一种普查型光学遥感卫星设计方法与流程

1.本发明属于卫星设计技术领域，涉及一种普查型光学遥感卫星设计方法。


背景技术：

2.随着空间技术的发展，普查型遥感卫星在国民经济、国家安全等领域发挥着越来越重要的作用。普查型遥感卫星的特点是在分辨率、成像光谱特性等满足需求的条件下，获取大幅宽的影像数据。
3.现有的普查型光学遥感卫星，主要存在以下问题：
4.1、成像时间有限。在传统的卫星设计方法中，受限于能源供应等因素，导致卫星在每一轨道周期中的成像时间有限，载荷不能得到充分利用；
5.2、数传能力不强。在传统的卫星设计中，由于数传系统的能力有限，不能有效下传数据，造成载荷能力和所获取数据的浪费；
6.3、受限于地面测控、数据接收资源等因素的影响，导致卫星应急响应能力不足，不能及时获取突发感兴趣事件的影像。传统方式中，获取某一突发感兴趣事件的影像，主要是通过事发后，地面上注成像指令，卫星根据指令成像，继而下传目标区域的影像，使得从突发感兴趣事件到获取影像所需的时间较长。


技术实现要素：

7.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种普查型光学遥感卫星设计方法，综合考虑用户需求、所选光电器件性能、突发感兴趣事件时刻到地面指令上注至卫星的时间间隔等参数，合理设计卫星的光学载荷焦距和轨道高度等参数，基于轨道参数和卫星的能源消耗量，优化设计卫星的存储容量和能源系统，从而可以在阳照区全时段对地成像，在可数传弧段全时段下传数据，且可通过事后调取的方式，下传距突发感兴趣事件最近时刻的影像，大幅提高了卫星的应用效能。
8.本发明的技术解决方案是：
9.一种普查型光学遥感卫星设计方法，包括以下步骤：
10.(1)根据所选定光电器件的最短曝光时间t
min
，确定卫星轨道高度h；
11.根据卫星轨道高度h，用户所要求的地面分辨率dg，以及所选定光电器件的像元尺寸dc，确定光学载荷的焦距f；
12.(2)根据地面接收站的位置和步骤(1)得到的卫星轨道高度h，确定卫星平均一个轨道周期的数传数据量d
d_av
；
13.(3)根据突发感兴趣事件后，发送地面控制指令至卫星做出响应所需的时间，以及步骤(2)确定的卫星平均一个轨道周期的数传数据量d
d_av
，确定卫星的数据存储容量s
sa
；
14.(4)根据卫星的能源消耗量，以及步骤(1)确定的卫星轨道高度h，确定卫星太阳能电池板的面积s
sun
和蓄电池组容量w
des
；
15.(5)通过本方法，所得到的设计结果为：由步骤(1)得到卫星的轨道高度h和光学载
荷的焦距f，由步骤(3)得到卫星的数据存储容量s
sa
，由步骤(4)得到的卫星太阳能电池板的面积s
sun
和蓄电池组容量w
des
，将上述内容作为普查型光学遥感卫星的设计参数。
16.所述步骤(1)中，根据所选定光电器件的最短曝光时间t
min
，确定卫星轨道高度h，具体为：
17.(11)根据卫星的轨道半径，得到轨道倾角i的余弦表达式
18.地球采用圆球模型，半径为re，卫星轨道高度为h，得到轨道半径为(re h)，设卫星运行的轨道为圆轨道(偏心率e＝0)，计算得到轨道倾角i(i∈(90
°
,180
°
))的余弦值为
[0019][0020]
(12)根据卫星的轨道半径(re h)，得到由卫星运动产生的地速v
sg
(不含地球自转因素)，具体为：
[0021]
根据卫星轨道半径(re h)，以及引力常数μ，得到卫星轨道运动的角速度ωs为
[0022][0023]
进一步得到由卫星运动地面产生的地速v
sg
为
[0024][0025]
(13)根据卫星产生的地速v
sg
，赤道处地球自转产生的地速ve，考虑到本发明中，卫星为降轨成像，得到卫星在赤道处的星下点地速vg为
[0026][0027]
式中，ve为赤道处地球自转产生的地速
[0028]
ve＝ωere[0029]
(14)由光电器件的最短曝光时间t
min
，像元所对应的星下点分辨率dg，以及步骤(13)得到的星下点地速vg，得到关于卫星轨道高度h的方程，具体为
[0030][0031]
求解此方程得到卫星轨道高度h。
[0032]
所述步骤(1)中，根据卫星轨道高度h，用户所要求的地面分辨率dg，以及光电器件的像元尺寸dc，确定光学载荷的焦距f，具体为：
[0033][0034]
所述步骤(2)中，根据地面接收站的位置和步骤(1)得到的卫星轨道高度h，确定卫星平均一个轨道周期的数传数据量d
d_av
，具体为：
[0035]
(21)根据地面接收站的位置和步骤(1)得到的卫星轨道高度h，确定平均一个轨道周期中，可进行数传的时间长度t
d_av
；
[0036]
根据卫星的位置(由卫星的轨道参数得到)和地面接收站位置，统计365天(一个地球公转周期)内，每一轨道周期中可进行数传的时间，得到平均一个轨道周期的数传时间长度为t
d_av
。
[0037]
(22)确定卫星的数传速率p
sat
[0038]
设本发明中，卫星的数传系统为模块化设计，每一数传模块的传输速率为定值。为增加数传速率，同时考虑到过多的活动部件会影响卫星平台的稳定，导致成像质量下降，本发明设计为一颗卫星安装两个数传模块。
[0039]
本发明中，设单台数传模块的数传速率为p
sin
，卫星使用两台数传模块，得到卫星的数传速率p
sat
为
[0040]
p
sat
＝2p
sin
[0041]
(23)确定卫星平均一个轨道周期的数传数据量d
d_av
[0042]
根据步骤(21)得到的平均一个轨道周期的数传时间t
d_av
，步骤(22)得到的卫星的数传速率p
sat
，得到卫星平均一个轨道周期的数据传输量d
d_av
为
[0043]dd_av
＝t
d_av
×
p
sat
。
[0044]
所述步骤(3)中，根据突发感兴趣事件后，发送地面控制指令至卫星做出响应所需的时间，以及卫星平均一个轨道周期的数传数据量d
d_av
，确定卫星的数据存储容量s
sa
，具体为：
[0045]
(31)确定以轨道周期为单位的“突发感兴趣事件后，发送地面控制指令至卫星做出响应所需的时间”t
su
，具体为：
[0046]
设实际的响应所需时间为t
re
，卫星的轨道周期为t，增加2个轨道周期的余量时长，得到以卫星轨道周期为单位的“突发感兴趣事件后，发送地面控制指令至卫星做出响应所需的时间”t
su
为
[0047][0048]
式中，表示向上取整。
[0049]
(32)得到平均每一轨道周期中，数据下传后剩余的数据量d
d_lea
[0050]
设平均每一轨道周期所获取的数据量为d
d_ge
，根据步骤(23)得到的平均一个轨道周期的数传数据量d
d_av
，确定平均每一轨道周期数据下传后剩余的数据量d
d_lea
为
[0051]dd_lea
＝d
d_ge-d
d_av
[0052]
(33)根据步骤(31)得到的以轨道周期为单位的“突发感兴趣事件后，发送地面控制指令至卫星做出响应所需的时间”t
su
，步骤(32)得到的数据下传后剩余的数据量d
d_lea
，确定卫星上的数据存储容量s
sa
为
[0053]ssa
＝t
su
×dd_lea
。
[0054]
所述步骤(4)中，根据卫星的能源消耗量，以及所确定的卫星轨道高度h，确定太阳电池板的面积s
sun
，具体为：
[0055]
(41)根据在一个轨道周期中的能源消耗量w
orb
，以及阳照区时长t
sun
，得到在一个轨道周期中，太阳电池板应提供的功率为
[0056][0057]
(42)根据步骤(41)，统计得到在365天(一个地球公转周期)的时间内，一个卫星轨
道周期中，太阳电池板应提供的最大功率为p
sun_max
[0058]
(43)将步骤(42)得到的最大功率值p
sun_max
外加10％的余量，得到用于确定太阳电池阵面积的设计值p
des
为
[0059]
p
des
＝(1 10％)p
sun_max
[0060]
(44)设单位面积太阳电池阵的输出功率为p
ss
，由设计值p
des
得到太阳电池阵的面积s
sun
为
[0061][0062]
所述步骤(4)中，根据卫星的能源消耗量，以及所确定的卫星轨道高度h，确定蓄电池组的容量w
des
，具体为：
[0063]
设卫星在一个轨道周期(可由卫星运行轨道高度确定)中，卫星的任务型设备停止工作，维系卫星运行的最低能源消耗量为w
save
；卫星在一个轨道周期中，正常工作时的最大能源消耗量为w
max
，基于此，确定蓄电池组容量w
des
为
[0064]wdes
＝max[6w
save
,2w
max
]
[0065]
式中，max[
·
]表示取[
·
]中数值的最大值。
[0066]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0067]
1、增加能源供应，在阳照区全时段成像。通过增大太阳能电池板面积、增加蓄电池组容量等方式，增加卫星的能源供应，为载荷进行阳照区全时段成像提供能源基础；
[0068]
2、增加数传能力，在可数传弧段全时段下传数据。通过选用高速数传模块，增加数传天线数量，增强数传天线的姿态机动能力等方式，提升卫星的数传能力；
[0069]
3、优化卫星上的存储容量，增强卫星获取突发感兴趣事件数据的时效性。卫星能够存储“突发感兴趣事件后，发送地面控制指令至卫星做出响应所需的时间”内未下传的影像数据，为通过事后调取的方式获取影像，提升卫星的应急能力奠定基础。
附图说明
[0070]
图1为本发明的流程图；
[0071]
图2为成像时卫星运动与地球自转产生的地速合成示意图；
[0072]
图3为卫星成像时像元尺寸与地面分辨率的几何关系图。
具体实施方式
[0073]
相较于其他卫星，基于本发明所设计的卫星，主要有以下性能的提升：
[0074]
1、在阳照区能够全时段成像；
[0075]
2、在可数传弧段，能够进行全时段数传；
[0076]
3、采用自动下传数据和需求下传数据相结合的方式。无突发感兴趣事件影像需求时，卫星在阳照区全时段成像，在可数传弧段全时段下传数据，未下传的数据存储于卫星上。发生感兴趣事件时，下传卫星上存储的距事发时刻间隔最小的事发地点的影像。
[0077]
4、提供的能源满足以上任务需求。
[0078]
以下内容主要是为满足以上需求所进行的设计。
[0079]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。
[0080]
图1为本发明方法的流程框图，主要步骤如下：
[0081]
步骤1根据所使用的光电器件参数和用户所需的地面分辨率dg，确定卫星的轨道高度h和光学载荷的焦距f
[0082]
设本发明中，卫星的成像方式为线阵推扫成像。根据用户需求，选定光电成像器件的像元尺寸为dc、最短曝光时间为t
min
。
[0083]
设本发明中，卫星的轨道为太阳同步圆轨道，卫星为降轨成像，轨道高度为h。地球采用圆球模型，半径为re，则可以得到卫星的轨道半径为(re h)
[0084]
(11)根据卫星的轨道半径(re h)，计算轨道倾角i的余弦值
[0085]
由太阳同步轨道与轨道倾角的关系，有i∈(90
°
,180
°
)，得到轨道倾角i的余弦表达式为
[0086][0087]
即
[0088][0089]
本发明中，卫星运行的轨道为圆轨道，有偏心率e＝0,
[0090]
从而将上式化为
[0091][0092]
(12)根据卫星的轨道半径(re h)，计算卫星绕地球运行的角速度ωs，得到由卫星运动产生的地速(不含地球自转因素的地速)v
sg
，具体为：
[0093]
根据卫星轨道高度h，地球半径re，以及引力常数μ，得到卫星轨道运动的角速度ωs为
[0094][0095]
从而得到由于卫星运动，在地面产生的地速v
sg
为
[0096]vsg
＝ωsre[0097]
(13)根据轨道倾角i、卫星运动产生的地速v
sg
、赤道处地球自转产生的地速ve三者之间的关系(如图2所示)，通过余弦定理得到卫星(在赤道处)的星下点地速vg为
[0098][0099]
上式中，赤道处地球自转产生的地速ve为
[0100]
ve＝ωere[0101]
(14)由光电成像器件的最短曝光时间t
min
，像元所对应的星下点分辨率dg，以及由步骤(13)得到的星下点地速vg，，得到关于卫星轨道高度h的方程，具体为
[0102][0103]
对此方程求解得到卫星轨道高度h。
[0104]
(15)由地面分辨率dg，光电成像器件的像元尺寸dc，步骤(14)得到的卫星轨道高度h，结合图3所示的卫星成像时像元尺寸与地面分辨率的几何关系图，得到光学载荷的焦距f为
[0105][0106]
步骤2根据地面接收站的位置和步骤(1)得到的卫星轨道参数，确定卫星平均一个轨道周期的数传数据量d
d_av
[0107]
设本发明中，所使用的卫星数传天线，可进行设备级(非整星级)的姿态机动，能够在可进行数传的弧段进行全时段的数据传输。
[0108]
确定卫星平均一个轨道周期的数传能力，具体如下：
[0109]
(21)确定平均一个轨道周期中，可进行数传的时间长度t
d_av
[0110]
为最大包络各种工况，根据卫星的位置(由卫星的轨道参数得到)和地面站位置，统计365天(一个地球公转周期)内，每一轨道周期中可进行数据传输的时间，得到平均一个轨道周期中，可进行数传的时长为t
d_av
。
[0111]
(22)确定卫星的数传速率p
sat
[0112]
设本发明中，卫星的数传系统为模块化设计，每一数传模块的传输速率为定值。为增加数传速率，同时考虑到过多的活动部件会影响卫星平台的稳定，导致成像质量下降，本发明设计为每一卫星安装两个数传模块。
[0113]
设单台数传模块的数传速率为p
sin
，则卫星的数传速率p
sat
为
[0114]
p
sat
＝2p
sin
[0115]
(23)确定卫星平均一个轨道周期的数传数据量d
d_av
[0116]
根据步骤(21)确定的平均一个轨道周期的数传时间t
d_av
，步骤(22)确定的卫星的数传速率p
sat
，得到卫星平均一个轨道周期的数据传输量d
d_av
为
[0117]dd_av
＝t
d_av
p
sat
[0118]
步骤3根据突发感兴趣事件后发送地面控制指令至卫星做出响应所需的时间，以及步骤2确定的卫星平均一个轨道周期的数传数据量d
d_av
，确定卫星的数据存储容量s
sa
[0119]
本发明中，卫星的工作方式为：
[0120]
(1)正常工作模式下，阳照区全时段成像，在可数传弧段全时段下传数据。若下传的数据量小于载荷所获取的数据量，则将剩余的数据存储于卫星上。
[0121]
(2)若突发感兴趣事件，卫星拍摄有距此事件发生最近时刻的影像，且未进行下传，则接到需求指令后，将此数据下传；
[0122]
(3)若无突发感兴趣事件，数据存储满后，新获取的数据覆盖存储单元中最早获取的数据，继续记录存储。
[0123]
本步骤基于卫星的以上应用方式，确定本发明中卫星存储容量如下：
[0124]
在本发明中，为合理设计卫星系统，将卫星上的存储容量设计为——卫星在“突发
感兴趣事件后，发送地面控制指令至卫星做出响应所需的时间”内，卫星载荷所获取的数据量与卫星下传的数据量间的差值，具体设计如下：
[0125]
(31)确定以轨道周期为单位的“突发感兴趣事件后，发送地面控制指令至卫星做出响应所需的时间”t
su
，具体为：
[0126]
设实际的响应所需时间为t
re
，卫星的轨道周期为t。考虑到设计余量，增加2个轨道周期的时长，得到以卫星轨道周期为单位的“突发感兴趣事件后，发送地面控制指令至卫星做出响应所需的时间”t
su
为
[0127][0128]
式中，表示向上取整。
[0129]
(32)得到平均每一轨道周期中，正常工作模式时数据下传后剩余的数据量d
d_lea
。
[0130]
本发明中，卫星工作方式为阳照区全时段成像，设平均每一轨道周期所获取的数据量为d
d_ge
。根据步骤(23)得到的平均一个轨道周期的数传数据量d
d_av
，可以得到平均每一轨道周期剩余未下传的数据量d
d_lea
为
[0131]dd_lea
＝d
d_ge-d
d_av
[0132]
(33)根据步骤(31)得到的以轨道周期为单位的“突发感兴趣事件后，发送地面控制指令至卫星做出响应所需的时间”t
su
，步骤(32)得到的平均每一轨道周期中，数据下传后剩余的数据量d
d_lea
，确定卫星上的数据存储容量s
sa
为
[0133]ssa
＝t
su
×dd_lea
[0134]
步骤4根据卫星的能源消耗量，以及步骤1确定的卫星轨道高度h，确定卫星太阳电池板的面积p
ss
和蓄电池组容量w
des
[0135]
本发明中，卫星的能源设备指太阳能电池板和蓄电池组。确定能源设备参数，即是确定太阳电池板的面积和蓄电池组容量。
[0136]
(41)确定太阳能电池阵的面积s
sun
[0137]
设在一个轨道周期中，能源消耗量为w
orb
，阳照区时长为t
sun
，从而得到一个轨道周期中，为满足能源消耗，太阳电池板应提供的功率为
[0138][0139]
根据上式，统计得到在365天(一个地球公转周期)的时间内，一个卫星轨道周期中，太阳电池板应提供的最大功率为p
sun_max
。
[0140]
考虑到设计余量，将最大功率值p
sun_max
外加10％的余量，得到用于确定太阳电池阵面积的设计值p
des
为
[0141]
p
des
＝(1 10％)p
sun_max
[0142]
设单位面积太阳电池阵的输出功率为p
ss
，由设计值p
des
得到太阳电池阵的面积s
sun
为
[0143][0144]
(42)确定蓄电池组容量w
des
[0145]
蓄电池组的作用主要是，一方面在阳照区储存太阳电池阵输出的多余能源，另一方面在非阳照区时输出能源，供卫星运行使用。
[0146]
本发明中，设一个轨道周期中，卫星的任务型设备(如载荷、数传设备等)停止工作，维系卫星运行的最低能源消耗量为w
save
。一般而言，卫星出现故障后，会运行于此种最低能源消耗的状态下。
[0147]
考虑到
①
为使卫星在此种工作下有一定的工作时长，为地面进行卫星故障处理提供充足时间；
②
卫星在正常工作时出现故障，没有及时进入这一模式，将卫星蓄电池组容量w
des
设计为满足以下两个条件中的最大值：
[0148]
(1)以安全模式，工作6个轨道周期，总能源消耗量为6w
save
；
[0149]
(2)以最大能源消耗模式，工作2个轨道周期，总能源消耗量为2w
max
。
[0150]
基于此，确定的蓄电池组容量w
des
为
[0151]wdes
＝max[6w
save
,2w
max
]
[0152]
式中，max[
·
]表示取[
·
]中数值的最大值。
[0153]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
[0154]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。