随着航天技术的发展,越来越多的国家、地区、企业甚至个人都有自己的卫星。以乌克兰首都基辅(50.4333°N,30.5167E°)为例,如何使用自己的卫星对该城市进行拍摄呢?我们来揭秘一下。
假如你拥有自己的卫星,你可以随时获得自己卫星的轨道,那么你可以根据卫星的轨道参数进行计算,得到成像机会。再控制卫星进行适当的姿态调整,在合适的时间进行拍摄。
但如果你没有自己的卫星,你是一个客户,想了解下某颗卫星在什么时候能够拍摄,再决定是否向卫星拥有者购买数据怎么办呢?比如,你想购买WorldView-3的在接下来的一周对基辅的卫星观测数据,但并不清楚下周有没有拍摄机会。
Maxar 的 WorldView-3 卫星于2022 年 3 月 9 日拍摄的乌克兰马里乌波尔市被毁的房屋和其他建筑物
WorldView-3是美国DigitalGlobe公司第四代高分辨率光学卫星,于2014年8月中发射,卫星影像分辨率为0.3米,是目前世界上分辨率最高的光学卫星。卫星的参数如下。
我们以WorldView-3为例,假如我们可以使用这颗卫星,展示一下如何对基辅成像。
一、获取卫星轨道
登录https://www.space-track.org/#recent选择Recent ELSETs,找到Full Catalog,选择3LE及选择两行根数。
若知道卫星的名称,可搜索对应的名称,以WORLDVIEW 3 为例对应的两行根数如下。
将上述两行根数复制到文本文件中,通过轨道外推推算卫星的轨道信息(如时间、位置、速度),根据卫星与目标点的相对关系即可推算对于目标点的成像机会。卫星在轨运行情况如下。
二、计算成像机会
这里假定观测约束如下:
(1).时间区间(UTC时间):2022年3月14日~2022年3月21日
(2).卫星观测范围:星下点±30°
(3.)太阳高度角:≥15°
利用轨道仿真工具,可以得到分析时间区间内的WorldView-3卫星的成像机会。可见在未来一周,满足约束的只有三次机会,每次持续时间不超过104秒。
根据各卫星公司给出的情况,在拍摄过程中,乌克兰上空在较长的时间内一直有很多云,以至于无法获得可见光遥感卫星图像,这也是可见光卫星一直被诟病的一点。下面的成像机会需配合天气预报进一步筛选,避免拍摄只有云的图像,浪费成像机会。当然为了进行全天候的观测,SAR卫星可以穿透云进行拍摄,这也是近几年来非常热门的发展方向。
次数 | 开始时刻 | 结束时刻 | 持续时间(秒) |
1 | 2022-03-18 08:53:57 | 2022-03-18 08:55:23 | 86 |
2 | 2022-03-19 09:08:52 | 2022-03-19 09:10:36 | 104 |
3 | 2022-03-20 09:24:19 | 2022-03-20 09:25:14 | 55 |
三、侧摆成像
从下图可见,在第2次拍摄机会时,即3月19日09:08:52秒,卫星近似可以星下点方式拍摄基辅,此时的成像分辨率最佳,通过分析可知,卫星需侧摆约6°。而第1次和第3次,卫星从侧面拍摄基辅,分辨率有较大的下降。第一次,卫星需侧摆19°,第3次拍摄,卫星需侧摆26°。
这种拍摄方式只能划过基辅,当卫星视场太小时,只能拍摄极短的时间。若基辅沿轨方向有60km,卫星星下点速度约为6.9km/s,则大约只能拍摄9~10s时间,远远小于实际满足拍摄的时间,无法满足战争阶段尽可能获取较多的图像数据需求。
WorldView-3未来一周对基辅成像机会
四、盯点成像
若卫星具有对基辅定点成像能力,即盯着基辅看,那么如何设计卫星的动作呢?那么,需要根据几何关系计算。如下图所示。
运动成像——卫星盯着目标点拍照
卫星从A飞行到B点具有对目标点的拍摄机会,根据矢量关系,
卫星矢量:
卫星指向目标点的矢量
以及目标点的矢量
关系如下:
一般星上轨道测量系统能够给出的是J2000或WGS84坐标系下的位置速度。但对地观测卫星一般采用卫星轨道坐标系下的表示其姿态。因此需将上述关系转到卫星轨道坐标系下处理。
假定卫星的轨道信息为WGS84坐标系,地面目标点的矢量
卫星姿态可根据
卫星姿态可分为滚动角(Roll)、俯仰角(Pitch)、偏航角(Yaw)。若卫星轨道坐标系可简单理解为下面的图(a),沿轨方向为飞行方向,天底方向为地球所在的位置,垂轨方向为卫星轨道面的副法线,满足右手螺旋法则。卫星本体坐标系以该坐标系作为参考计算三轴姿态。卫星三轴姿态角均为0时与卫星轨道坐标系重合。下图(b)显示绕沿轨轴姿态为滚动角,绕垂轨轴姿态为俯仰角,绕天底轴姿态为偏航角。
若本体坐标系下相机视场的光轴对准卫星Z轴。则卫星姿态调整可直接使相机能够拍摄目标点。
通过这样设置,卫星分别实现了侧摆成像和盯点成像。如果将上述卫星姿态注入卫星控制系统,卫星在轨成像时的动作应当如下面所示。
如果你有一颗自己的卫星,具备这两种成像能力,你学废如何操作自己的卫星了吗?
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