姬琪，王棟*，閆得杰，吳凡路，2，王紅園

火星環(huán)繞器姿軌控制誤差對高分相機(jī)像質(zhì)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(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院月球與深空探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

火星環(huán)繞器繞火飛行，軌道是大橢圓軌道。高分相機(jī)是火星環(huán)繞器的有效載荷之一，在其軌道上對火拍攝，其成像質(zhì)量除與自身參數(shù)相關(guān)外，還與姿軌控制誤差有很大關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)對火星的高分辨率拍攝，本文對姿軌控制誤差與相機(jī)成像質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行了研究。首先，分析了火星環(huán)繞器姿軌控制對高分相機(jī)像移的影響模型；然后，利用平行光管、動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器搭建試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，通過地面測試設(shè)備仿真環(huán)繞器平臺(tái)參數(shù)。設(shè)置動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器產(chǎn)生速度隨姿軌參數(shù)變化的動(dòng)態(tài)目標(biāo)，為相機(jī)提供拍攝目標(biāo)。相機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行像移計(jì)算，并拍攝成像。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)測軌精度不大于1 km時(shí)，測速精度不大于1 m/s時(shí)，能保證相機(jī)動(dòng)態(tài)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(jī)在軌成像質(zhì)量的要求。

火星環(huán)繞器；高分相機(jī)；姿軌控制誤差；成像質(zhì)量

1 引　言

隨著我國航天事業(yè)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(fā)展。火星探測任務(wù)是我國深空探測的重要環(huán)節(jié)，天問一號(hào)火星探測器發(fā)射升空，其任務(wù)就是通過一次發(fā)射，實(shí)現(xiàn)對火星環(huán)繞、在火著陸和巡視探測。天問一號(hào)的環(huán)繞器上攜帶了高分辨率相機(jī)（簡稱“高分相機(jī)”），繞火星環(huán)繞探測，獲取火星表面重點(diǎn)區(qū)域精細(xì)觀測圖像，開展火星表面地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造等方面的研究［1-3］。

高分相機(jī)為TDI CCD相機(jī)，在高空對火面進(jìn)行推掃拍攝。相機(jī)在軌工作期間，當(dāng)拍攝物與相機(jī)感光面存在相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生像移，導(dǎo)致成像模糊；只有當(dāng)CCD電荷轉(zhuǎn)移速率與拍攝物在像面的運(yùn)動(dòng)速率相匹配，才能清晰成像。為了獲得高清圖像，需根據(jù)相機(jī)實(shí)際的軌道參數(shù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行像移補(bǔ)償。像移補(bǔ)償技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高分辨率拍攝的重要環(huán)節(jié)［4-6］。

高分相機(jī)繞火運(yùn)行，軌道是大橢圓軌道，環(huán)繞器在軌飛行速度和軌道高度是不斷變化的，這會(huì)引起TDI CCD相機(jī)行轉(zhuǎn)移時(shí)間，數(shù)據(jù)讀出頻率、偏流角和像移速度大小也隨之變化。針對像移補(bǔ)償，國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了廣泛研究，并建立了很多像移模型及補(bǔ)償策略，極大地提升了相機(jī)成像質(zhì)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(yuǎn)離地球的環(huán)境中進(jìn)行超遠(yuǎn)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(jī)像移補(bǔ)償準(zhǔn)確，獲取高清圖像，必須對姿軌控制提出相應(yīng)的要求。本文對環(huán)繞器姿軌控制與像移的關(guān)系進(jìn)行了分析，并開展了相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 姿軌控制與像移的關(guān)系

高分相機(jī)隨著環(huán)繞器軌道的高度不同，實(shí)時(shí)進(jìn)行像移補(bǔ)償計(jì)算。對于近圓軌道，軌道高度變化范圍較小，相應(yīng)的像移速度變化范圍也較小，近似于勻速圓周運(yùn)動(dòng)；而對于橢圓軌道，像移速度會(huì)隨著軌道高度的變化而變化。

圖1　火星軌道示意圖

根據(jù)幾何關(guān)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(jì)算得到：

火星環(huán)繞器的速度方向與瞬時(shí)圓軌道坐標(biāo)X軸方向的夾角為：

火星環(huán)繞器瞬時(shí)圓軌道速度為：

火星環(huán)繞器坐標(biāo)系映射到高分相機(jī)坐標(biāo)系時(shí)速度存在比例關(guān)系，見圖2所示。相機(jī)焦距為f ′，軌道高度為H。

由物像關(guān)系可得高分相機(jī)像面速度為

由此可見高分相機(jī)像移速度和環(huán)繞器速度及軌道高度相關(guān)。因此，姿軌控制精度必然影響高分相機(jī)的成像質(zhì)量。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1　測試鏈路及原理

為驗(yàn)證姿軌控制誤差對相機(jī)成像質(zhì)量的影響，本文進(jìn)行了相機(jī)成像試驗(yàn)驗(yàn)證。圖3是試驗(yàn)測試鏈路。

圖3　測試鏈路

試驗(yàn)設(shè)備包括平行光管、動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器及地面測試設(shè)備。為減少氣流擾動(dòng)的影響，可將相機(jī)放在真空罐內(nèi)以減少環(huán)境對成像質(zhì)量的影響。

動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器的目標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)上刻有黑白相間的條紋，通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)目標(biāo)，模擬地面物體的運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)將動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器安置在平行光管的焦面處，通過目標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)目標(biāo)，并經(jīng)平行光管投射到被測相機(jī)。

動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器光路圖如圖4所示。

圖4　試驗(yàn)光路示意圖

設(shè)動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器目標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω，通過計(jì)算可得到像面的像移速度′。

其中：′為像面的像移速度，為動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器目標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)的角速度，為動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器目標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)半徑，為平行光管焦距，′為相機(jī)焦距。調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器的工作角速度，可以模擬不同軌道動(dòng)態(tài)目標(biāo)。

環(huán)繞器當(dāng)前飛行高度、姿態(tài)等軌道信息參數(shù)可以由地面測試設(shè)備仿真生成，并由1553B總線進(jìn)行廣播。被測相機(jī)實(shí)時(shí)接收地面測試設(shè)備廣播的平臺(tái)姿軌參數(shù)，開始像移計(jì)算，得到TDI CCD拍攝的行頻參數(shù)，通過成像電路控制拍攝時(shí)電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間，實(shí)現(xiàn)像移補(bǔ)償功能。地面測試設(shè)備采集高分相機(jī)圖像，并對圖像進(jìn)行MTF計(jì)算，評價(jià)此次成像質(zhì)量。

3.2　試驗(yàn)過程及結(jié)果

假設(shè)高分相機(jī)工作在340 km軌道高度，在此條件下，高分相機(jī)進(jìn)行像移計(jì)算，可得到相機(jī)拍攝行頻參數(shù)，由像元尺寸可以反推得到動(dòng)態(tài)目標(biāo)發(fā)生器與其匹配的轉(zhuǎn)速，見公式（9）。

動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器實(shí)物圖見圖5。

按340 km軌道條件設(shè)置動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器的轉(zhuǎn)速，高分相機(jī)在此條件下拍攝成像，采集圖像計(jì)算當(dāng)前軌道的MTF值，以此作為基準(zhǔn)值。

隨后保持動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器轉(zhuǎn)速不變，地面測試設(shè)備將廣播姿軌參數(shù)中軌道誤差及速度誤差逐漸增加，高分相機(jī)在有誤差的條件下進(jìn)行像移計(jì)算并拍攝，對采集的圖像進(jìn)行MTF計(jì)算，MTF測試結(jié)果圖見圖6，結(jié)果見表1。

圖6　MTF測試圖

表1MTF測試結(jié)果

Tab.1　Test result of MTF

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

圖7　誤差結(jié)果

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

4 結(jié)　論

本文對火星環(huán)繞器高分相機(jī)在軌成像質(zhì)量與姿軌控制誤差之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，提出了試驗(yàn)驗(yàn)證方法，最后，給出了不同姿軌控制誤差下的MTF測試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：隨著測軌精度下降，成像質(zhì)量相應(yīng)下降。當(dāng)測軌精度在1 km，測速精度在1 km/s范圍內(nèi)時(shí)，可保證高分相機(jī)成像質(zhì)量，滿足在軌使用要求。

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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(dǎo)師，2002年于天津大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2007年于中國科學(xué)院研究生院獲得碩士學(xué)位，主要從事空間遙感器測試與仿真技術(shù)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(dǎo)師，2002年于長春理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2007年于中國科學(xué)院研究生院獲得博士學(xué)位，主要從事空間光學(xué)遙感器總體設(shè)計(jì)、空間電子學(xué)總體設(shè)計(jì)、數(shù)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(xué)院月球與深空探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（No.LDSE201901）；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（No.42001345，No.61805001）