低軌視頻衛(wèi)星成像特性分析

滿益云 李海超

（錢學森空間技術(shù)實驗室，北京 100094）

低軌視頻衛(wèi)星成像特性分析

滿益云 李海超

（錢學森空間技術(shù)實驗室，北京 100094）

視頻衛(wèi)星主要的特點是以“太空錄像”的方式獲取連續(xù)多幀序列圖像，可以實現(xiàn)對某一特定區(qū)域的凝視成像，因此特別適用于動態(tài)變化監(jiān)測與運動目標矢量指示。文章以美國“天空衛(wèi)星”（SkySat）為例，分析了圖像模式與視頻模式下的主要技術(shù)指標，給出了低軌視頻衛(wèi)星光學遙感器的主要技術(shù)指標和方案設(shè)想。在90 s的視頻成像時間內(nèi)，分析了衛(wèi)星俯仰角機動、姿態(tài)穩(wěn)定度及指向精度等姿態(tài)控制特性，給出了視頻成像的空間分辨率變化和多幀圖像構(gòu)成立體像對的基高比。最后提出了須要重點解決的關(guān)鍵技術(shù)，如大面陣CMOS器件、姿態(tài)俯仰敏捷機動能力等。

視頻衛(wèi)星；“天空衛(wèi)星”；遙感器；成像特性

1 引言

自1999年9月24日美國成功發(fā)射世界上第1顆優(yōu)于1 m空間分辨率的艾科諾斯-2（Ikonos-2）衛(wèi)星以來［1］，推掃式高空間分辨率敏捷成像衛(wèi)星得到了蓬勃發(fā)展。近幾年興起的視頻衛(wèi)星是一種新型對地觀測衛(wèi)星，主要的特點是可以進行區(qū)域凝視成像，獲取該區(qū)域連續(xù)的視頻圖像數(shù)據(jù)，特別適合于區(qū)域的動態(tài)變化監(jiān)測，如態(tài)勢變化、動態(tài)目標偵察監(jiān)視、打擊效果評估等。同時，還可以滿足反恐、防災(zāi)救災(zāi)等多方面民用需求。

2007年，印尼投資、德國研制的“印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術(shù)大學衛(wèi)星”（LAPANTUBSAT）成功發(fā)射。2009年，南非發(fā)射的“探路者衛(wèi)星”（SumbandilaSat），最高能夠獲取6 m空間分辨率的彩色圖像和視頻，幀頻達到30幀/秒，驗證了低軌衛(wèi)星視頻成像技術(shù)的可行性。美國天空盒子成像（Skybox Imaging）商業(yè)遙感衛(wèi)星創(chuàng)業(yè)公司，分別于2013年11月21日和2014年7月8日成功發(fā)射了天空衛(wèi)星-1（SkySat-1）和天空衛(wèi)星-2（SkySat-2），空間分辨率達到約1.0 m，具備90 s時長、30幀/秒的全色視頻成像能力，標志著低軌視頻衛(wèi)星邁進亞米級時代，是高空間分辨率視頻衛(wèi)星的杰出代表［2］。本文以美國SkySat為例，重點分析視頻衛(wèi)星的成像特性，提出衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用中的一些關(guān)鍵技術(shù)，可為低軌視頻成像衛(wèi)星的研制提供參考。

2 SkySat的主要技術(shù)指標

SkySat的主要技術(shù)指標如表1所示［3］，相比傳統(tǒng)高空間分辨率商業(yè)衛(wèi)星，除了具備優(yōu)于1.0 m全色（PAN）和2.0 m多光譜（MS）成像性能之外，首次實現(xiàn)了1.0 m左右空間分辨率的全色視頻成像（見圖1）。由24顆衛(wèi)星組成的星座（見圖2），可達到全球任意地區(qū)小時級的重訪能力（見圖3）。地面移動接收與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)如圖4所示，基于大數(shù)據(jù)的處理平臺，可以快速、有效地上注成像指令，及時獲取并處理生成高價值的地理信息產(chǎn)品。

表1 SkySat的主要技術(shù)指標Table 1 Major technical parameters of SkySat

圖1 SkySat-1獲取的北京首都國際機場視頻截圖（2013-12-30）Fig.1 Snap picture of Beijing's Capital International Airport video acquired by SkySat-1（2013-12-30）

圖2 SkySat星座示意Fig.2 Sketch of SkySat constellation

圖3 SkySat星座的時間分辨率Fig.3 Temporal resolution of SkySat constellation

圖4 “天空節(jié)點”地面移動接收與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)Fig.4 Sky Node moving receiving and data handling system on ground

3 Skysat成像特性分析

SkySat具有圖像和視頻兩種成像模式，其中圖像模式（即推幀成像模式，見圖5）類似于高空間分辨率遙感衛(wèi)星的推掃成像模式，不需要衛(wèi)星姿態(tài)俯仰調(diào)整，而視頻模式是主要模式。視頻模式（見圖6）是指隨著衛(wèi)星的運動，光學遙感器盯住地球上的某一目標區(qū)域，利用面陣探測器對其進行連續(xù)高幀頻凝視成像觀測。這種成像模式通常在地球靜止軌道衛(wèi)星上比較常見。由于軌道很高，一般都只能實現(xiàn)較低的空間分辨率，難以達到優(yōu)于1 m的要求。對于低軌衛(wèi)星而言，為了使得視頻模式下光學遙感器的光軸對準地面目標區(qū)域，須要連續(xù)不斷地調(diào)整衛(wèi)星俯仰方向的姿態(tài)，以克服衛(wèi)星軌道運動等帶來的目標區(qū)域不斷偏離光軸的影響［4-5］。

圖5 SkySat圖像模式Fig.5 Image mode of SkySat

圖6 SkySat視頻模式Fig.6 Video mode of SkySat

3.1 光學遙感器特性分析

根據(jù)表1和圖2，參考SkySat的一些主要技術(shù)指標和設(shè)計方案［6］，以下分別說明其探測器、光學系統(tǒng)和成像電路的主要特性。

1）探測器特性分析

SkySat采用高性能的面陣CMOS器件，以此簡化后端的電路規(guī)模，大幅度降低功耗和體積，并且相對容易實現(xiàn)成像模式的切換，進行有效的在軌數(shù)據(jù)預(yù)處理（如定標處理和數(shù)據(jù)壓縮等）。以目前商業(yè)CMOS器件的現(xiàn)狀和水平，大小為6.5μm的全色CMOS器件已經(jīng)較為成熟，考慮3片器件拼接的情況（見圖7），全色器件約為3072×1024個像元，而為了方便使用，多光譜也采用同樣大小的面陣器件，利用不同的濾光片實現(xiàn)不同的譜段（RGB＋NIR），通過靈活的像元合并功能實現(xiàn)不同的空間分辨率。

圖7 面陣CMOS器件拼接Fig.7 Butting of array CMOS detectors

在圖像模式下，衛(wèi)星飛行方向的探測器陣列較大（全色1024個像元，多光譜256個像元），可以利用面陣CMOS高幀頻高重疊率成像。在地面進行數(shù)值相加實現(xiàn)時間延遲積分（TDI）功能（數(shù)據(jù)量會增大，需要更大比例的壓縮和精確的地面配準處理），并采用圖像復(fù)原處理，以保證圖像具有足夠的清晰度和信噪比。在視頻模式下，僅用其中一片全色面陣CMOS器件（3072×1024個像元）對同一目標區(qū)域高幀頻成像。考慮到橫向的錯位和偏移，經(jīng)過地面配準和校正處理后，有效視頻覆蓋范圍約為2 km×1.1 km。不過，由于全色和多光譜探測器的焦面布局方式，難以實現(xiàn)彩色視頻成像。

2）光學系統(tǒng)特性分析

根據(jù)星下點空間分辨率0.9 m，探測器像元大小為6.5μm，可以計算出光學系統(tǒng)焦距在4.2 m左右，考慮衛(wèi)星尺寸（小于60 cm×60 cm×95 cm），光學系統(tǒng)口徑在Φ350 mm左右，而視場角大小約為0.8°（8 km幅寬、578 km軌道高度）。采用相對成熟的卡塞格林光學系統(tǒng)，相對容易加工裝調(diào)，能保證較好的成像質(zhì)量和穩(wěn)定性。同時，卡塞格林光學系統(tǒng)優(yōu)良的軸對稱特性，也便于相機與衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計（見圖8）。

圖8 相機與衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計示意Fig.8 Sketch of integrated structural design between camera and satellite

3）成像電路特性分析

在視頻模式下（3072×1024個像元），由于30幀/秒的視頻每幀積分加上數(shù)據(jù)采集的總時間為33.3 ms，考慮到要具有足夠的信噪比，對于1 m左右的空間分辨率，傳統(tǒng)推掃的單行積分時間約為0.15 ms，按照像移量不超過6個像元來考慮，曝光時間不超過1 ms，因此，留給數(shù)據(jù)采集和讀寫的時間約為32 ms，可以計算出數(shù)據(jù)采集速率約為100 MHz（3072×1024/0.032 s）。

綜合以上分析，總結(jié)光學遙感器的主要技術(shù)指標見表2。

表2 光學遙感器的主要技術(shù)指標Table 2 Major technical parameters of optical remote sensor

3.2 姿態(tài)控制特性分析

1）俯仰角側(cè)擺能力分析

在持續(xù)90 s的視頻成像過程中，對應(yīng)的幾何關(guān)系示意見圖9。衛(wèi)星在軌飛行距離為，在地球上的投影距離為，考慮衛(wèi)星軌道高度H為578 km，地球半徑Re為6 378.137 km，可利用式（1）計算出衛(wèi)星運動對應(yīng)的地面弧長距離為624.67 km。

圖9 視頻成像90 s持續(xù)時間內(nèi)的姿態(tài)分析Fig.9 Attitude analysis during 90s video imaging

式中：開普勒常數(shù)μ為3.986×105km3/s2。

地心張角∠AOC＝5.61°，對應(yīng)的半角∠AOB＝α＝2.81°，在△AOB＇中，根據(jù)式（2）計算得到斜距AB＇為663.911 km。

進一步，在△AOB＇中，可根據(jù)式（3）計算得到俯仰角θ為28.097°。

從以上分析可以看出：對于衛(wèi)星平臺，首先要在俯仰方向上有約±30°的指向，然后在90 s內(nèi)具有持續(xù)凝視指向能力。

2）俯仰角速度分析

為了實現(xiàn)視頻衛(wèi)星對地面區(qū)域的近似凝視成像，要在俯仰方向具有一定的姿態(tài)角速度，目的是抵消衛(wèi)星軌道的飛行速度。根據(jù)圖9，Va表示衛(wèi)星俯仰角方向上的速度，Vax為該速度在沿軌道方向上的投影，Vay為該速度在垂直軌道方向上的投影，Vo為軌道方向上的速度，為抵消Vo，理論上Vax與Vo應(yīng)大小相等、方向相反，根據(jù)圖9中的幾何矢量關(guān)系，俯仰角速度的計算公式如下。

式中：ω為軌道運動的角速度。

根據(jù)式（4），可以得到俯仰角速度隨時間的變化曲線，如圖10所示。可以看出，在整個90 s的過程中，要實現(xiàn)對地面同一區(qū)域的完全凝視，俯仰角速度的變化應(yīng)較小，為了簡化衛(wèi)星控制難度、較為容易地實現(xiàn)，可以取成像過程中的平均角速度為0.691（°）/s。

圖10 視頻成像過程對俯仰角速度的要求Fig.10 Requirement of pitch angle velocity during video imaging

3）姿態(tài)穩(wěn)定度分析

為保證在視頻模式下的成像質(zhì)量，在積分時間（1 ms）內(nèi)的累積像移偏差不超過0.3個像元，可以計算得到姿態(tài)穩(wěn)定度要求為

式中：R為每個像元的地面采樣距離；Δt為積分時間。

如果將R為0.9 m，H為578 km，Δt為1 ms，代入式（5），即可求得姿態(tài)穩(wěn)定度為0.03（°）/s。

4）姿態(tài)指向精度分析

對于面陣成像來說，姿態(tài)指向精度不會影響成像質(zhì)量，但會使光學遙感器的視軸發(fā)生偏移，尤其是考慮到多幀之間的重疊率大于50%以上，姿態(tài)指向的控制精度要求為

如果將R為0.9 m，H為578 km，代入式（6），即可求得姿態(tài)的指向精度為0.05°。

3.3 空間分辨率特性分析

以空間分辨率為0.9 m來分析，俯仰方向指向28°，考慮地球的曲率，對應(yīng)的空間分辨率約為1.26 m，在90 s持續(xù)的2700幀圖像中，其空間分辨率變化從0.9 m到1.26 m（如圖11所示），平均的空間分辨率約為1.1 m。

圖11 視頻成像時間內(nèi)空間分辨率的變化Fig.11 Variation of spatial resolution during video imaging

3.4 立體像對基高比特性分析

對于城市等高低起伏變化大的地區(qū)，在獲取傳統(tǒng)的雙線陣或者三線陣立體像對時，不可避免地存在一定程度的遮擋，攝影死區(qū)較大。而在視頻模式下，可以在俯仰方向以不同角度連續(xù)高幀頻成像，90 s內(nèi)可獲取2700幀視頻圖像。在±30°俯仰角范圍內(nèi)的不同幀圖像之間以面陣方式形成立體像對，可以得到從近似0.00到1.07之間的多種基高比（如圖12所示），從而可以“不留死角”地獲得建筑物等的高程信息。

圖12 視頻模式下立體像對的基高比Fig.12 B/H for stereo pairs in video mode

4 結(jié)論

低軌高空間分辨率視頻衛(wèi)星的出現(xiàn)具有重要意義，它改變了傳統(tǒng)的圖像獲取模式。通過以SkySat為代表的視頻衛(wèi)星成像特性分析，建議在以下幾方面開展重點研究。

（1）較高的姿態(tài)指向精度和姿態(tài)角速度控制精度：確保視頻衛(wèi)星在俯仰方向上具備高精度的姿態(tài)跟蹤與凝視功能，使衛(wèi)星光學遙感器的光軸對同一區(qū)域進行不間斷視頻成像。

（2）較高的數(shù)據(jù)采集速率：除了具有高性能的面陣CCD/CMOS器件之外，還要具備高幀頻數(shù)據(jù)采集技術(shù)。1 m左右空間分辨率、2 km×1 km視頻覆蓋范圍的衛(wèi)星視頻相機，其數(shù)據(jù)采集速率約為100 MHz，如果增大視頻覆蓋范圍，視頻相機的數(shù)據(jù)采集速率將進一步提高。

（3）視頻序列圖像的高精度配準：視頻成像過程持續(xù)時間長、成像的角度差異和姿態(tài)誤差等，導(dǎo)致空間上存在幾何畸變，幀間的空間分辨率不同，實現(xiàn)高精度配準是視頻衛(wèi)星高精度信息提取的必要前提。

（4）視頻成像的智能化目標提取：對同一區(qū)域的長時間持續(xù)成像，可以對凝視區(qū)域內(nèi)運動目標的運動特性進行分析。根據(jù)運動目標的運動特性和衛(wèi)星的成像特性，提取運動目標的實時信息將極大地提升視頻衛(wèi)星的應(yīng)用價值。

（5）面向視頻成像的地物高程信息獲取：視頻衛(wèi)星獲取的序列圖像可以提取高程信息，特別對城市區(qū)域高低起伏變化大的特點，可構(gòu)造小基高比無死角的立體像對，實現(xiàn)多種連續(xù)基高比的高精度高程信息提取，將顯著提高城市立體測繪的效率和精度。

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［2］劉韜.國外視頻衛(wèi)星發(fā)展研究［J］.國際太空，2014（9）：50-56 Liu Tao.Development research about foreign video satellite［J］.Space International，2014（9）：50-56（in Chinese）

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（編輯：夏光）

Imaging Characteristics Analysis for LEO Video Satellite

MAN Yiyun LI Haichao
（Qian Xuesen Laboratory of Space Technology，Beijing 100094，China）

The video satellite can acquire successive frame images by video imaging mode in space，which can realize the staring imaging for special region.Therefore，it is especially suitable for dynamic change monitoring and moving target vector indicating.This paper takes the SkySat as an example of video satellite.The major technical parameters for image mode and video mode are presented.And some technology guideline and design scheme of the optical remote sensor are analyzed.The requirement of the attitude control is analyzed and computed，such as pitch maneuver，attitude stability，and pointing precision in the 90s video imaging time.The spatial resolution and the ratio of baseline to height（B/H）of stereo images for video mode are analyzed.The critical techniques are presented such as large format CMOS detector arrays and pitch agile maneuverability etc.

video satellite；SkySat；remote sensor；imagingcharacteristic

V474

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.008

2014-11-18；

：2015-06-09

滿益云，男，副研究員，從事光學遙感衛(wèi)星系統(tǒng)仿真分析與優(yōu)化設(shè)計、在軌成像質(zhì)量監(jiān)測與定標研究工作。Email：man_yy@163.com。