本文關(guān)鍵詞：敏捷衛(wèi)星靈巧多模式成像設(shè)計(jì)與研究　出處：《中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：隨著世界航天事業(yè)的不斷發(fā)展,衛(wèi)星的時(shí)間分辨率、空間分辨率、成像效率、響應(yīng)能力以及成像幅寬都被提出了更高的要求。由于具有三軸靈活的機(jī)動(dòng)能力和快速高效的成像特點(diǎn),敏捷衛(wèi)星已經(jīng)成為航天高分辨率衛(wèi)星發(fā)展的新方向,廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)、林業(yè)、水利,災(zāi)害等各個(gè)領(lǐng)域,軍事上也發(fā)揮著不可替代的重要作用。敏捷成像是指為了適應(yīng)軍事和民用上的各種需求,衛(wèi)星姿態(tài)與空間相機(jī)互相協(xié)同配合,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多樣靈活的對(duì)地成像模式。它是空間遙感技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物。特別是近些年來,衛(wèi)星成像能力與成像任務(wù)需求都在增多,傳統(tǒng)的成像模式已經(jīng)完全不能滿足衛(wèi)星的發(fā)展,因此作為提高衛(wèi)星在軌效能的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),我們有必要針對(duì)特殊成像需求設(shè)計(jì)多種新穎的靈巧成像模式,并在地面深入分析和驗(yàn)證每種成像模式的可行性和有效性。本文針對(duì)星上光學(xué)載荷視場(chǎng)有限但成像需求面積大,凝視視場(chǎng)窄而目標(biāo)運(yùn)動(dòng)快,晨昏太陽高度角小而持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等三個(gè)問題分別開展研究,探索解決問題的新穎成像模式。首先介紹了TDI CCD和CMOS相機(jī)的結(jié)構(gòu)和成像工作原理,比較了二者各自的優(yōu)缺點(diǎn);對(duì)衛(wèi)星成像任務(wù)觀測(cè)窗口進(jìn)行了預(yù)規(guī)劃,計(jì)算了目標(biāo)最佳觀測(cè)時(shí)間點(diǎn),給出了對(duì)地觀測(cè)時(shí)間窗口的篩選過程和裁剪算法。然后依據(jù)衛(wèi)星成像模式設(shè)計(jì)需求定義相關(guān)參考坐標(biāo)系,給出衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,推導(dǎo)了成像過程中衛(wèi)星實(shí)時(shí)指向的三軸姿態(tài)角。結(jié)合成像特性搭建適用于任意成像模式的廣義像移補(bǔ)償模型,給出星載智能協(xié)同控制補(bǔ)償?shù)木唧w策略。針對(duì)新穎成像的需求改進(jìn)和設(shè)計(jì)了多種衛(wèi)星成像模式。第一針對(duì)傳統(tǒng)成像模型的不足提出一種基于一定條帶重疊率的條帶劃分方法,考慮了地球?yàn)闄E球體的實(shí)際情況;第二設(shè)計(jì)了微光條件下的自適應(yīng)凝視曝光模式,通過建立衛(wèi)星對(duì)地實(shí)時(shí)凝視跟蹤數(shù)學(xué)模型,搭建矢量映射的速度匹配曝光成像關(guān)系,分析了一定姿態(tài)控制精度下滿足敏捷衛(wèi)星微光成像的曝光周期;第三為擴(kuò)大凝視區(qū)域,基于高分辨率CMOS傳感器設(shè)計(jì)了鐘擺式搜索成像模式。通過長(zhǎng)條帶逐層區(qū)域劃分和成像重疊率漸近變化構(gòu)建,計(jì)算了鐘擺式搜索成像參數(shù)和衛(wèi)星實(shí)時(shí)指向姿態(tài),并利用多次小幅逼近的PD控制器分析了該成像模式的姿態(tài)控制精度與像移失配量,達(dá)到了對(duì)長(zhǎng)條帶區(qū)域凝視成像的目的。搭建了Simulink全鏈路數(shù)學(xué)模型和STK仿真成像模型,結(jié)合衛(wèi)星軌道動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、成像模式算法和STK實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)進(jìn)行全鏈路數(shù)學(xué)仿真分析。設(shè)計(jì)參數(shù)采用吉林一號(hào)衛(wèi)星姿軌參數(shù),通過分析成像目標(biāo)特性、大氣擾動(dòng)以及星上光機(jī)電的映射關(guān)系,為實(shí)現(xiàn)敏捷多模式成像理論的工程應(yīng)用,仿真分析新型多模式成像對(duì)應(yīng)的高精度多自由度姿態(tài)控制,驗(yàn)證其正確性。分析了衛(wèi)星在軌成像原理,闡述了地面驗(yàn)證試驗(yàn)及等比縮放的必要性。設(shè)計(jì)了等比縮放系統(tǒng),地面仿真演示系統(tǒng)包括曲面LED地球動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬系統(tǒng)、三軸氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)、高分辨率成像相機(jī)系統(tǒng)等。然后利用地面物理成像仿真系統(tǒng)針對(duì)三種新穎成像模式進(jìn)行了相關(guān)的仿真試驗(yàn)成像,得到了較好的成像試驗(yàn)結(jié)果。本文提出的多種敏捷衛(wèi)星靈巧成像模式和地面等比縮放仿真驗(yàn)證平臺(tái)可為敏捷衛(wèi)星提高在軌成像應(yīng)用效能提供理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：V445.8

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