卫星对地观测中的侧摆策略

贾志军，杨敏，孙洋，何爱林

(1.海司信息化部，北京100000; 2.海军工程大学电子工程学院，武汉430033;3.92956部队，辽宁116041)

卫星对地观测中的侧摆策略

贾志军1，杨敏2，孙洋3，何爱林2

(1.海司信息化部，北京100000; 2.海军工程大学电子工程学院，武汉430033;3.92956部队，辽宁116041)

针对具有侧摆能力的对地观测卫星，在介绍卫星对地覆盖能力的基础上，给出了非星下点处可见目标观测所需侧摆角度的计算方法，分析了在应用侧摆角度时应该采用的最佳策略。

侧摆;对地观测;覆盖能力

对地观测卫星是利用星载微波和光学遥感器，对用户关注的地面目标进行成像观测。其具有对地观测效果好、覆盖区域广、不受空域国界限制、持续时间长等特点，已在环境监测、灾害预报、测绘勘探、资源普查、科学实验以及军事作战等诸多领域带来巨大的经济效益和军事价值。

为了扩大对地观测范围，通常在星上采用侧摆成像技术，使得星载设备可在垂直于星下点轨迹的方向进行侧摆观测，增大了非星下点处地面目标观测的可能。通过预先上注合理的侧摆指令进行侧摆角度设置，可以使卫星在目标可见时段内延长观测时间、增大覆盖率，从而提高卫星对地观测效率。本文在确定卫星对地覆盖范围的基础上，给出了目标可见时段内观测所需侧摆角度的计算方法，并讨论了在任务规划中，多目标观测侧摆角度应用的最佳策略。

1 星载遥感器的覆盖能力

对于具有侧摆能力的卫星而言，轨道上任意一点对地面的覆盖能力是指星载遥感器视场角与最大侧摆角度相结合后能够观测的地面范围。同时也要说明，卫星实际观测瞬时范围并不等于卫星的观测能力，而只是其中一部分。

如图1所示，设卫星某时刻t的瞬时轨道高度为h，相应星下点为S′，星载遥感器的侧摆角度为β，视场角为FOV，故卫星对地覆盖角度为β+FOV/2。假设地球是一半径为Re的均匀圆球体，卫星距地心距离SOe=h+Re，计算此时弧段AS′对应的地心覆盖角φ为

由地心覆盖角可得覆盖幅宽为

图2为侧摆角度βmax=30°，视场角FOV=5°时W2AS′= 2AS′随卫星轨道高度变化的情况，可以看出其随卫星轨道高度的增大而增大，虽然这样能够增大观测目标的可见机会，但是会影响对地观测分辨率的要求。

图1 卫星对地覆盖幅宽示意图

图2 轨道高度与对地观测幅宽的相互关系

2 侧摆角度的计算

侧摆角度定义为星载遥感器沿垂直轨道方向转动而偏离星地连线的角度。由第2节可得卫星可观测范围，欲判断地面目标是否可见可将地面目标统一看成点目标，采用点的包含性检验来判断是否可见，进而判断是否采取需要侧摆。

图1中，假设目标点位于B(λ，φ)，过B点作垂直于卫星星下点轨迹的垂线，并与其交于S′(λs，φs)。首先计算出目标点B与卫星星下点S′的弧长BS′［2］，采用基于球面三角学的大圆距离求解算法，通常有:①弧度为1分的弧长距离是1海里;②1海里等于1.852 km。则BS′为

则地心覆盖角∠BOeS为

在三角形BOeS中侧摆角度∠β为

通过轨道预报得到卫星的星下点轨迹，进行目标可见判断和侧摆角度的计算，在卫星经过地面站时进行上注测控指令，使得卫星能够对侦察目标进行有效观测。

3 多目标观测

多目标观测时，视场角中心对准目标观测效率过低，可以利用多个目标的观测角差值在一定范围内的特点，将同时纳入卫星瞬时观测范围的目标进行合成观测，从而达到最大收益。但是多目标观测受到诸多因素的影响，例如星载遥感器的侧摆次数、最大开机时间、视场角大小、侧摆速率、侧摆稳定时间以及目标观测优先级等。文献［3］中给出了基于多约束的多目标合成任务侧摆角度的计算方法，根据最大开机时间Δt以及视场角Δa约束，建立以时序排列的任意两目标作为起止节点的合成任务矩阵CAij，具体步骤如下:

2)得到CAij的取值范围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∈为侧摆角时可观测目标的最大收益，并记录于CAij;

其中:ai为目标观测角度;si为观测开始时刻;ei为结束时刻;||为表示集合A划分区间的个数。该算法将合成任务节点间的目标观测角度作为临界值依次搜索，将最优摆角从连续空间转变为离散空间，实现了快速搜索并降低了复杂度。但是在最优角度计算中会出现临界情况，例如其实例中观测目标侧摆角度集合为［－13.45°－16.38°－17.32°－17.98°］，按上述步骤计算合成观测角度为－16.45°，在视场半角为3°时－13.45°处于覆盖边沿，如图3所示。对于载荷性能较差，卫星在轨运行受到干扰较为严重的情形，就会使得合成观测失去意义。

图3 覆盖临界情况

为此可以在步骤3)中记录满足最大收益的目标观测角度为集合gk，由于每个目标点满足覆盖的角度约束是各观测角度anglei均在以合成观测角度为中心的Δa/2内，即

通过将gk中的每个观测角度进行扩展为bi，然后求交集得到集合Bk

这样就得到了合成任务的最优侧摆角度集合，通过取中值得到所需结果

4 M atlab与STK联合仿真

复杂航天任务的仿真分析依托STK本身无法独立完成，必须通过其与外部软件的接口开展。STK提供了与Matlab的接口模块［4］，依靠Matlab灵活的编程建模能力，结合STK强大的轨道计算功能，即可完成对复杂任务的建模和仿真分析。本文利用Matlab通过Mex－Connect直接使用STK/Connect指令，将STK产生的卫星动态位置、目标访问起止时间和是否可见等数据发送到Matlab，作为构建模型的必要输入条件。

4.1 数据获取

用于建立卫星Satellite与目标Target的可见分析结果以及卫星动态位置的执行指令如下:

［AccData，AccName］=stkAccReport(Satellite，Target，‘Access’);

［secData，secName］=stkAccReport(Satellite，‘LLA Position’，Start_time，Stop_time，Dt);

其中，Access用于两对象的可见性分析，LLA Position用于获取卫星在以Start_time和Stop_time为起止时间并以Dt为时间间隔的地理位置信息。AccData存储卫星与地面目标可见的相关信息，secData存储卫星某时段内的地理坐标信息。

4.2 仿真结果

建立仿真场景，并加载1颗卫星配置视场角为6°、侧摆能力为45°的光学遥感器，添加10个地面目标，利用上述指令及第3节中侧摆角度计算方法可得目标可见详情如表1所示。

由表1可知，10个待观测目标中只有8个目标可见，并按时序排列依次编号，由此计算得到其合成角度矩阵为

可以看出合成角度矩阵上三角部分非零数值较少，即可进行合成观测的机会较少，主要由于观测目标的地理分布较为分散，并且星上载荷性能限制等原因。

表1 可见观测目标

5 结束语

本文针对具有侧摆能力的对地观测卫星，分析了其对地覆盖能力，给出了针对可见目标的侧摆角度的计算方法，并讨论了多任务观测时的合成观测方法并加以改进，保证目标合成观测的可靠性。最后通过Matlab与STK连接进行实例仿真。为卫星任务规划侧摆策略的应用提供了参考。

［1］孙洋，徐慨，张静，等.对地观测小卫星的轨道设计及目标覆盖仿真［J］.四川兵工学报，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，贺仁杰，李菊芳，等.卫星单轨任务合成观测问题及其动态规划算法［J］.系统工程与电子技术，2009，31(7):1738－1742.

［4］丁溯泉，张波，刘世勇.STK在航天任务仿真分析中的应用［M］.北京:国防工业出版社，2011.

(责任编辑杨继森)

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:贾志军，杨敏，孙洋，等.卫星对地观测中的侧摆策略［J］.四川兵工学报，2014(7):128－130.

10.11809/scbgxb2014.07.036

2014－03－16

贾志军(1965—)，男，高级工程师，主要从事卫星通信研究。

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