推扫CCD相机对地观测卫星的轨道设计

韩 旭

(上海卫星工程研究所,上海 200240)

0 引言

CCD相机具有图像直观、分辨率高、灵敏度高、功耗低、体积小、质量轻、寿命长和可靠性高等特点,广泛用于光学遥感卫星[1、2]。太阳同步回归轨道卫星的太阳照射角稳定,太阳能源接收量和同纬度星下点的地方平太阳时周年变化小,回归观测呈现周期性,常用于资源探测、海洋监测和气象预报等[3]。因此,搭载CCD相机的太阳同步回归轨道卫星成为研究的热点。对光学对地遥感卫星来说,最重要的指标是目标点的像元分辨率和对地幅宽,制约这两个指标的直接因素是轨道高度,而对太阳同步轨道,轨道高度确定后倾角也随之而定。

为此,本文对推扫CCD相机的对地观测卫星轨道(高度)设计进行了研究。

1 轨道高度范围选择

1.1 地面像元分辨率与轨道

地面像元分辨率随卫星高度而各异。为使卫星在各纬度地区有近似相同的分辨率,卫星的地面高度应尽可能保持不变,因此需采用偏心率非常小的近圆形轨道。

对相机视轴指向的目标地面像元分辨率KGSD来说,成立

式中：KGSDt,KGSDr分别为目标地面像元的沿轨和垂轨分辨率;a1,f分别为相机像元尺寸和焦距;H为轨道高度;θ1为相机前视离轴角。由式(1)、(2)可知：当轨道高度增大时,地面像元分辨率(沿轨、垂轨)均将会呈线性降低,如要求相机星下点地面像元分辨率指标为KGSD≤8 m,此时θ1=0°,则可算得H≤1 828.6 km。

1.2 成像幅宽与轨道

对地观测卫星常有特定的目标要求,幅宽越大,采集的信息就越多。一般极轨卫星覆盖的纬度范围大,可实现全球无盲点观测;相机视场角越大,瞬时获得的幅宽就越大;轨道高度越高,观测范围也越大。相机幅宽与轨道高度的关系如图1所示。

图1 卫星高度与幅宽关系Fig.1 Orbital altitude with width

地幅宽与H的关系可表示为

式中：θ为半幅宽对应的圆心角;α为相机视场角,本文取α=11°;Re为地球半径。若为满足相机幅宽不小于230 km的要求,则要求H≥1 193.2 km。

1.3 相机行频与轨道

推扫相机行频是指相机每秒推扫的行数,是由像移速度计算获得。根据轨道高度可算出相机对应的行频。相机地面像元分辨率在沿轨及垂轨(行频在卫星速度方向和与速度垂直方向上的分解)时,相机行频与轨道的关系可表示为

式中：Ft,Fr分别为沿轨和垂轨相机行频;μ为地球引力常数。沿轨及垂轨状态下不同卫星轨道高度的行频分别如图2、3所示。由图可知：相机行频是H的单调递减函数,H越高,相机行频越低,反之亦然。

将轨道高度代入式(4)、(5),可得沿轨和垂轨状态的行频见表1。由表可知：满足H在1 193.2～1 828.6 km范围的相机行频应为0.6～1.2 k Hz。

行频越高,图像数据量就越大。受卫星数据存储和下传能力限制,卫星行频须小于1.1 k Hz,则由式(4)、(5)反解出该行频对应的H=1 248.561 km。因此,从相机和数传的使用角度来说,应选择H=1 248.561～1 828.6 km。

图2 不同卫星轨道高度的行频(沿轨)Fig.2 Linefrequency(flight direction)with various orbital altitude

图3 不同卫星轨道高度的行频(垂轨)Fig.3 Line frequency(vertical direction)with various orbital altitude

表1 不同轨道高度的行频Tab.1 Line frequency with various orbital altitude

2 太阳同步回归轨道选择

对以南北纬70°间的纬度带为对地观测的重点的太阳同步轨道,倾角一般选择约100°。对近圆太阳同步轨道,成立

式中：i,a,Ω分别为轨道倾角、半长轴和升交点赤经[4]。

利用轨道回归特性,可实现对地观测卫星对同一地区的周期性往复观察和监测。在1个回归周期内,地面相邻轨迹的间距应小于相机瞬时幅宽。计算表明,仅当回归周期大于5 d时,H才满足大于1 193.2 km的要求(满足相机瞬时幅宽230 km);仅当回归周期大于28 d时,H 才满足大于1 248.561 km的要求。不同回归周期的H和地面轨迹间距分别如图4、5所示。由图可知：回归周期越短,H就越小,相邻的轨迹间距越大,而分辨率可提高。因此,设计取H=1 248.6 km,i=100.66°,回归周期为29 d,相邻轨迹间距为106 km(小于230 km)。

图4 不同回归周期的HFig.4 Latitude with various tropical period

图5 不同回归周期的地面轨迹间距Fig.5 Ground track interval with various tropical period

3 星下点地面光照条件分析

对CCD成像卫星来说,地面成像目标的太阳光照角直接决定了成像的质量,因此本文对所设计轨道的星下点地面光照角(天底太阳角的余角)进行分析。成立

式中：η为天底太阳角;S为太阳矢量;B为星下点的位置矢量;φ为星下点纬度;δs为赤纬;′为降交点的平太阳角;ΩC为星下点经度圈与赤道的交点与降交点的经度差[5]。星下点地面光照角γ=90°-η。

对本文设计的轨道进行分析。1 d中不同纬度的星下点地面光照角如图6所示,1年中不同时间各纬度地面光照角如图7所示,1年中各纬度地面光照角满足15°～60°(成像条件最佳)条件的天数如图8所示。图中：正、负纬度分别表示北纬和南纬;光照角为负值表示卫星星下点进入阴影区,降交点地方时取上午10：00。由图6～8可知：地面光照角在0°～60°范围内变化;高纬度地区的光照条件差于低纬度地区;在南北回归线内可实现全年成像,可成像的天数随纬度增高而递减;可实现对我国国土的全年成像。

图6 1 d中不同纬度的地面光照角Fig.6 Solar altitudewith various latitude in 1 day

图7 1年中各纬度的地面光照角Fig.7 Solar altitudewith different latitudes in 1 year

图8 1年中各纬度段地面光照角为15°～60°的天数Fig.8 Days of solar altitude between 15°and 60°in 1 year

4 结束语

本文根据推扫相机成像特点分析了轨道高度与相机行频和地面像元分辨率的关系,结合太阳同步回归轨道的特性,设计了推扫CCD相机对地观测卫星的轨道,并进行了地面目标光照条件分析。结果表明：该轨道设计合理,可满足全球特别是对我国国土观测的使用需要。

[1]杨雪梅.CBERS-1卫星CCD相机像元实地分辨能力的测量及辐射特性浅析[J].航天返回与遥感,2002,23(4)：47-51.

[2]兰丽艳,黄 颖.商业高分辨率遥感卫星及其在测绘中的应用[J].北京测绘,2003(4)：40-44.

[3]于绍华,杨林娜.对地观测卫星太阳同步轨道的快速设计方法[J].上海航天,2002,19(2)：5-7.

[4]章仁为.卫星轨道姿态动力学与控制[M].北京：北京航空航天大学出版社,2005.

[5]陈世平.空间相机设计与试验[M].北京：中国宇航出版社,2003.