徐馳 趙晨光 莫凡

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

為了提高陸表信息定量化反演所需的遙感數(shù)據(jù)精度，衛(wèi)星需要進(jìn)行在軌輻射定標(biāo)[1]。而在軌天體輻射定標(biāo)方法由于具有受環(huán)境因素影響小、定標(biāo)頻次高等優(yōu)勢(shì)，越來越受到大家的關(guān)注[2-4]。在天體定標(biāo)中，對(duì)月定標(biāo)的優(yōu)勢(shì)主要包括：①月球是除太陽外視張角最大的地外目標(biāo)物，一次對(duì)月成像可完成星載被動(dòng)光學(xué)載荷大量像元的絕對(duì)輻射標(biāo)定；②月球反射特性十分穩(wěn)定，適合于探測(cè)器輻射響應(yīng)穩(wěn)定性跟蹤；③對(duì)月定標(biāo)還具有不受地球大氣影響、定標(biāo)光譜覆蓋可見近紅外全部譜段等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。上述優(yōu)勢(shì)使得月球非常適合作為衛(wèi)星在軌輻射定標(biāo)的參考基準(zhǔn)源。

文獻(xiàn)[7]中提出了一種光學(xué)遙感衛(wèi)星對(duì)月定標(biāo)姿態(tài)機(jī)動(dòng)補(bǔ)償方法。該方法是基于一定的相機(jī)積分時(shí)間計(jì)算衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)所需的姿態(tài)控制參數(shù)，從而解決星載相機(jī)對(duì)月成像過程中積分時(shí)間與推掃速度失配的問題。然而，該方法并未對(duì)定標(biāo)任務(wù)所需的相機(jī)增益、級(jí)數(shù)等成像參數(shù)進(jìn)行分析，不能完全滿足對(duì)月定標(biāo)任務(wù)的系統(tǒng)級(jí)衛(wèi)星參數(shù)設(shè)置需求。文獻(xiàn)[8]中給出了中分辨率成像光譜儀(MODIS)和寬視場(chǎng)海洋水色掃描儀(SeaWIFS)的對(duì)月定標(biāo)方法，但僅介紹了定標(biāo)的算法相關(guān)內(nèi)容，并未從任務(wù)實(shí)現(xiàn)的具體流程方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

本文基于遙感衛(wèi)星光學(xué)載荷的特點(diǎn)，提出一種對(duì)月定標(biāo)成像參數(shù)系統(tǒng)級(jí)分析方法，并基于高分七號(hào)衛(wèi)星的技術(shù)狀態(tài)仿真驗(yàn)證了方法的可行性。

1 成像參數(shù)系統(tǒng)級(jí)分析方法

在選擇對(duì)月定標(biāo)成像參數(shù)時(shí)，需要從整星的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)層面出發(fā)，綜合考慮衛(wèi)星機(jī)動(dòng)能力、能量平衡、測(cè)控弧段選擇等因素。分析方法流程如圖1所示。在對(duì)月定標(biāo)工作模式設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要基于衛(wèi)星的技術(shù)狀態(tài)設(shè)計(jì)詳細(xì)的對(duì)月定標(biāo)時(shí)機(jī)和姿態(tài)機(jī)動(dòng)策略；而相機(jī)對(duì)月成像積分時(shí)間計(jì)算、飽和電壓對(duì)成像參數(shù)的限制，以及信噪比對(duì)積分級(jí)數(shù)的需求環(huán)節(jié)，需要結(jié)合有效載荷的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖1 分析方法流程Fig.1 Analysis method flow

1.1 對(duì)月定標(biāo)工作模式設(shè)計(jì)

遙感衛(wèi)星對(duì)月定標(biāo)工作模式涵蓋了從角動(dòng)量調(diào)整及穩(wěn)定階段、慣性定向階段、對(duì)月成像階段、恢復(fù)對(duì)地成像姿態(tài)階段、恢復(fù)標(biāo)稱角動(dòng)量階段，如圖2所示。

注：t1～t4為各階段姿態(tài)機(jī)動(dòng)所用時(shí)長。 圖2 對(duì)月定標(biāo)機(jī)動(dòng)策略示意Fig.2 A schematic diagram of attitude maneuver strategy for lunar calibration

(1)角動(dòng)量調(diào)整及穩(wěn)定階段：通過調(diào)整角動(dòng)量使衛(wèi)星獲得更強(qiáng)的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力。

(2)慣性定向階段：整星進(jìn)行慣性定向和穩(wěn)定，建立對(duì)月成像所需初始姿態(tài)。

(3)對(duì)月成像階段：整星繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)，光學(xué)載荷對(duì)月成像。

(4)恢復(fù)對(duì)地成像姿態(tài)階段：對(duì)月成像結(jié)束后，衛(wèi)星進(jìn)行慣性定向和穩(wěn)定，恢復(fù)對(duì)地正常成像姿態(tài)。

(5)恢復(fù)標(biāo)稱角動(dòng)量階段：恢復(fù)衛(wèi)星標(biāo)稱角動(dòng)量。

1.2 相機(jī)對(duì)月成像積分時(shí)間計(jì)算

地、月、星相對(duì)位置關(guān)系如圖3所示。圖中：Re為地球半徑；Rm為月球半徑；H為衛(wèi)星軌道高度；f為光學(xué)載荷焦距；Lem為地月平均距離；d為光學(xué)載荷像元大小；Sm為月面像元分辨率。

圖3 對(duì)月觀測(cè)距離關(guān)系示意Fig.3 A schematic diagram of imaging distance of moon observation

對(duì)于類似高分七號(hào)的低軌遙感衛(wèi)星，其軌道高度約為數(shù)百千米，而地月平均距離為38.4萬千米，因此可以假定衛(wèi)星和月球之間的距離約等于地月之間的距離，故月面像元分辨率為

(1)

衛(wèi)星拍攝月球時(shí)，可以將月球當(dāng)作一個(gè)圓平面，衛(wèi)星不采用機(jī)動(dòng)執(zhí)行慣性成像時(shí)，在沿軌方向衛(wèi)星飛行速度vsat在月面上的投影速度vm近似于衛(wèi)星在赤道平面法線方向的速度分量，即

vm=vsat·cosφ

(2)

式中：φ為衛(wèi)星對(duì)地的緯度。

由于TDICCD積分時(shí)間為衛(wèi)星在月面上掃過一個(gè)像元的時(shí)間，則對(duì)月成像積分時(shí)間為

tm=Sm/vm

(3)

1.3 飽和電壓對(duì)成像參數(shù)的限制

對(duì)月成像時(shí)需要考慮積分時(shí)間設(shè)置不能引起器件飽和，基于1.1節(jié)的姿態(tài)機(jī)動(dòng)方案，可計(jì)算出整星繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)時(shí)與某一轉(zhuǎn)速相匹配的相機(jī)積分時(shí)間，并獲得該積分時(shí)間對(duì)應(yīng)的TDICCD電壓，進(jìn)而判斷該參數(shù)設(shè)置是否滿足飽和電壓的限制。TDICCD器件信號(hào)電壓為

(4)

式中：L(λ)為入瞳輻亮度；R(λ)為TDICCD在滿級(jí)數(shù)N級(jí)時(shí)的響應(yīng)度；λ為波長；M為實(shí)際使用級(jí)數(shù)；t為TDICCD的積分時(shí)間；Δλ為波段寬度；τ為相機(jī)的光學(xué)透過率；F為相機(jī)的焦距與孔徑之比[9]。

1.4 信噪比對(duì)積分級(jí)數(shù)的需求

飽和電壓對(duì)積分級(jí)數(shù)作出了最大值的限制，但對(duì)月定標(biāo)時(shí)需要獲得更高的圖像質(zhì)量以提高與自動(dòng)月球觀測(cè)天文站(ROLO)模型的匹配精度，這就對(duì)相機(jī)的積分級(jí)數(shù)最小值提出了要求，在選擇合適的成像參數(shù)時(shí)需要予以考慮。

2 高分七號(hào)衛(wèi)星仿真驗(yàn)證

2.1 相機(jī)對(duì)月成像積分時(shí)間計(jì)算

本節(jié)基于上文分析，結(jié)合高分七號(hào)衛(wèi)星的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。無姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)，高分七號(hào)衛(wèi)星位于地球不同緯度的對(duì)月成像積分時(shí)間如表1所示。

表1 無姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)不同緯度的積分時(shí)間Table 1 Integration time at different latitudes without attitude maneuver

由表1可知，高分七號(hào)衛(wèi)星雙線陣后視相機(jī)對(duì)月成像時(shí)，全色譜段所需最短積分時(shí)間為69 ms，超出了相機(jī)能夠適應(yīng)的積分時(shí)間設(shè)置范圍，因此要采用整星繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)機(jī)動(dòng)方式配合相機(jī)對(duì)月成像，以減少月球影像畸變。結(jié)合高分七號(hào)衛(wèi)星自身的機(jī)動(dòng)能力，設(shè)計(jì)整星繞俯仰軸轉(zhuǎn)速為0.06(°)/s～0.12(°)/s。

2.2 STK軟件仿真分析

高分七號(hào)衛(wèi)星運(yùn)行在近似與赤道面垂直的軌道上，考慮盡量減少姿態(tài)建立階段陽照區(qū)非正常對(duì)地姿態(tài)時(shí)間，將對(duì)月掃描成像軌位選擇在地影區(qū)末段，同時(shí)保證對(duì)月成像期間衛(wèi)星不出地影，如圖4標(biāo)紅部分所示。

基于上述定標(biāo)弧段，選取衛(wèi)星繞俯仰軸轉(zhuǎn)速為0.1(°)/s的典型工況進(jìn)行仿真，衛(wèi)星姿態(tài)仿真曲線如圖5～7所示。由仿真結(jié)果可知，該工況下衛(wèi)星可完成對(duì)月定標(biāo)姿態(tài)機(jī)動(dòng)，并在對(duì)月定標(biāo)任務(wù)結(jié)束后恢復(fù)正常對(duì)地成像姿態(tài)。

圖4 對(duì)月定標(biāo)典型工況選用弧段示意Fig.4 Orbit arc used for lunar calibration under a typical working condition

圖5 載荷光軸指向變化仿真Fig.5 Simulated optical pointing direction variation

圖6 實(shí)際姿態(tài)角及姿態(tài)角誤差Fig.6 Actual attitude angles and angle errors

圖7 星上規(guī)劃角速度和測(cè)量角速度Fig.7 Angular velocities of on-orbit planning and measuring

2.3 飽和電壓對(duì)成像參數(shù)的限制

以高分七號(hào)衛(wèi)星后視相機(jī)為例，計(jì)算繞俯仰軸轉(zhuǎn)速、積分時(shí)間及在軌使用積分級(jí)數(shù)的要求。仿真分為6個(gè)工況，如表2所示。

表2 成像參數(shù)仿真工況Table 2 Imaging parameters of different working conditions

不同譜段的級(jí)數(shù)檔位對(duì)應(yīng)的實(shí)際積分級(jí)數(shù)有所不同，本文中級(jí)數(shù)1檔對(duì)應(yīng)的各譜段級(jí)數(shù)范圍約8～32級(jí)；2檔約36～64級(jí)，3檔約72～128級(jí)?；诘?.1節(jié)分析，以整星繞俯仰軸轉(zhuǎn)速為0.06(°)/s～0.12(°)/s為邊界條件，選取表2中的增益和積分級(jí)數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。根據(jù)各器件截止電壓，成像參數(shù)的設(shè)置范圍如圖8～9所示。

圖8 不同工況下后視相機(jī)P譜段俯仰軸轉(zhuǎn)速與 信號(hào)電壓的關(guān)系Fig.8 Relationships between signal voltage (P-band) and rotation speed under different working conditions for backward viewing camera

圖9 不同工況下后視相機(jī)多光譜譜段俯仰軸轉(zhuǎn)速與信號(hào)電壓的關(guān)系Fig.9 Relationships between signal voltage and rotation speed under different working conditions for backward viewing camera (multi-spectral bands)

由上文分析可得：對(duì)于P譜段，轉(zhuǎn)速小于0.08(°)/s時(shí)，可以選擇除工況2、工況3外的成像參數(shù)；對(duì)于P譜段，不建議使用工況3的成像參數(shù)；對(duì)于B4譜段，轉(zhuǎn)速小于0.09(°)/s時(shí)，可以選擇除工況3外的成像參數(shù)；對(duì)于B1～B3譜段，可以選用工況1～工況6的成像參數(shù)。

2.4 信噪比對(duì)積分級(jí)數(shù)需求分析

參考第2.3節(jié)分析的結(jié)果，選用高分七號(hào)衛(wèi)星在軌常見工況(工況2和工況5)作為輸入，基于衛(wèi)星不同轉(zhuǎn)速計(jì)算信噪比，結(jié)果如表3所示。

若按照一般圖像處理的高入瞳輻亮度信噪比高于48 dB、低入瞳輻亮度信噪比高于23 dB指標(biāo)要求，由表3數(shù)據(jù)可得：對(duì)于B1，B2，B3譜段，轉(zhuǎn)速大于0.09(°)/s時(shí)，在不超過飽和電壓的前提下，應(yīng)在雙線陣相機(jī)在軌常用成像參數(shù)的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)高積分級(jí)數(shù)，以獲取更好的信噪比；對(duì)于P譜段和B4譜段，在衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)能力范圍內(nèi)，雙線陣相機(jī)在軌常用成像參數(shù)能滿足信噪比要求。目前，高分七號(hào)正在進(jìn)行在軌測(cè)試，將擇機(jī)依據(jù)本文所述方法開展對(duì)月定標(biāo)試驗(yàn)。

表3 在軌常見工況信噪比分析Table 3 SNR analysis of common working conditions

3 結(jié)束語

本文針對(duì)遙感衛(wèi)星在對(duì)月定標(biāo)任務(wù)中光學(xué)載荷對(duì)成像參數(shù)的分析需求，提出了一種對(duì)月定標(biāo)成像參數(shù)系統(tǒng)級(jí)分析方法，并基于高分七號(hào)衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)設(shè)計(jì)了對(duì)月定標(biāo)工作模式，通過STK軟件進(jìn)行了典型工況仿真和計(jì)算驗(yàn)證，獲得了適用于高分七號(hào)衛(wèi)星對(duì)月定標(biāo)任務(wù)的載荷成像參數(shù)，證明了本文方法的有效性。該方法具有較強(qiáng)的普適性，將其應(yīng)用到遙感衛(wèi)星光學(xué)載荷對(duì)月定標(biāo)任務(wù)中，可保證對(duì)月成像的圖像質(zhì)量。后續(xù)可通過研究基于本方法的定標(biāo)數(shù)據(jù)地面處理技術(shù)，進(jìn)一步提高定標(biāo)精度，為基于衛(wèi)星遙感影像的陸表信息定量化反演提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。