火星環繞器姿軌控制誤差對高分相機像質的影響

姬琪，王棟*，閆得杰，吳凡路，2，王紅園

火星環繞器姿軌控制誤差對高分相機像質的影響

姬琪1，王棟1*，閆得杰1，吳凡路1，2，王紅園1

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院月球與深空探測重點實驗室，北京 100101）

火星環繞器繞火飛行，軌道是大橢圓軌道。高分相機是火星環繞器的有效載荷之一，在其軌道上對火拍攝，其成像質量除與自身參數相關外，還與姿軌控制誤差有很大關系。為了實現對火星的高分辨率拍攝，本文對姿軌控制誤差與相機成像質量的關系進行了研究。首先，分析了火星環繞器姿軌控制對高分相機像移的影響模型；然后，利用平行光管、動態目標模擬器搭建試驗驗證平臺，通過地面測試設備仿真環繞器平臺參數。設置動態目標模擬器產生速度隨姿軌參數變化的動態目標，為相機提供拍攝目標。相機實時進行像移計算，并拍攝成像。試驗結果表明，當測軌精度不大于1 km時，測速精度不大于1 m/s時，能保證相機動態MTF值下降不超過10%。采用高精度的姿軌控制可保證高分相機在軌成像質量的要求。

火星環繞器；高分相機；姿軌控制誤差；成像質量

1 引　言

隨著我國航天事業的蓬勃興起，對宇宙的探索也逐漸從近地觀測向深空探測發展。火星探測任務是我國深空探測的重要環節，天問一號火星探測器發射升空，其任務就是通過一次發射，實現對火星環繞、在火著陸和巡視探測。天問一號的環繞器上攜帶了高分辨率相機（簡稱“高分相機”），繞火星環繞探測，獲取火星表面重點區域精細觀測圖像，開展火星表面地形地貌和地質構造等方面的研究［1-3］。

高分相機為TDI CCD相機，在高空對火面進行推掃拍攝。相機在軌工作期間，當拍攝物與相機感光面存在相對運動時，就會產生像移，導致成像模糊；只有當CCD電荷轉移速率與拍攝物在像面的運動速率相匹配，才能清晰成像。為了獲得高清圖像，需根據相機實際的軌道參數，實時進行像移補償。像移補償技術是實現高分辨率拍攝的重要環節［4-6］。

高分相機繞火運行，軌道是大橢圓軌道，環繞器在軌飛行速度和軌道高度是不斷變化的，這會引起TDI CCD相機行轉移時間，數據讀出頻率、偏流角和像移速度大小也隨之變化。針對像移補償，國內外已經進行了廣泛研究，并建立了很多像移模型及補償策略，極大地提升了相機成像質量［7-14］。

火星距離地球約在5 600萬至4億公里之間，火星探測需要在遠離地球的環境中進行超遠距離姿軌控制，其測軌精度及測速精度對照地球都有一定差距。為保證高分相機像移補償準確，獲取高清圖像，必須對姿軌控制提出相應的要求。本文對環繞器姿軌控制與像移的關系進行了分析，并開展了相關試驗進行驗證。

2 姿軌控制與像移的關系

高分相機隨著環繞器軌道的高度不同，實時進行像移補償計算。對于近圓軌道，軌道高度變化范圍較小，相應的像移速度變化范圍也較小，近似于勻速圓周運動；而對于橢圓軌道，像移速度會隨著軌道高度的變化而變化。

圖1　火星軌道示意圖

根據幾何關系可以得到：

其中：、、分別為橢圓軌道的半長軸、半短軸、半焦距。

計算得到：

火星環繞器的速度方向與瞬時圓軌道坐標X軸方向的夾角為：

火星環繞器瞬時圓軌道速度為：

火星環繞器坐標系映射到高分相機坐標系時速度存在比例關系，見圖2所示。相機焦距為f ′，軌道高度為H。

由物像關系可得高分相機像面速度為

由此可見高分相機像移速度和環繞器速度及軌道高度相關。因此，姿軌控制精度必然影響高分相機的成像質量。

3 試驗驗證

3.1　測試鏈路及原理

為驗證姿軌控制誤差對相機成像質量的影響，本文進行了相機成像試驗驗證。圖3是試驗測試鏈路。

圖3　測試鏈路

試驗設備包括平行光管、動態目標模擬器及地面測試設備。為減少氣流擾動的影響，可將相機放在真空罐內以減少環境對成像質量的影響。

動態目標模擬器的目標轉臺上刻有黑白相間的條紋，通過旋轉產生動態目標，模擬地面物體的運動。試驗時將動態目標模擬器安置在平行光管的焦面處，通過目標轉臺旋轉產生動態目標，并經平行光管投射到被測相機。

動態目標模擬器光路圖如圖4所示。

圖4　試驗光路示意圖

設動態目標模擬器目標轉臺的轉動角速度ω，通過計算可得到像面的像移速度′。

其中：′為像面的像移速度，為動態目標模擬器目標轉臺的角速度，為動態目標模擬器目標轉臺的旋轉半徑，為平行光管焦距，′為相機焦距。調節動態目標模擬器的工作角速度，可以模擬不同軌道動態目標。

環繞器當前飛行高度、姿態等軌道信息參數可以由地面測試設備仿真生成，并由1553B總線進行廣播。被測相機實時接收地面測試設備廣播的平臺姿軌參數，開始像移計算，得到TDI CCD拍攝的行頻參數，通過成像電路控制拍攝時電荷轉移時間，實現像移補償功能。地面測試設備采集高分相機圖像，并對圖像進行MTF計算，評價此次成像質量。

3.2　試驗過程及結果

假設高分相機工作在340 km軌道高度，在此條件下，高分相機進行像移計算，可得到相機拍攝行頻參數，由像元尺寸可以反推得到動態目標發生器與其匹配的轉速，見公式（9）。

動態目標模擬器實物圖見圖5。

按340 km軌道條件設置動態目標模擬器的轉速，高分相機在此條件下拍攝成像，采集圖像計算當前軌道的MTF值，以此作為基準值。

隨后保持動態目標模擬器轉速不變，地面測試設備將廣播姿軌參數中軌道誤差及速度誤差逐漸增加，高分相機在有誤差的條件下進行像移計算并拍攝，對采集的圖像進行MTF計算，MTF測試結果圖見圖6，結果見表1。

圖6　MTF測試圖

表1MTF測試結果

Tab.1　Test result of MTF

試驗結果可以看出，隨著姿軌控制誤差的逐漸增大，MTF結果逐漸變小。由表1可以得到誤差與MTF的關系，如圖7所示。當測軌精度為1 km，測速精度為1 km/s時，MTF下降約9%，圖像目視尚可接受。當測軌精度為2 km，測速精度為2 km/s時，MTF下降約13%，圖像像質逐漸變差。當測軌精度為3 km，測速精度為3 km/s時，MTF下降約19%，圖像明顯模糊。

圖7　誤差結果

因此為保證成像質量，以MTF下降不能超過10%為約束，測軌精度應保證在1 km，測速精度應保證在1 km/s范圍內。

4 結　論

本文對火星環繞器高分相機在軌成像質量與姿軌控制誤差之間的關系進行了分析，提出了試驗驗證方法，最后，給出了不同姿軌控制誤差下的MTF測試結果。實驗結果證明：隨著測軌精度下降，成像質量相應下降。當測軌精度在1 km，測速精度在1 km/s范圍內時，可保證高分相機成像質量，滿足在軌使用要求。

［1］ 李春來，劉建軍，耿言，等. 中國首次火星探測任務科學目標與有效載荷配置［J］. 深空探測學報， 2018， 5（5）： 406-413.

LI C L， LIU J J， GENG Y，. Scientific objectives and payload configuration of China's first Mars exploration mission［J］.， 2018， 5（5）： 406-413.（in Chinese）

［2］ 朱巖，白云飛，王連國，等. 中國首次火星探測工程有效載荷總體設計［J］. 深空探測學報， 2017， 4（6）： 510-514， 534.

ZHU Y， BAI Y F， WANG L G，. Integral technical scheme of payloads system for Chinese Mars-1 exploration［J］.， 2017， 4（6）： 510-514， 534.（in Chinese）

［3］ 孟慶宇，付中梁，董吉洪，等. 火星探測高分辨率可見光相機光學系統設計［J］. 深空探測學報， 2018， 5（5）： 458-464.

MENG Q Y， FU Z L， DONG J H，. The optical system design of the high-resolution visible spectral camera for China Mars exploration［J］.， 2018， 5（5）： 458-464.（in Chinese）

［4］ 孫雪晨，呂恒毅，薛旭成，等. 高分辨力遙感相機CCD采樣位置自適應補償技術［J］. 光學精密工程， 2020， 28（4）： 973-978.

SUN X C， Lü H Y， XUE X C，. Adaptive compensation technique for CCD signal sampling positions in high-resolution remote sensing cameras［J］.， 2020， 28（4）： 973-978.（in Chinese）

［5］ 李永昌，金龍旭，李國寧，等. 寬視場遙感相機像移速度模型及補償策略［J］. 武漢大學學報·信息科學版， 2018， 43（8）： 1278-1286.

LI Y C， JIN L X， LI G N，. Image motion velocity model and compensation strategy of wide-field remote sensing camera［J］.， 2018， 43（8）： 1278-1286.（in Chinese）

［6］ 徐力智，顏昌翔，李頤，等. 航空擺掃成像像移計算與誤差分配［J］. 光學精密工程， 2019， 27（10）： 2071-2079.

XU L Z， YAN C X， LI Y，. Image motion calculation and error distribution for aerial whisk-broom imaging［J］.， 2019， 27（10）： 2071-2079.（in Chinese）

［7］ REN H， HU T T. Driving circuitry of a full-frame area array charge-coupled device （CCD） supporting multiple output modes and electronic image motion compensation［J］.， 2020， 48（5）： 481-504.

［8］ 路朋羅，李永昌，金龍旭，等. 大視場空間相機的像移速度場模型及衛星三軸姿態穩定度分析［J］. 光學精密工程， 2016， 24（9）： 2173-2182.

LU P L， LI Y C， JIN L X，. Image motion velocity field model of space camera with large field and analysis on three-axis attitude stability of satellite［J］.， 2016， 24（9）： 2173-2182.（in Chinese）

［9］ 武星星，劉金國. 基于地球橢球的空間相機側擺攝影像移補償［J］. 光學精密工程， 2014， 22（2）： 351-359.

WU X X， LIU J G. Image motion compensation of scroll imaging for space camera based on earth ellipsoid［J］.， 2014， 22（2）： 351-359.（in Chinese）

［10］ 王正璽，張葆，李賢濤，等. 快速反射鏡在像移補償中的應用［J］. 中國光學， 2020， 13（1）： 95-105.

WANG Z X， ZHANG B， LI X T，. Application of fast steering mirror in image motion compensation［J］.， 2020， 13（1）： 95-105.（in Chinese）

［11］ 武星星，劉金國，周懷得. 應用地球橢球的大視場空間相機像移補償［J］. 光學學報， 2013， 33（5）： 280-286.

WU X X， LIU J G， ZHOU H D. Image motion compensation of space camera with large field of view using earth ellipsoid［J］.， 2013， 33（5）： 280-286.（in Chinese）

［12］ 朱俊青，沙巍，陳長征，等. 大口徑空間相機像質的微振動頻率響應計算［J］. 光學精密工程， 2016， 24（5）： 1118-1127.

ZHU J Q， SHA W， CHEN C Z，. Frequency response of imaging quality by micro-vibration for large-aperture space-borne telescope［J］.， 2016， 24（5）： 1118-1127.（in Chinese）

［13］ 呂恒毅，薛旭成，趙運隆，等. 空間光學相機在乃奎斯特頻率處的調制傳遞函數測試與實驗［J］. 光學精密工程， 2015， 23（5）： 1484-1489.

Lü H Y， XUE X C， ZHAO Y L，. Measurement and experiment of modulation transfer function at Nyquist frequency for space optical cameras［J］.， 2015， 23（5）： 1484-1489.（in Chinese）

［14］ 王密，朱映，范城城. 高分辨率光學衛星影像平臺震顫幾何精度影響分析與處理研究綜述［J］. 武漢大學學報·信息科學版， 2018， 43（12）： 1899-1908.

WANG M， ZHU Y， FAN C C. Development of platform jitter geometric analysis and processing for high-resolution optical satellite imagery［J］.， 2018， 43（12）： 1899-1908.（in Chinese）

Influence of attitude and orbit control error of Mars orbiter on image quality of high-resolution camera

JI Qi1，WANG Dong1*，YAN Dejie1，WU Fanlu1，2，WANG Hongyuan1

（1，，，130033，；2，，100101，），：

The Mars orbiter orbits around Mars in a large elliptical orbit. Its high-resolution camera acts as one of the payloads of the Mars orbiter， and captures images of Mars from its orbit. The imaging quality of the camera is not only related to its own parameters， but also to the attitude and orbit control error. To realize high-resolution photography of Mars， the relationship between attitude and orbit control error and camera imaging quality is investigated in this study. First， the influence model of attitude and orbit control of the platform and image motion calculation of the high-resolution camera was analyzed. Then， the platform for the experiment and verification was built using a collimator and dynamic target simulator. The parameters of the orbit and satellite platform were simulated using ground simulation software， and the parameters were injected into the dynamic target simulator and high-resolution camera. The dynamic target simulator can generate the dynamic target， which is used as the shooting target by the camera， and the velocity of the target varies with the attitude and orbit parameters. The camera performs image motion calculation on real-time and imaged according to the image motion compensation parameters. The experimental results indicate that the dynamic MTF of the camera can be reduced by less than 10% when the orbit accuracy is less than 1 km and velocity accuracy is less than 1 m/s. High-precision attitude and orbit control can guarantee the imaging quality of the high-resolution camera.

Mars orbiter； high-resolution camera； attitude and orbit control error； imaging quality

V476.4；V445.8

A

10.37188/OPE.20223002.0185

姬琪（1978），男，山西太原人，碩士，副研究員，碩士生導師，2002年于天津大學獲得學士學位，2007年于中國科學院研究生院獲得碩士學位，主要從事空間遙感器測試與仿真技術等方面的研究。E-mail：jiqi@ciomp.ac.cn

王棟（1979），男，山西陽泉人，博士，研究員，碩士生導師，2002年于長春理工大學獲得學士學位，2007年于中國科學院研究生院獲得博士學位，主要從事空間光學遙感器總體設計、空間電子學總體設計、數字圖像處理等方面的研究。E-mail：wangd@ciomp.ac.cncn

1004-924X（2022）02-0185-06

2020-09-25；

2020-11-20.

中國科學院月球與深空探測重點實驗室開放基金資助項目（No.LDSE201901）；國家自然科學基金青年科學基金項目（No.42001345，No.61805001）