光学遥感卫星精密敏捷成像控制技术综述

从控制的角度综述了多功能、高质量成像需求下,超稳定、超精确、超敏捷高分辨率光学遥感卫星精密敏捷控制的关键技术和研究进展。以卫星成像与姿态控制系统性能的关系为基础,从姿态机动能力与多功能成像、姿态确定精度与成像质量和姿态控制精度与成像质量三个方面论述了精密敏捷控制技术对光学遥感卫星成像的重要性。在此基础上,结合光学遥感卫星姿态控制系统的组成及原理,分析了影响姿态控制精度和姿态机动能力的主要因素,对高精度姿态确定、精密姿态控制和敏捷姿态控制三个关键技术方向进行了讨论和总结。最后,综合当前技术的发展趋势,围绕一体化成像控制的设计思想展望了精密敏捷控制技术未来的发展趋势,为实现高分辨率光学遥感卫星多功能、高质量成像控制提供了理论依据和工程参考。     

吉林一号轻型高分辨率遥感卫星光学成像技术

为了实现吉林一号光学遥感卫星轻量化设计与高分辨率多光谱多模式成像,采用星载一体化设计理念及敏捷多模式成像策略,完成了吉林一号卫星的指标、方案及关键技术的设计与在轨多模式光学成像。吉林一号整星的质量为450kg,有效载荷比高达40%,机动能力达2.1(°)/s,可实现大侧摆、同轨立体与条带拼接等多模式成像,结合星上800GB的FLASH存储能力和X波段双通道600 Mbps的数据传输能力,卫星每天可获取近150 000km~2的图像数据。吉林一号轻型高分辨率光学卫星于2015年发射入轨,运行在656km太阳同步轨道,地面全色和多光谱分辨率分别优于0.72m和2.88m,满足多行业应用及商业化运营的需求。     

全球陆地光学遥感影像获取技术与应用

介绍了2010年开始利用环境减灾A、B星CCD传感器获取全球陆地光学遥感影像的工作,用于研究全球地表覆盖和土地利用情况。环境减灾A、B星是我国第一个以组网方式运行的具有48h重访周期、30m中高分辨率的光学星座。利用卫星获取全球陆地光学遥感影像时不仅综合考虑了地面光照条件、云量、季节、地物特性等因素,同时考虑了卫星观测能力、地面接收能力、全球陆地分布特点、全球云量分布等多种因素。通过一年多的时间,获取了全球陆地面积85%以上的平均云量小于20%的有效光学影像数据,获得的数据是我国首个中高分辨率全球覆盖的遥感光学影像集,已成为我国开展全球环境变化研究最重要的中高分辨率光学影像数据源。文中总结了A、B星全球陆地光学遥感影像获取计划的思路与实际应用效果,可为后续光学星的规划及有效载荷的设计提供有益的参考。     

星敏感器和遥感相机主光轴交联角的在轨检校

为了提高遥感影像产品的定位精度,研究了星敏感器主光轴和遥感相机主光轴交联角的在轨检校方法。利用高分辨率卫星遥感影像的严格成像模型,将改进的非直接求解模型引入到遥感相机安装误差的标定中,提出一种对遥感相机内外方位元素进行统一检校的方法,实现了星上姿态确定系统和遥感相机之间系统误差的精确补偿。对来自遥感卫星的整轨遥感图像进行处理,利用最优化模型确定遥感相机和星敏感器姿态关系矩阵,进而检校出交联角。最后,利用单像对地目标定位原理,对检校精度进行了验证。实验结果表明,校正后地面点经纬度方向平面位置RMS误差分别为9.31 m和9.28 m,显示通过内外方位元素统一检校,遥感图像的定位精度得到显著提高。     

新型遥感光学立体成像系统的光学系统设计

用前视、直视和后视三个相机及相应的传感器阵列CCD以获取地面的不同视角下的信息,通过计算机处理得到地面的立体图像的技术是80年代发展起来的新型遥感光学立体成像技术,本文简述了遥感光学立体成像原理,详述了整个系统的主要参数斜视相机倾角、扫描频率、地面分辨率、直及斜视相机焦距和视场角的确定,对光学系统的设计进行了详尽的分析.设计出了性能很好、在系统中得到应用的光学系统.     

基于气象预测数据优化卫星成像参数

卫星传感器成像参数包括增益、积分级数、行积分时间等,需要在传感器成像前通过地面站指令上注,合理的成像参数设置是获取高质量遥感影像数据的重要前提。本文提出了一种基于气象预测数据的卫星传感器成像参数优化与计算方法,首先,根据成像链路模型,结合气象预测数据中能够较好反映地表状态变化的地表反照率数据,解算目标地物成像时刻天顶辐亮度;然后,利用传感器绝对辐射定标系数解算不同成像参数下对应的图像灰度;最后,根据图像灰度适宜的策略选取合理的成像参数。通过吉林一号视频04星推扫成像模式验证本文提出的算法对全色和多光谱谱段图像信息熵分别提升4.37%~23.71%,采用本文提出的优化成像参数可以有效改善卫星遥感影像的有效动态范围,满足高质量遥感影像数据获取需求。     

基于高频修正姿态的高分辨率光学卫星全色与多光谱影像几何定位一致性修正

针对具有高姿态测量精度、高姿态稳定度且探测器采用机械式交错拼接的光学卫星受到微量高频姿态误差影响时，所产生的全色数据与多光谱数据间微小几何定位误差问题，提出了基于高频修正姿态的高分辨率光学卫星全色与多光谱影像几何定位一致性修正方法。在推扫式光学遥感卫星成像原理的基础上建立严密成像几何模型，利用机械式交错拼接成像探测器的分时成像特性，结合几何定位约束及金字塔影像搜索策略的同名点匹配方法获取同名点数据，再利用同名点数据解算卫星成像过程中的高频姿态数据。最后，将解算得到的高频姿态用于对应多光谱影像的传感器几何校正处理中，得到基于高频修正姿态的多光谱影像数据。实验结果表明：该方法有效消除了由微量高频姿态误差引起的全色数据与多光谱数据间微小的几何定位偏差，使传感器几何校正后的多光谱数据与全色数据具有高精度几何定位一致性，将具有高姿态测量精度、高姿态稳定度且探测器采用机械式交错拼接的高分辨率推扫模式成像光学卫星的全色数据与多光谱数据间行方向的相对几何定位误差提升至0.15个多光谱像元，以为后续高精度影像融合产品的生产奠定基础。     

线阵垂轨环扫式光学遥感卫星影像几何纠正

新型线阵环扫式光学遥感卫星通过垂轨环扫、沿轨拼接的成像方式实现了超大幅宽与高分辨率的兼顾,但其特殊的成像方式也导致影像的几何畸变十分严重,必须对其进行几何纠正.本文提出了一种适用于线阵环扫式光学遥感卫星的影像几何纠正方法,该方法首先在科学分析卫星成像特点的基础上构建线阵环扫影像的严格成像模型,然后利用影像轨道、姿态参数和开源DEM对影像进行粗纠正,最后利用参考正射影像匹配得到大量同名点作为控制点,通过样条函数拟合进行影像精纠正.为验证提出方法的有效性,利用模拟影像开展了试验,结果表明该方法几何精纠正的精度可以达到1像元.该方法能够有效解决线阵环扫式卫星影像几何畸变大的问题,提供高精度影像产品,具有重要的应用价值.     

飞轮扰动下大口径长焦距光学成像系统的视轴误差的分析与试验

为了分析飞轮产生的微振动对高分辨率卫星成像质量的影响,建立了某高分辨率卫星的结构动力学模型,测量飞轮在轨工作时产生的微振动,并基于整星层次计算卫星在飞轮扰动下视轴误差。计算结果表明该高分辨率卫星光学成像系统的视轴误差的关键模态为第8与9阶模态,主镜与次镜对视轴误差贡献最大,可以优化主镜与次镜相关结构参数提高光学卫星的成像质量。为验证整星结构设计与微振动分析优化的准确性与合理性,针对整星初样开展地面微振动试验,该卫星在轨姿控系统为偏置动量轮设计,通过星上Z/Y轴动量轮模拟在轨实际工作转速,分别在卫星悬吊状态以及固支状态下测量了卫星颤振情况。分析与试验结果表明:整星微振动时角位移的仿真计算结果与试验结果相比,其相对误差α为11.13%,绝对值为0.009 94″,小于0.01″,初步认为在轨遥感图像质量不会受微振动影响而退化,并为光学遥感卫星的微振动设计提供了参考。     

基于星载光电成像跟踪测距的空间目标定轨

以获得空间未知目标的轨迹运动信息为目的,研究了一种基于星载光电成像跟踪测距方式的空间目标定轨技术。该技术从测量学角度出发,利用星载光学测量系统获得目标的相对运动信息,利用角度传感测量系统获得卫星的姿态角变化和跟踪架的角随动信息,最后通过坐标变换解算出目标在地球惯性坐标系中的绝对运动信息。文中依次从物理模型、坐标体系、基本原理等方面对该项技术进行了描述和推导,获得了目标在地球坐标系下的状态方程和观测方程。最后,在对天基监视卫星轨道模型、星载光电跟踪控制模型、目标特性及光学成像测距模型进行分析后,建立了具体的数学模型,并对计算结果进行了分析讨论。得到的结果显示理想模型的目标轨迹测量精度优于0.5km。     

Space high-accuracy intelligence payload system with integrated attitude and position determination

recently,the requirements for space high resolution and high accuracy earth observation payloads are more urgent in many fields.However,traditional satellites mainly use the separation model of platform and payload.The precision of platform was unable to fulfill the requirements of high-precision imaging of payload.In addition,because traditional satellites mainly use the rigid connection between platform and payload,the precision of payload strongly depends on platform.They make satellite development and requirements increasingly difficult.To solve these disadvantages,in this paper,we introduce a Space High-accuracy integrated Intelligence Payload(SHIP) system with real-time attitude and position determination.SHIP can complete real time autonomous high accuracy attitude and position determination,high resolution remote sensing imaging,high-accuracy target position based on image,multi-mode motion imaging and target identification,tracking,self-recovery function of on orbit image,self-determination function of attitude and position,and so on.     

可在轨溯源的太阳反射波段光学遥感仪器辐射定标基准传递链路

分析了现行光学遥感仪器辐射定标方法的局限性,以满足定量化遥感的精度及多数据融合比对研究的需求。设计了以空间低温辐射计为初级辐射基准,以太阳为光源,包括太阳单色仪、太阳光谱仪、传递辐射计、太阳漫反射板等组件在内的可在轨溯源的光学遥感仪器辐射定标基准传递链路。首先以低温辐射计和太阳光源建立的光谱辐射基准定标传递辐射计和太阳光谱仪;然后利用传递辐射计定标太阳漫反射板,建立对地光谱辐亮度基准;继而将基准传递至地球光谱成像仪作为对地观测标准,从而实现对其它卫星光学遥感器的交叉定标。对光学遥感仪器辐射定标基准传递链路各个环节的分析显示,辐射定标基准传递链路的测量相对不确定度为0.75%。结果表明,以此辐射基准传递链路构建覆盖我国空天一体的遥感定标网络可为建立平行于地面基准体系的空间数据质量保障体系奠定技术基础。     

基于快速视网膜局部特征的遥感图像目标识别

针对目前航天遥感图像信息复杂、数据量大,导致目标识别中特征检测准确度低、特征匹配识别时间长的问题,提出了一种基于差分加速分割角点检测算法(AGAST-Difference)和快速视网膜关键点描述算法(FREAK)相结合的目标识别方法。在特征检测阶段,建立AGAST-Difference特征检测算子,将尺度空间理论融合到加速分割角点检测算法(AGAST)中,生成具有强仿射不变性的特征点;再利用简化的FREAK采样模型描述局部特征,并构建二进制特征向量,通过计算向量间的汉明距离,完成特征匹配及目标的快速识别;最后选用美国Quick Bird卫星的遥感图片进行验证,实验结果表明,所提特征检测算子仿射不变性能较强,不仅提高了检测的可重复率,而且特征描述符区分性较强,平均匹配正确率提高了9.91%,识别用时仅为35 ms。该方法识别效率高、速度快,能够满足遥感图像实时识别的需求。     

星上控制力矩陀螺群隔振平台的应用研究

控制力矩陀螺群(Control moment gyroscopes, CMGs)作为姿态控制执行机构被广泛应用,但是自身的高频振动特性直接影响星体的姿态精度和稳定度。为能有效地提高星体的姿态精度和稳定度,通过使用六自由度隔振平台处理CMGs产生的高频振动,并对隔振平台的应用进行多任务要求下的协调性研究。建立含有隔振系统和挠性帆板的整星动力学模型,通过对模型的合理简化,得出隔振平台的传递函数特性;分析其和姿态控制系统以及挠性部件相互之间的影响,并得到隔振平台参数设计的约束指标;根据约束指标对隔振平台重要参数进行理论上的设计,并通过数值仿真验证所设计参数的合理性;将所设计的隔振平台运用到整星中,对整星姿态精度和稳定度进行预测,以分析加入隔振平台后,对整星姿态控制精度和稳定度的影响。     

连续小推力拦截卫星攻击轨道的优化

针对空间攻防中目标卫星周围由若干小卫星以编队形式绕飞的情况,研究了拦截卫星的轨道规划问题。以配备电推进的连续推力拦截卫星为对象,提出了基于遗传算法的拦截卫星攻击轨道寻优方法。以编队小卫星的动态防御模型作为环境模型,根据进攻轨道安全性和节省燃料的要求建立综合适应度函数,并对算法的编码方式、选择算子、交叉算子和变异算子进行了设计。基于MATLAB平台进行了仿真试验,结果表明,拦截卫星于650s时击中目标卫星,总开机时间为410s。提出的算法能够寻找到最优攻击路径,并且算法收敛性速度快,稳定性高。与同类的研究方法相比,该算法能够有效减少火箭开机时间,进而减轻了卫星在轨道机动过程中姿态调整的任务负荷。     

偏振场景目标探测的建模与仿真

针对用光学遥感技术探测复杂场景下的目标时,真实环境下的目标、背景反射以及大气气溶胶辐射之间具有相当大的互干扰性,本文研究了偏振场景目标的建模与仿真技术。介绍了偏振场景仿真的光学理论与偏振模型基础,对Priest-Germer模型进行了数值仿真与分析。基于Priest-Germer模型,开发了偏振视景目标探测仿真软件,给出仿真软件的设计思想和软件框架。介绍了偏振双向分布反射函数模型,给出其偏振形式的Stokes表达式并进行数值仿真分析。给出了两种目标模型分别赋予两种不同表面材质时在440nm和600nm波长辐照条件下的4组偏振仿真实验及偏振图像的灰度直方图,并进行比较和分析,结果表明:基于Priest-Germer模型的偏振仿真软件对目标、辐照波长、材质具有较高的敏感性,能够提供较好的分辨和识别能力。     

遥感图像双角度偏振大气校正仪

研制了一种双角度偏振大气校正仪航空样机用于卫星遥感图像数据的定量化。该仪器通过时间同步和空间覆盖的探测方式获取被校正图像对应的角度、光谱、偏振三个维度的大气信息,实现气溶胶和水汽的高精度参数的反演;将反演获取的大气参数作为输入条件,利用辐射传输模型进行遥感图像的高精度大气校正。仪器采用天底(0°)和前向(55°)两个方向观测,具有8个探测波段,覆盖可见到短波红外(0.49~2.25μm)波段,其中5个波段具备偏振探测能力;采用高精度一体化结构设计保证各偏振探测通道的视场重合精度,降低偏振探测目标不一致引起的偏振测量误差。实验室定标和测试结果表明,偏振波段的视场重合度优于95%,偏振测量精度优于1%(偏振度DoLP=0.3),满足仪器设计指标要求。