韓 旭

(上海衛(wèi)星工程研究所,上海 200240)

0 引言

CCD相機(jī)具有圖像直觀、分辨率高、靈敏度高、功耗低、體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)和可靠性高等特點(diǎn),廣泛用于光學(xué)遙感衛(wèi)星[1、2]。太陽(yáng)同步回歸軌道衛(wèi)星的太陽(yáng)照射角穩(wěn)定,太陽(yáng)能源接收量和同緯度星下點(diǎn)的地方平太陽(yáng)時(shí)周年變化小,回歸觀測(cè)呈現(xiàn)周期性,常用于資源探測(cè)、海洋監(jiān)測(cè)和氣象預(yù)報(bào)等[3]。因此,搭載CCD相機(jī)的太陽(yáng)同步回歸軌道衛(wèi)星成為研究的熱點(diǎn)。對(duì)光學(xué)對(duì)地遙感衛(wèi)星來(lái)說(shuō),最重要的指標(biāo)是目標(biāo)點(diǎn)的像元分辨率和對(duì)地幅寬,制約這兩個(gè)指標(biāo)的直接因素是軌道高度,而對(duì)太陽(yáng)同步軌道,軌道高度確定后傾角也隨之而定。

為此,本文對(duì)推掃CCD相機(jī)的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星軌道(高度)設(shè)計(jì)進(jìn)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(wèi)星高度而各異。為使衛(wèi)星在各緯度地區(qū)有近似相同的分辨率,衛(wèi)星的地面高度應(yīng)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(duì)相機(jī)視軸指向的目標(biāo)地面像元分辨率KGSD來(lái)說(shuō),成立

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

1.2 成像幅寬與軌道

對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星常有特定的目標(biāo)要求,幅寬越大,采集的信息就越多。一般極軌衛(wèi)星覆蓋的緯度范圍大,可實(shí)現(xiàn)全球無(wú)盲點(diǎn)觀測(cè);相機(jī)視場(chǎng)角越大,瞬時(shí)獲得的幅寬就越大;軌道高度越高,觀測(cè)范圍也越大。相機(jī)幅寬與軌道高度的關(guān)系如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星高度與幅寬關(guān)系Fig.1 Orbital altitude with width

地幅寬與H的關(guān)系可表示為

式中：θ為半幅寬對(duì)應(yīng)的圓心角;α為相機(jī)視場(chǎng)角,本文取α=11°;Re為地球半徑。若為滿足相機(jī)幅寬不小于230 km的要求,則要求H≥1 193.2 km。

1.3 相機(jī)行頻與軌道

推掃相機(jī)行頻是指相機(jī)每秒推掃的行數(shù),是由像移速度計(jì)算獲得。根據(jù)軌道高度可算出相機(jī)對(duì)應(yīng)的行頻。相機(jī)地面像元分辨率在沿軌及垂軌(行頻在衛(wèi)星速度方向和與速度垂直方向上的分解)時(shí),相機(jī)行頻與軌道的關(guān)系可表示為

式中：Ft,Fr分別為沿軌和垂軌相機(jī)行頻;μ為地球引力常數(shù)。沿軌及垂軌狀態(tài)下不同衛(wèi)星軌道高度的行頻分別如圖2、3所示。由圖可知：相機(jī)行頻是H的單調(diào)遞減函數(shù),H越高,相機(jī)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(tài)的行頻見(jiàn)表1。由表可知：滿足H在1 193.2～1 828.6 km范圍的相機(jī)行頻應(yīng)為0.6～1.2 k Hz。

行頻越高,圖像數(shù)據(jù)量就越大。受衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和下傳能力限制,衛(wèi)星行頻須小于1.1 k Hz,則由式(4)、(5)反解出該行頻對(duì)應(yīng)的H=1 248.561 km。因此,從相機(jī)和數(shù)傳的使用角度來(lái)說(shuō),應(yīng)選擇H=1 248.561～1 828.6 km。

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

圖3 不同衛(wèi)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(yáng)同步回歸軌道選擇

對(duì)以南北緯70°間的緯度帶為對(duì)地觀測(cè)的重點(diǎn)的太陽(yáng)同步軌道,傾角一般選擇約100°。對(duì)近圓太陽(yáng)同步軌道,成立

式中：i,a,Ω分別為軌道傾角、半長(zhǎng)軸和升交點(diǎn)赤經(jīng)[4]。

利用軌道回歸特性,可實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星對(duì)同一地區(qū)的周期性往復(fù)觀察和監(jiān)測(cè)。在1個(gè)回歸周期內(nèi),地面相鄰軌跡的間距應(yīng)小于相機(jī)瞬時(shí)幅寬。計(jì)算表明,僅當(dāng)回歸周期大于5 d時(shí),H才滿足大于1 193.2 km的要求(滿足相機(jī)瞬時(shí)幅寬230 km);僅當(dāng)回歸周期大于28 d時(shí),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(shè)計(jì)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(diǎn)地面光照條件分析

對(duì)CCD成像衛(wèi)星來(lái)說(shuō),地面成像目標(biāo)的太陽(yáng)光照角直接決定了成像的質(zhì)量,因此本文對(duì)所設(shè)計(jì)軌道的星下點(diǎn)地面光照角(天底太陽(yáng)角的余角)進(jìn)行分析。成立

式中：η為天底太陽(yáng)角;S為太陽(yáng)矢量;B為星下點(diǎn)的位置矢量;φ為星下點(diǎn)緯度;δs為赤緯;′為降交點(diǎn)的平太陽(yáng)角;ΩC為星下點(diǎn)經(jīng)度圈與赤道的交點(diǎn)與降交點(diǎn)的經(jīng)度差[5]。星下點(diǎn)地面光照角γ=90°-η。

對(duì)本文設(shè)計(jì)的軌道進(jìn)行分析。1 d中不同緯度的星下點(diǎn)地面光照角如圖6所示,1年中不同時(shí)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(shù)如圖8所示。圖中：正、負(fù)緯度分別表示北緯和南緯;光照角為負(fù)值表示衛(wèi)星星下點(diǎn)進(jìn)入陰影區(qū),降交點(diǎn)地方時(shí)取上午10：00。由圖6～8可知：地面光照角在0°～60°范圍內(nèi)變化;高緯度地區(qū)的光照條件差于低緯度地區(qū);在南北回歸線內(nèi)可實(shí)現(xiàn)全年成像,可成像的天數(shù)隨緯度增高而遞減;可實(shí)現(xiàn)對(duì)我國(guó)國(guó)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(shù)Fig.8 Days of solar altitude between 15°and 60°in 1 year

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)推掃相機(jī)成像特點(diǎn)分析了軌道高度與相機(jī)行頻和地面像元分辨率的關(guān)系,結(jié)合太陽(yáng)同步回歸軌道的特性,設(shè)計(jì)了推掃CCD相機(jī)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的軌道,并進(jìn)行了地面目標(biāo)光照條件分析。結(jié)果表明：該軌道設(shè)計(jì)合理,可滿足全球特別是對(duì)我國(guó)國(guó)土觀測(cè)的使用需要。

[1]楊雪梅.CBERS-1衛(wèi)星CCD相機(jī)像元實(shí)地分辨能力的測(cè)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(yè)高分辨率遙感衛(wèi)星及其在測(cè)繪中的應(yīng)用[J].北京測(cè)繪,2003(4)：40-44.

[3]于紹華,楊林娜.對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星太陽(yáng)同步軌道的快速設(shè)計(jì)方法[J].上海航天,2002,19(2)：5-7.

[4]章仁為.衛(wèi)星軌道姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[5]陳世平.空間相機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[M].北京：中國(guó)宇航出版社,2003.