题目：敏捷卫星姿态机动策略研究

 

敏捷卫星（又称灵巧卫星），作为新一代的对地观测卫星，最近几年来受到了全世界相关领域的研究人员越来越多的关注。敏捷卫星具有姿态机动快、指向精度高等特点，使得其在对地观测任务上的应用具备不同于传统对地观测卫星的工作模式。本文研究的主要目的就是通过对敏捷卫星的工作模式、姿态机动模式等姿态机动能力方面的研究，结合轨道、载荷参数的设计，对敏捷卫星对地观测任务的姿态机动策略设计问题进行比较系统的研究。围绕上述研究目的，本文主要完成了以下研究工作：

（1）敏捷卫星姿态机动策略基础理论研究。针对敏捷卫星的姿态机动能力、独特的工作模式等特性，调研了国内外一些高分辨率商业成像卫星的工作模式，以及最大姿态机动角度、角速度、角加速度、机动稳定时间等姿态机动能力参数，提出了敏捷卫星的四种典型观测模式：同轨拼幅观测模式、同轨多点连续观测模式、同轨立体拼幅观测模式以及同轨立体多点连续观测模式。同时，对敏捷卫星姿态机动模式、机动过程等方面进行研究、分析，为后续建模工作打好基础。

（2）敏捷卫星姿态机动策略设计问题的预处理技术研究。首先给出了载荷视轴与地球表面交点的计算方法。然后分析了卫星、地球、太阳三者之间的空间位置关系以及相互可见性分析的快速计算算法。通过视轴与地球表面交点的算法和可见性快速算法，利用卫星轨道运行的特点，对任务目标进行条带化处理，将区域目标以及点目标统一成条带目标，以方便姿态机动策略设计问题的求解。提出了需求供应比率的概念，在进行姿态机动策略制定之前对任务的完成情况进行预判断，指导用户合理设置任务并充分利用敏捷卫星的观测能力，更好地完成任务。

（3）基于图论理论，采用基于时间序有向无圈图的方法对敏捷卫星姿态机动策略设计问题进行建模，提出了一种基于时间序有向无圈图的多条带对地观测姿态机动策略算法，并通过搜索有向无圈图中最优路径的方法对敏捷卫星的同轨拼幅观测、同轨多点连续观测、同轨立体观测等问题进行求解，获得观测收益高、机动时间消耗少的机动方案。该算法通过将观测条带目标的时间窗口离散化成一系列含有条带信息的时刻点，基于时间顺序将这些时刻点进行排序，并构造有向无圈图。通过时刻点所含有的条带信息，能够对目标切换的姿态机动时间消耗进行准确的计算，从而使所建立的数学模型能够更加贴近实际工程情况，所研究的结果能够更好地应用于实际工程中。

（4）通过对轨道参数、载荷参数，以及姿态机动能力等参数对敏捷卫星姿态机动策略的影响进行了相关性分析，获得有价值的结论，并应用于混轨组网协同观测的任务设计方法中。从观测幅宽、观测分辨率以及过境时长等方面，对中、低轨卫星不同的轨道高度特性在对地观测任务中的应用和影响进行分析；并分析了观测载荷的焦距、像元尺寸等重要参数对观测分辨率的影响。针对敏捷卫星不同的轨道参数，不同的载荷视场角，不同的姿态机动能力，从最大姿态机动角度、机动角速度、角加速度、姿态机动模式、机动过程等方面，对敏捷卫星姿态机动策略的设计结果进行比较、分析。通过相关性分析，为后续的混轨组网对地观测任务的应用提供理论支持。

（5）以在较大范围区域内搜索失事飞机的任务需求为背景，从轨道、载荷、姿态等方面，为敏捷卫星混轨组网观测系统的相关参数设计以及姿态机动策略设计提供了一种有效的设计方法。首先利用一种基于帐篷映射的混沌粒子群优化算法，对敏捷卫星混轨组网对地观测任务中各个卫星的轨道参数、载荷参数、姿态机动能力参数进行设计，使得其满足观测任务的分辨率、幅宽等要求，同时通过需求供应比率对观测任务进行预判断，指导后续姿态机动策略的设计。最后，利用本文提出的基于时间序有向无圈图的敏捷卫星姿态机动策略算法对混轨组网观测系统中各颗卫星的姿态机动策略进行设计，从而完成在较大范围区域搜索失事飞机的对地观测任务。