一种卫星多角度观测方法、观测卫星系统

本发明涉及商用小卫星或微卫星尤其是分焦面偏振多光谱气溶胶观测卫星的多角度观测方法以及应用了该方法的观测卫星系统。

背景技术：

1、气溶胶，是指悬浮于大气中的固态或液态颗粒与大气共同组成的气态分散系统。气溶胶通过对太阳辐射的散射和吸收，直接影响了地球辐射的收支平衡和全球气候的变化。工业革命后，人类的生产活动极大地改变了全球的气溶胶组分、浓度和分布，需要建立全球气溶胶监测系统，来研究气溶胶对全球气候变化产生的影响，并对未来的气候变化进行预测。除此之外，气溶胶会影响对地遥感，强烈的散射会使采集的图像模糊。为了对遥感图像进行复原，除了采用数字图像处理算法外还可以采用大气校正算法。即，准确获取某一区域的气溶胶分布，计算出散射对成像的影响，再逆向复原无气溶胶散射的原始图像。因此，建立全球气溶胶监测系统不仅有助于研究气溶胶对气候和天气的影响，同时还可以为对地遥感提供大气校正的服务。

2、多个国家和机构在内的组织发射了用于气溶胶观测的卫星载荷。这些载荷依据观测模式主要分为：单角度多光谱测量仪器、多角度多光谱测量仪器、单角度多光谱偏振测量仪器和多角度多光谱偏振测量仪器。经研究发现，如果没有气溶胶准确的先验信息，即使地表反射率已知，单视场角的多光谱信息也无法充分提供气溶胶特性的信息。这种情况下，单角度的多光谱偏振测量、多角度多光谱测量、单角度多光谱偏振测量可将光学厚度的误差降低5到20倍。在此基础上，使用多角度多光谱的偏振测量可进一步将误差降低2到3倍。因此，为了获取高精度的气溶胶参数来进行气候的研究，需要采用多角度多光谱偏振测量仪器进行气溶胶和表面特性的检索。

3、目前，已经有多个在轨运行的多角度多光谱旋光计用于气溶胶的探测。法国研制的偏振多角度传感器(polarization and directionality of the earth’s reflectanceinstrument，polder)和安徽光机所研制的多角度偏振相机(directional polarimetriccamera,dpc)同属于分时多光谱旋光计。分别将不同波段的滤光片和不同偏振角的偏振片配置在转轮上，实现气溶胶光谱信息和偏振信息的分时获取。超广角的光学镜头采集大范围的景物信息。由于该仪器置于太阳同步轨道，地表及上部的气溶胶依次出现在视场边缘、视场中心和视场边缘，实现了多角度获取气溶胶的偏振和光谱信息。

4、由马里兰大学研制的分振幅偏振探测载荷——超角度彩虹旋光仪(hyper-angular rainbow polarimeter,harp)也可以实现气溶胶的多角度多光谱的偏振探测。harp利用菲利普棱镜将入射光分成3束，并在光的出射方向设置0°、45°和90°的偏振片和相同的滤光片条带，实现分振幅的多光谱偏振探测。多角度也是通过宽视场的光学镜头和在轨推扫(push-broom)实现的。

5、相对的，欧空局的哥白尼二氧化碳监测卫星(copernicus co2monitoring,co2m)上搭载的多角度偏振旋光仪(multi-angle polarimeter,map)是基于分焦面探测的多光谱旋光计。与前两者不同，该仪器将偏振片条带与滤光片条带周期性地集成在cmos图像传感器的表面，使面阵光电探测器同时具备探测光谱和偏振的能力。与前两类旋光计相比没有运动部件，偏振精度获得有效的提升，同时光路结构简单，有效地降低了系统的复杂度、体积和重量，提升了探测的信噪比。co2m搭载了4台map，并且每台map具有不同的指向角。由于该卫星也是工作于太阳同步轨道，因此不同指向角的map会依次采集目标区域的气溶胶信息，以此实现多角度探测。

6、随着航天技术的不断发展，卫星逐渐商用化。商用卫星通常具备以下特点：1.造价低；2.全球组网。造价低不仅仅体现在卫星本身的制造成本上，同时还要求卫星的体积小、重量轻。这样，一次火箭发射可以携带几十甚至上百个卫星，更容易实现全球组网。目前，通讯卫星和高分辨对地观测卫星已经成功实现了商用。气溶胶观测卫星还没有实现商用，但已经出现了向商用卫星过渡的趋势。

7、由滤光条带组和分焦面偏振探测器组成的分焦面多光谱偏振探测器，已成功地解决了光谱和偏振探测技术的小型化。目前唯一制约气溶胶观测卫星商用化的是多角度观测技术。上文分析的多角度观测卫星是通过设计大视场角的光学镜头或在同一卫星平台上搭载不同指向角的载荷实现的。但大视场角的光学镜头不仅体积庞大，且存在渐晕和视场畸变，设计、加工和图像的校正都非常困难。而搭载多个不同指向角的载荷不仅功耗成倍增加，且质量大。这两种多角度观测的实现方案严重阻碍了气溶胶观测卫星的商用化。

8、鉴于此，为了既满足卫星在例如气溶胶观测、地理测绘和云测量中的多角度观测需求，同时有效地减少载荷的体积与重量，需要一种新的多角度观测方案。

技术实现思路

1、如上所述，通过设计大视场角的光学镜头来实现分焦面偏振多光谱探测器多角度观测时，会带来载荷体积变大、渐晕和视场畸变，以及边缘视场消光比降低和滤光片的偏振分离的现象；而采用单卫星搭载多个不同指向角的载荷会带来功耗、质量增加的问题。

2、本发明的目的在于，针对商用气溶胶观测卫星体积小、重量轻的需求，提供一种新的多角度观测的方案以克服上述问题。

3、通常情况下，卫星由位置与姿态控制系统、通讯系统、电源系统、温控系统、入轨与推进系统、载荷等组成。其中位置与姿态控制系统的作用是保持卫星处于相应的轨道和姿态。卫星在轨运行时，受其他天体引力的干扰可能会偏离预设轨道，因此需要位置与姿态控制系统进行位置调整。此外对于光学遥感卫星，随着在轨运行，光学镜头会指向非星下点的区域，因此也需要位置与姿态控制系统的姿态调整。

4、受co2m中搭载多个不同指向的map，以及位置与姿态控制系统的调整功能的启发，本发明提出一种利用卫星姿态调整的方案实现气溶胶载荷多角度观测。这种方案不会额外地增加卫星的重量与体积，保证了商用卫星小型化、低成本的要求。

5、具体而言，本发明提供一种基于卫星姿态调整实现卫星多角度观测的方法，用于光谱和偏振的测量方案分别为条带滤光片和分焦面偏振探测器的气溶胶测量载荷。传统的位置与姿态控制系统的运行方式是保证卫星在预设轨道运行，并使载荷的光学系统的光轴始终与星下点的法线重合。在本发明中，位置与姿态控制系统的运行方式是保证卫星在预设轨道运行，并使载荷的光学系统的光轴与星下点的法线呈一定的夹角。并且，在运动的过程中使夹角不断变化，实现对同一观测目标的多角度观测。

6、更具体地，本发明提供一种卫星多角度观测方法，利用微小卫星上的单个载荷获取地面上观测目标的多角度观测数据，其中，在所述观测目标处于以所述卫星的星下点为中心的卫星运行方向上的前后规定范围内的期间，通过所述卫星的位置与姿态控制系统进行所述卫星的姿态控制，以随着所述卫星的运行，使所述载荷的光学系统的光轴与星下点的法线之间的夹角即所述卫星的偏摆角处于不同的多个角度。

7、在本发明的卫星多角度观测方法中，按照如下方式进行所述卫星的姿态控制：先将所述卫星的偏摆角控制为某一偏摆角，然后维持该偏摆角一段期间，之后使所述卫星的偏摆角减小至另一偏摆角。

8、此外，本发明提供一种卫星系统，包括卫星和控制部，其中，所述卫星包括卫星平台和搭载于其上的载荷，所述卫星平台具有包括动量轮和微推进器的位置与姿态控制系统，其中，在地面的观测目标处于以所述卫星的星下点为中心的卫星运行方向上的前后规定范围内的期间，所述控制部通过所述卫星的位置与姿态控制系统进行所述卫星的姿态控制，以随着所述卫星的运行，使所述载荷的光学系统的光轴与星下点的法线之间的夹角即所述卫星的偏摆角处于不同的多个角度。

9、在本发明的卫星系统中，按照如下方式进行所述卫星的姿态控制：先将所述卫星的偏摆角控制为某一偏摆角，然后维持该偏摆角一段期间，之后使所述卫星的偏摆角减小至另一偏摆角。

10、此外，本方案对于载荷的光学镜头没有限制。镜头的光学设计部分可以以分焦面偏振探测器和滤光条带的光学性能为第一参考因素。

11、此外，载荷的观测角度可以是多种多样的。因此可以获得各种角度的气溶胶观测数据，便于气溶胶反演的研究。

12、本发明具有如下技术效果：

13、1.本发明的多角度观测方法，是针对偏振和光谱探测采用焦平面分割的情况而设计的。分焦面偏振多光谱探测是将偏振器件和光谱器件集成到探测器表面的一种技术，最大程度地减少了探测载荷的重量和体积。由于载荷重量小，因此惯性也更小，卫星姿态调整时也更加迅速，更适用于通过卫星姿态调整实现多角度数据的观测。

14、2.采用本发明的多角度观测方法，对载荷的光学镜头的视场角没有限制。无论视场角的大小如何，总能够通过卫星姿态的偏摆，获取到设计视场角之外的观测角度。

15、3.采用本发明的多角度观测方法，可获取的多角度数据的各观测角度并不是固定的。可通过实时调整卫星的姿态，获取各种观测角度的气溶胶数据，更加适用于大气反演的研究。

16、4.采用本发明的多角度观测方法会牺牲一定的拍摄面积。当载荷的帧率一定时，每一轨获取的图像数量是一定的。将这些图像拼接，能够获取轨道正下方覆盖的全部区域。而采用本方法，每一轨仅能获取轨道下方对应的多个特定区域的多角度数据，单一卫星获取全球气溶胶分布的数据的周期将更长。不过，这一问题可通过卫星组网来解决。当组网卫星的密度足够大时，可一天内多次获取全球气溶胶的多角度数据。