推掃CCD相機對地觀測衛星的軌道設計

韓 旭

(上海衛星工程研究所,上海 200240)

0 引言

CCD相機具有圖像直觀、分辨率高、靈敏度高、功耗低、體積小、質量輕、壽命長和可靠性高等特點,廣泛用于光學遙感衛星[1、2]。太陽同步回歸軌道衛星的太陽照射角穩定,太陽能源接收量和同緯度星下點的地方平太陽時周年變化小,回歸觀測呈現周期性,常用于資源探測、海洋監測和氣象預報等[3]。因此,搭載CCD相機的太陽同步回歸軌道衛星成為研究的熱點。對光學對地遙感衛星來說,最重要的指標是目標點的像元分辨率和對地幅寬,制約這兩個指標的直接因素是軌道高度,而對太陽同步軌道,軌道高度確定后傾角也隨之而定。

為此,本文對推掃CCD相機的對地觀測衛星軌道(高度)設計進行了研究。

1 軌道高度范圍選擇

1.1 地面像元分辨率與軌道

地面像元分辨率隨衛星高度而各異。為使衛星在各緯度地區有近似相同的分辨率,衛星的地面高度應盡可能保持不變,因此需采用偏心率非常小的近圓形軌道。

對相機視軸指向的目標地面像元分辨率KGSD來說,成立

式中：KGSDt,KGSDr分別為目標地面像元的沿軌和垂軌分辨率;a1,f分別為相機像元尺寸和焦距;H為軌道高度;θ1為相機前視離軸角。由式(1)、(2)可知：當軌道高度增大時,地面像元分辨率(沿軌、垂軌)均將會呈線性降低,如要求相機星下點地面像元分辨率指標為KGSD≤8 m,此時θ1=0°,則可算得H≤1 828.6 km。

1.2 成像幅寬與軌道

對地觀測衛星常有特定的目標要求,幅寬越大,采集的信息就越多。一般極軌衛星覆蓋的緯度范圍大,可實現全球無盲點觀測;相機視場角越大,瞬時獲得的幅寬就越大;軌道高度越高,觀測范圍也越大。相機幅寬與軌道高度的關系如圖1所示。

圖1 衛星高度與幅寬關系Fig.1 Orbital altitude with width

地幅寬與H的關系可表示為

式中：θ為半幅寬對應的圓心角;α為相機視場角,本文取α=11°;Re為地球半徑。若為滿足相機幅寬不小于230 km的要求,則要求H≥1 193.2 km。

1.3 相機行頻與軌道

推掃相機行頻是指相機每秒推掃的行數,是由像移速度計算獲得。根據軌道高度可算出相機對應的行頻。相機地面像元分辨率在沿軌及垂軌(行頻在衛星速度方向和與速度垂直方向上的分解)時,相機行頻與軌道的關系可表示為

式中：Ft,Fr分別為沿軌和垂軌相機行頻;μ為地球引力常數。沿軌及垂軌狀態下不同衛星軌道高度的行頻分別如圖2、3所示。由圖可知：相機行頻是H的單調遞減函數,H越高,相機行頻越低,反之亦然。

將軌道高度代入式(4)、(5),可得沿軌和垂軌狀態的行頻見表1。由表可知：滿足H在1 193.2～1 828.6 km范圍的相機行頻應為0.6～1.2 k Hz。

行頻越高,圖像數據量就越大。受衛星數據存儲和下傳能力限制,衛星行頻須小于1.1 k Hz,則由式(4)、(5)反解出該行頻對應的H=1 248.561 km。因此,從相機和數傳的使用角度來說,應選擇H=1 248.561～1 828.6 km。

圖2 不同衛星軌道高度的行頻(沿軌)Fig.2 Linefrequency(flight direction)with various orbital altitude

圖3 不同衛星軌道高度的行頻(垂軌)Fig.3 Line frequency(vertical direction)with various orbital altitude

表1 不同軌道高度的行頻Tab.1 Line frequency with various orbital altitude

2 太陽同步回歸軌道選擇

對以南北緯70°間的緯度帶為對地觀測的重點的太陽同步軌道,傾角一般選擇約100°。對近圓太陽同步軌道,成立

式中：i,a,Ω分別為軌道傾角、半長軸和升交點赤經[4]。

利用軌道回歸特性,可實現對地觀測衛星對同一地區的周期性往復觀察和監測。在1個回歸周期內,地面相鄰軌跡的間距應小于相機瞬時幅寬。計算表明,僅當回歸周期大于5 d時,H才滿足大于1 193.2 km的要求(滿足相機瞬時幅寬230 km);僅當回歸周期大于28 d時,H 才滿足大于1 248.561 km的要求。不同回歸周期的H和地面軌跡間距分別如圖4、5所示。由圖可知：回歸周期越短,H就越小,相鄰的軌跡間距越大,而分辨率可提高。因此,設計取H=1 248.6 km,i=100.66°,回歸周期為29 d,相鄰軌跡間距為106 km(小于230 km)。

圖4 不同回歸周期的HFig.4 Latitude with various tropical period

圖5 不同回歸周期的地面軌跡間距Fig.5 Ground track interval with various tropical period

3 星下點地面光照條件分析

對CCD成像衛星來說,地面成像目標的太陽光照角直接決定了成像的質量,因此本文對所設計軌道的星下點地面光照角(天底太陽角的余角)進行分析。成立

式中：η為天底太陽角;S為太陽矢量;B為星下點的位置矢量;φ為星下點緯度;δs為赤緯;′為降交點的平太陽角;ΩC為星下點經度圈與赤道的交點與降交點的經度差[5]。星下點地面光照角γ=90°-η。

對本文設計的軌道進行分析。1 d中不同緯度的星下點地面光照角如圖6所示,1年中不同時間各緯度地面光照角如圖7所示,1年中各緯度地面光照角滿足15°～60°(成像條件最佳)條件的天數如圖8所示。圖中：正、負緯度分別表示北緯和南緯;光照角為負值表示衛星星下點進入陰影區,降交點地方時取上午10：00。由圖6～8可知：地面光照角在0°～60°范圍內變化;高緯度地區的光照條件差于低緯度地區;在南北回歸線內可實現全年成像,可成像的天數隨緯度增高而遞減;可實現對我國國土的全年成像。

圖6 1 d中不同緯度的地面光照角Fig.6 Solar altitudewith various latitude in 1 day

圖7 1年中各緯度的地面光照角Fig.7 Solar altitudewith different latitudes in 1 year

圖8 1年中各緯度段地面光照角為15°～60°的天數Fig.8 Days of solar altitude between 15°and 60°in 1 year

4 結束語

本文根據推掃相機成像特點分析了軌道高度與相機行頻和地面像元分辨率的關系,結合太陽同步回歸軌道的特性,設計了推掃CCD相機對地觀測衛星的軌道,并進行了地面目標光照條件分析。結果表明：該軌道設計合理,可滿足全球特別是對我國國土觀測的使用需要。

[1]楊雪梅.CBERS-1衛星CCD相機像元實地分辨能力的測量及輻射特性淺析[J].航天返回與遙感,2002,23(4)：47-51.

[2]蘭麗艷,黃 穎.商業高分辨率遙感衛星及其在測繪中的應用[J].北京測繪,2003(4)：40-44.

[3]于紹華,楊林娜.對地觀測衛星太陽同步軌道的快速設計方法[J].上海航天,2002,19(2)：5-7.

[4]章仁為.衛星軌道姿態動力學與控制[M].北京：北京航空航天大學出版社,2005.

[5]陳世平.空間相機設計與試驗[M].北京：中國宇航出版社,2003.