步軌道不同，因此隨著時(shí)間推移，軌道面的進(jìn)動(dòng)總能使兩顆衛(wèi)星的軌道面近似在同一個(gè)平面，故有機(jī)會(huì)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行成像。兩顆衛(wèi)星軌道如圖8所示。

分析對(duì)兩顆衛(wèi)星的可見性（無地球遮攔），1年內(nèi)兩顆衛(wèi)星交會(huì)有4次，起止時(shí)間見表2。表中第2、3次交會(huì)均在陰影區(qū)內(nèi)，不具備成像條件。以第1次交會(huì)為例，分析兩顆衛(wèi)星的距離、速度等相對(duì)關(guān)系是否滿足成像要求。交會(huì)時(shí)兩顆衛(wèi)星相對(duì)距離和徑向速度如圖9所示。由圖可知：兩顆衛(wèi)星最小距離34km，對(duì)應(yīng)時(shí)刻的徑向速率小于50m／s。

圖8 成像衛(wèi)星與目標(biāo)星軌道Fig.8 Orbits of imaging and target satellite

表2 交會(huì)時(shí)機(jī)仿真結(jié)果Tab.2 Simulation result of crossing opportunities

交會(huì)過程目標(biāo)星相對(duì)成像衛(wèi)星的俯仰角、方位角及其角速率分別如圖10、11所示。交會(huì)過程目標(biāo)星光照條件如圖12所示。

圖9 目標(biāo)星相對(duì)成像衛(wèi)星距離和徑向速度Fig.9 Distance and radial velocity of target satellite relate to imaging satellite

圖10 交會(huì)方位角和俯仰角仿真結(jié)果Fig.10 Change of azimuth and elevation crossing angle

圖11 方位角和俯仰角速率仿真結(jié)果Fig.11 Changing rate of azimuth and elevation crossing angle

圖12 光照角仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results of incident angle of sunlight

由圖10可知：方位角和俯仰角規(guī)律表示其為逆向交會(huì)，故無法成像。第4次交會(huì)與第1次交會(huì)類似，在1年內(nèi)無有效成像時(shí)機(jī)。

4 結(jié)束語

本文受昴宿星拍攝Envisat衛(wèi)星啟發(fā)，對(duì)昴宿星拍攝Envisat衛(wèi)星過程進(jìn)行了分析，討論了TDI CCD光學(xué)遙感衛(wèi)星拍攝其他衛(wèi)星的技術(shù)要點(diǎn)，研究了交會(huì)的方位、距離、速度和光照條件等因素的影響，并進(jìn)行了仿真分析。此方法和過程對(duì)TDI CCD遙感衛(wèi)星拍攝其他衛(wèi)星任務(wù)有一定的參考作用。

［1］ 李雁斌，江利中，黃 勇，等.天基目標(biāo)探測(cè)與監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展研究［J］.制導(dǎo)與引信，2012，33（3）：50－60.