一种抗动平台扰动的精密跟瞄稳像方法及装置

1.本发明涉及跟瞄稳像装置及方法，具体涉及一种抗动平台扰动的精密跟瞄稳像方法及装置。


背景技术：

2.利用天基二维转台搭载空间光学相机对目标动态跟瞄成像是空间科学领域的一种重要技术，其中，天基二维转台安装在卫星平台上，基于卫星平台的天基二维转台在对目标跟瞄指向的过程中，常有卫星姿态变化或星上部件运动等因素引起的扰动信息，这些扰动信息是影响稳像系统指向精度和跟踪平稳性的重要因素。然而，目前的技术尚难消除这些扰动信息，导致稳像系统的指向精度和跟踪平稳性较差，进而使得获取的目标图片清晰度较低。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种抗动平台扰动的精密跟瞄稳像方法及装置，以解决现有技术难以消除卫星姿态变化或星上部件运动等因素引起的扰动信息，导致稳像系统的指向精度和跟踪平稳性较差，进而使得获取的目标图片清晰度较低的技术问题。
4.为了达到上述目的，本发明提供了一种抗动平台扰动的精密跟瞄稳像方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.步骤1、在卫星平台上设置星敏感器，将用于获取目标图像的相机安装在摆镜作用端，将摆镜安装在转台的旋转端，将转台固定安装在卫星平台上，并在转台的基座上安装光纤陀螺；将星敏感器、摆镜、转台以及相机分别与控制单元连接；
6.步骤2、利用所述星敏感器实时测量卫星平台的第一姿态信息并发送至控制单元；利用所述光纤陀螺实时测量卫星平台的第二姿态信息以及卫星平台上的扰动信息并发送至控制单元；
7.步骤3、控制单元对所述扰动信息进行高低频信号分离，得到高频信息和低频信息，并将高频信息发送至摆镜控制器，同时根据第一姿态信息对所述低频信息进行修正，得到三轴姿态信息，再将所述三轴姿态信息解算成所述转台的两轴指向角度信息后发送至转台控制器；高低频信号分离可以有效分解光纤陀螺测量到的扰动信息，其中转台跟踪范围大，但惯量大速度慢，适用于补偿低频扰动信息；摆镜跟踪范围小，但惯量小速度快，适用于补偿高频扰动信息。
8.步骤4、所述转台控制器根据接收到的所述两轴指向角度信息控制转台转动进行反向补偿，从而稳定摆镜；同时，所述摆镜控制器根据接收到的高频信息控制摆镜摆动进行反向补偿，从而稳定相机。
9.进一步地，步骤3中具体是通过小波变换分析法对所述扰动信息进行高低频信号分离，得到高频信息和低频信息。克服短时傅里叶变换窗口大小不随频率变化等缺点，又继承了其变换局部化的思想，可以将扰动信息有效分解为高、低频信息。
10.进一步地，步骤3中具体是根据第一姿态信息并采用扩展卡尔曼滤波算法对所述低频信息进行修正，得到三轴姿态信息。
11.进一步地，所述转台为二维转台。
12.进一步地，所述光纤陀螺为三轴光纤陀螺。三轴光纤陀螺可以同时测量转台方位、俯仰、横滚三个轴向的角速度信息，而且三轴光纤陀螺体积小、重量轻、可靠性好。
13.进一步地，所述相机为精跟相机。
14.本发明还提供了一种抗动平台扰动的精密跟瞄稳像装置，其特殊之处在于：包括星敏感器、转台、光纤陀螺、摆镜、相机以及控制单元；
15.所述相机安装在摆镜的作用端，用于获取目标图像；
16.所述摆镜安装在转台的旋转端，用于调整相机的姿态；所述摆镜内置摆镜控制器；
17.所述转台固连于卫星平台之上，用于带动摆镜旋转；所述转台内置转台控制器；
18.所述光纤陀螺安装在转台的基座上，用于测量卫星平台的第二姿态信息以及卫星平台上的扰动信息；
19.所述星敏感器用于安装在卫星平台上实时测量卫星平台的第一姿态信息；
20.所述控制单元分别与星敏感器、转台控制器、摆镜控制器以及相机连接。
21.进一步地，所述光纤陀螺为三轴光纤陀螺。
22.进一步地，所述转台为二维转台。
23.进一步地，所述相机为精跟相机。
24.本发明的有益效果：
25.本发明以在转台上增设光纤陀螺的方法，可以通过光纤陀螺采集到的卫星平台上的扰动信息，再对扰动信息进行高低频信号分离，然后分别由控制转台和摆镜进行补偿，以抑制卫星姿态变化、星上运动部件等因素引起的扰动，提高了整个装置的指向精度以及跟踪平稳性，进而提高了相机获取图片的清晰度。本发明提供的跟瞄稳像装置及方法可推广应用于深空探测、空间精密测量、天文观测、空间遥感、空间碎片观测等领域，是空间科学探索领域一项共性关键平台性技术，具有应用范围广、普适性强等特点，该技术在空间领域具有重要的应用前景。
附图说明
26.图1是本发明一种抗动平台扰动的精密跟瞄稳像装置实施例的结构示意图；
27.图2是本发明实施例中抗动平台扰动的精密跟瞄稳像方法原理图；
28.图3是本发明实施例中采用扩展卡尔曼滤波的进行姿态修正的算法流程图。
29.附图标号：
30.1-卫星平台，2-星敏感器，3-转台，4-光纤陀螺，5-摆镜，6-相机。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.一种抗动平台扰动的精密跟瞄稳像方法，结合图1和图2所示，包括以下步骤：
33.步骤1、在卫星平台1上设置星敏感器2，将用于获取目标图像的相机6安装在摆镜5作用端，将摆镜5安装在转台3的旋转端，将转台3固定安装在卫星平台1上，并在转台3的基座上安装光纤陀螺4；将星敏感器2、摆镜5、转台3以及相机6分别与控制单元连接；其中转台3为二维转台，其内置转台控制器，由转台控制器进行对二维转台发送相关控制指令，摆镜5安装在二维转台跟踪架中；摆镜5内置摆镜控制器，由摆镜控制器向摆镜5发送相关控制指令；光纤陀螺4为三轴光纤陀螺；相机6为精跟相机。
34.步骤2、利用星敏感器2实时测量卫星平台1的第一姿态信息并发送至控制单元；利用光纤陀螺4实时测量卫星平台1的第二姿态信息以及卫星平台1上的扰动信息并发送至控制单元。
35.步骤3、控制单元通过小波变换分析法对扰动信息进行高低频信号分离，得到高频信息和低频信息，并将高频信息发送至摆镜5内置的摆镜控制器，同时根据第一姿态信息并采用扩展卡尔曼滤波算法对低频信息进行修正，得到三轴姿态信息，再将三轴姿态信息解算成转台3的两轴指向角度信息后发送至转台3内置的转台控制器。
36.步骤4、转台控制器根据接收到的两轴指向角度信息控制转台3转动，对摆镜5进行反向补偿，从而稳定摆镜5；同时，摆镜控制器根据接收到的高频信息控制摆镜5摆动，对相机6进行反向补偿，从而稳定相机6。
37.通常，低频信息主要由卫星姿态变化引起，但三轴光纤陀螺测量误差会随时间越来越大，于是引入星敏感器2，采用扩展卡尔曼滤波算法(ekf)联合星敏感器2测量的第一姿态信息对三轴光纤陀螺测量的低频部分进行修正，修正后的三轴姿态信息经解算形成转台3的两轴指向角度信息后发送给转台控制器，由二维转台进行反向补偿；三轴光纤陀螺测量的高频信息主要由卫星平台1上运动部件引起，因此将高频信息发送给摆镜控制器，由摆镜5进行反向补偿。这样即可提高稳像系统光轴指向精度和跟踪平稳性。
38.在进行高低频信号分离时，优选小波变换分析方法，小波变换提出了变化的时间窗概念，通过采用不同长度的时间窗，以获取所需要的低频信息或高频信息。对于小波变换分析方法，在此以一维连续离散小波变换举例进行分析，通过在matlab中使用小波函数dwt对一组光纤陀螺的实测值进行小波分解，然后再通过函数upcoef分别对低频系数和高频系数进行小波重构。
39.如图3所示，关于采用扩展卡尔曼滤波算法联合星敏感器2测量的第一姿态信息对低频信息进行修正的步骤如下：
40.s1、计算卫星平台相对于轨道坐标系的扩展角速度矢量的估计值
41.首先，假设三轴光纤陀螺测量坐标系和二维转台坐标系是重合的，那么三轴光纤陀螺测得的低频信息wz表示为二维转台坐标系相对于惯性坐标系的三轴角速度测量值；假设二维转台坐标系到卫星平台本体坐标系的转换矩阵为m1，那么卫星平台本体坐标系相对于惯性坐标系的三轴角速度测量值wg为：
42.wg＝m1wz43.然后由：
[0044][0045]
通过去除陀螺干扰项(主要为常值漂移)，可得到上一时刻卫星平台相对于轨道坐标系的角速度矢量的估计值和其扩展如下：
[0046][0047][0048]
其中：w
bi
为卫星平台相对惯性空间的角速度矢量，b为三轴光纤陀螺常值漂移，vg为三轴光纤陀螺测量噪声；w
bo
为卫星平台相对轨道坐标系的角速度矢量，为由轨道坐标系到卫星平台本体坐标系的转换矩阵，w
oi
＝[0-w
o 0]
t
，为轨道角速度wo的扩展；为上一时刻卫星平台相对于轨道坐标系的角速度矢量的估计值，表示的扩展，为上一时刻三轴光纤陀螺常值漂移估计值；k为时刻。
[0049]
s2、由上一时刻的姿态四元数和使用四阶龙格库塔法对姿态运动方程求微分得到当前时刻姿态四元数预测值
[0050]
s3、由离散后的状态方程计算状态变量估计
[0051]
首先，每次递推状态最优估计和真实状态值时，均采用状态最优估计的初始值，所以初始时刻的状态偏差最优估计状态方程恒等于零，从而状态估计值：然后，由于星敏感器直接输出四元数姿态角，根据星敏测量方程，观测的预测估计直接采用系统姿态预测值：ym表示卫星平台在轨道坐标系下的姿态角，它由星敏感器输出的惯性系下的卫星平台姿态角经坐标变换而来，故可以得到：
[0052][0053]
其中：
[0054]
(1)为误差四元数，为三轴光纤陀螺漂移估计误差；
[0055]
(2)滤波增益观测矩阵hk＝[i3×
303
×3]，测量噪声协方差阵rk＝diag(σ
p2
σ
p2
σ
p2
)，一步预测均方误差p
k/k-1
＝φ
k,k-1
p
k-1
φ
k,k-1t
+q
k-1
，过程噪声协方差阵qk＝diag(σ
g2
σ
g2
σ
g2
σ
b2
σ
b2
σ
b2
)，估计均方误差pk＝(i-k
khk
)p
k/k-1
，σ
p
为星敏感器的测量噪声均方差，σg为三轴光纤陀螺测量噪声均方差，σb为三轴光纤陀螺常值漂移白噪声均方差，φ
k,k-1
为离散化后的滤波器状态方程一步转移矩阵。
[0056]
s4、计算漂移估计
[0057]
[0058]
其中：为当前时刻三轴光纤陀螺漂移估计误差，为上一时刻三轴光纤陀螺漂移估计值对当前时刻的预测值；
[0059]
s5、由当前时刻姿态四元数预测值及误差四元数计算修正后的姿态四元数(即最优值)：
[0060][0061]
其中：
[0062]
基于上述的抗动平台扰动的精密跟瞄稳像方法本发明实施例设计了一种抗动平台扰动的精密跟瞄稳像装置，如图1所示，包括星敏感器2、转台3、光纤陀螺4、摆镜5、相机6以及控制单元；相机6安装在摆镜5的作用端，用于获取目标图像；相机6为精跟相机。摆镜5安装在转台3的旋转端，用于调整相机6的姿态；转台3固连于卫星平台1之上，用于带动摆镜5旋转；转台3为二维转台。光纤陀螺4安装在转台3的基座上，用于测量卫星平台1的第二姿态信息以及卫星平台1上的扰动信息；光纤陀螺4为三轴光纤陀螺。星敏感器2用于安装在卫星平台1上实时测量卫星平台1的第一姿态信息；控制单元分别与星敏感器2、转台控制器、摆镜控制器以及相机6连接。
[0063]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明披露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种抗动平台扰动的精密跟瞄稳像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在卫星平台(1)上设置星敏感器(2)，将用于获取目标图像的相机(6)安装在摆镜(5)作用端，将摆镜(5)安装在转台(3)的旋转端，将转台(3)固定安装在卫星平台(1)上，并在转台(3)的基座上安装光纤陀螺(4)；将星敏感器(2)、摆镜(5)、转台(3)以及相机(6)分别与控制单元连接；步骤2、利用所述星敏感器(2)实时测量卫星平台(1)的第一姿态信息并发送至控制单元；利用所述光纤陀螺(4)实时测量卫星平台(1)的第二姿态信息以及卫星平台(1)上的扰动信息并发送至控制单元；步骤3、控制单元对所述扰动信息进行高低频信号分离，得到高频信息和低频信息，并将高频信息发送至摆镜控制器，同时根据第一姿态信息对所述低频信息进行修正，得到三轴姿态信息，再将所述三轴姿态信息解算成所述转台(3)的两轴指向角度信息后发送至转台控制器；步骤4、所述转台控制器根据接收到的所述两轴指向角度信息控制转台(3)转动进行反向补偿，从而稳定摆镜(5)；同时，所述摆镜控制器根据接收到的高频信息控制摆镜(5)摆动进行反向补偿，从而稳定相机(6)。2.根据权利要求1所述的抗动平台扰动的精密跟瞄稳像方法，其特征在于：步骤3中具体是通过小波变换分析法对所述扰动信息进行高低频信号分离，得到高频信息和低频信息。3.根据权利要求2所述的抗动平台扰动的精密跟瞄稳像方法，其特征在于：步骤3中具体是根据第一姿态信息并采用扩展卡尔曼滤波算法对所述低频信息进行修正，得到三轴姿态信息。4.根据权利要求1或2或3所述的抗动平台扰动的精密跟瞄稳像方法，其特征在于：所述转台(3)为二维转台。5.根据权利要求4所述的抗动平台扰动的精密跟瞄稳像方法，其特征在于：所述光纤陀螺(4)为三轴光纤陀螺。6.根据权利要求5所述的抗动平台扰动的精密跟瞄稳像方法，其特征在于：所述相机(6)为精跟相机。7.一种抗动平台扰动的精密跟瞄稳像装置，其特征在于：包括星敏感器(2)、转台(3)、光纤陀螺(4)、摆镜(5)、相机(6)以及控制单元；所述相机(6)安装在摆镜(5)的作用端，用于获取目标图像；所述摆镜(5)安装在转台(3)的旋转端，用于调整相机(6)的姿态；所述摆镜(5)内置摆镜控制器；所述转台(3)固连于卫星平台(1)之上，用于带动摆镜(5)旋转；所述转台(3)内置转台控制器；所述光纤陀螺(4)安装在转台(3)的基座上，用于测量卫星平台(1)的第二姿态信息以及卫星平台(1)上的扰动信息；所述星敏感器(2)用于安装在卫星平台(1)上实时测量卫星平台(1)的第一姿态信息；所述控制单元分别与星敏感器(2)、转台控制器、摆镜控制器以及相机(6)连接。8.根据权利要求7所述的抗动平台扰动的精密跟瞄稳像装置，其特征在于：所述光纤陀
螺(4)为三轴光纤陀螺。9.根据权利要求7或8所述的抗动平台扰动的精密跟瞄稳像装置，其特征在于：所述转台(3)为二维转台。10.根据权利要求9所述的抗动平台扰动的精密跟瞄稳像装置，其特征在于：所述相机(6)为精跟相机。

技术总结
本发明公开了一种抗动平台扰动的精密跟瞄稳像方法及装置，以解决现有技术难以消除卫星姿态变化或星上部件运动等因素引起的扰动信息，导致稳像系统的指向精度和跟踪平稳性较差的问题。本发明以在转台上增设光纤陀螺的方法，可以通过光纤陀螺采集到的卫星平台上的扰动信息，再对扰动信息进行高低频信号分离，然后分别由控制转台和摆镜进行补偿，以抑制卫星姿态变化、星上运动部件等因素引起的扰动，提高了整个装置的指向精度以及跟踪平稳性，进而提高了相机获取图片的清晰度。本发明提供的跟瞄稳像装置及方法可推广应用于深空探测、空间精密测量测等领域，具有应用范围广、普适性强等特点，该技术在空间领域具有重要的应用前景。景。景。


技术研发人员：程志远 纪洲 郝伟 李治国 高彦生 苏华
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/25