乾貨 | 調姿時間對敏捷成像衛星任務規劃的影響

2021-12-28 開運聯合

任務間衛星觀測姿態調整時間是敏捷成像衛星任務規劃最為重要的一個約束。對姿態調整時間的影響因素進行分析,建立空間運動學模型計算任意時刻衛星對目標的觀測擺角。在此基礎上,給出一種姿態調整時間的計算方法。通過仿真實驗,對不同調姿模式和調姿開始時間條件下姿態調整時間的變化及其對最早可觀測時間的影響進行了分析,旨在為敏捷成像衛星任務規劃提供支持。

敏捷衛星,即有效載荷固定在衛星上依靠姿控系統控制衛星整體沿俯仰、翻滾、偏航3個軸向擺動的小衛星。由於姿控技術水平的限制,目前大部分敏捷衛星都只有俯仰和翻滾2個軸向的自由度。

作為一種新型衛星,敏捷成像衛星具有廣泛的應用前景。與僅有翻滾軸向自由度的傳統衛星相比,敏捷成像衛星具有觀測上的優勢。當衛星位於目標前方、上方、後方時,均可對目標進行觀測,可用觀測時間較長。在較長的時間窗口內,可以選取其間任一時段對目標進行觀測,提高了觀測的靈活性。在搶險救災等應急行動中,常需要獲取一定區域內密集點目標的高解析度圖像信息。在時效性要求高、衛星資源相對有限的情況下,敏捷成像衛星1次過境能完成更多的任務。
相對於非敏捷衛星,敏捷成像衛星任務規劃問題更為複雜。較長的可見時間窗口,使得觀測時間的解空間增大,時間窗口相互重疊的多個臨近任務,其執行順序不再固定;臨近任務間的耦合度較高,觀測衝突複雜;不同觀測時間對應不同觀測擺角、觀測時間的選取會對任務間衛星姿態調整時間產生影響。這些因素給觀測任務的選取、排序及觀測時間的確定帶來難度。

敏捷成像衛星規劃問題最為重要的一個約束即任務間觀測姿態調整時間。通過對姿態調整時間的影響因素進行分析。建立空間運動學模型、計算任意時刻衛星對目標的觀測擺角。給出了一種姿態調整時間的計算方法。通過仿真分析不同調姿模式和調姿開始時間,得出姿態調整時間的變化及其對後續任務最早可觀測時間的影響。衛星在成像過程中需保持姿態穩定,在完成觀測任務後,需調整姿態使成像傳感器指向後續任務的觀測開始位置,並經過一段時間待姿態穩定後,再以固定姿態進行觀測。這一過程所耗費的時間,即任務間衛星姿態調整時間(又稱姿態機動穩定時間)。

對於時間窗口相互重疊的觀測任務,不同觀測時刻對應著俯仰和翻滾2個軸向上不同的姿態擺角。不同調姿開始時間,衛星所需調整的姿態角度有所不同。因此,姿態調整時間的長短隨調姿開始時間的不同而變化。不同的姿態調整時間會影響後續任務的最早可觀測時間,從而對規劃產生影響,如圖所示。在任務規劃中,獲取任意觀測位置所對應的姿態調整時間是十分重要的。

除了調姿開始時間,鑑於目前衛星姿態控制水平的限制,考慮以下2種不同調姿模式的影響:連續調姿模式,即衛星直接將姿態由前一任務的觀測結束位置調整到後續任的觀測開始位置;歸零調姿模式,由於姿控技術水平的限制,目前絕大部分衛星無法實現連續調姿,而採用歸零調姿模式,即衛星先將姿態調整到指向地心位置(將俯仰和翻滾2個軸向的擺角歸零),再由該位置調整到後續任務的觀測開始位置。

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