CN101226058B - 一种卫星侧摆机动图像实时传输的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星侧摆机动图像实时传输的实现方法，整星采用四副测控天线收发共用，使卫星侧摆后测控天线波束全向覆盖，动量轮控制整星大角度连续快速侧摆机动，侧摆机动过程中采用陀螺测量卫星姿态，并实时计算卫星的偏流角同时对偏航角进行控制，使卫星侧摆机动到设定的侧摆角范围内并稳定；在卫星偏置飞行阶段，采用星敏感器和陀螺对卫星进行联合定姿，GPS接收机根据卫星轨道和纬度实时计算相机积分时间，相机按此积分时间进行曝光成像，卫星通过组阵数传天线将侧摆到位后的成像数据实时传输至地面站。本发明实现了卫星大角度侧摆机动，从而降低了由于相机摆动或增加摆镜而造成的相机研制难度增加，扩大了卫星的可视范围，提高了卫星的重访周期。

Description

一种卫星侧摆机动图像实时传输的实现方法

技术领域

本发明涉及一种卫星图像实时传输的实现方法，尤其涉及一种卫星侧摆机动图像实时传输的实现方法。

背景技术

目前低轨卫星携带的高分辨率轻小型相机幅宽一般为几十公里，回归周期高达几十天，无法保证对地观察及侦察的时效性，为了使得对全球任意地区重访周期缩短为几天，需要考虑采取某种方式扩大相机的可视范围。目前我国在轨卫星均不具备整星侧摆的功能，为了扩大相机的可视范围，均采用相机摆动或增加摆镜的方式，比如ZY-1卫星采用摆镜摆动方式，XX-3卫星采用相机整机摆动方式，这些方式都需要增加转动机构，工作不灵活，同时转动部件会给整星带来干扰，引起卫星姿态的变化，需要控制分系统来抵消这些干扰，这些工作方式均增加了相机和控制分系统的复杂度。

随着大力矩动量轮、控制分系统理论、现场总线技术的发展，整星侧摆机动成像技术成为目前传输型光学小卫星扩大可视范围最为灵活、有效的手段。卫星侧摆机动图像实时传输涉及到整星多个分系统，具体技术难点如下：(1)如何融合星上敏感器信息和执行机构技术，来实现大角度快速侧摆机动及机动到位后的稳定；(2)在相机成像前，如何保证相机获得正确的积分时间，以确保曝光时间与飞行速度相匹配，保证图像清晰；(3)如何配置数传天线，保证卫星侧摆机动后成像数据实时下传至地面站；(4)如何配置测控天线，减小卫星大角度侧摆对测控弧段的影响，保证实现全阶段、全姿态的卫星测控。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种卫星侧摆机动图像实时传输的实现方法，降低了相机研制难度，实现了图像实时传输，提高了图像清晰度和系统可靠性。

本发明的技术解决方案：一种卫星侧摆机动图像实时传输的实现方法，整星采用四副测控天线收发共用，两副测控天线对天安装，另外两副测控天线对地安装，使卫星侧摆后测控天线波束全向覆盖，其特征在于包括以下步骤：

(1)采用动量轮控制整星大角度连续快速侧摆机动，侧摆机动过程中利用四元数描述卫星姿态，采用陀螺测量卫星姿态，根据卫星姿态实时计算卫星的偏流角同时对偏航角进行控制，最终使卫星侧摆机动到设定的侧摆角范围内并稳定；

(2)在卫星侧摆到位后的偏置飞行阶段，采用星敏感器和陀螺对卫星进行联合定姿，星上控制分系统通过总线将侧摆角广播给GPS接收机，GPS接收机收到侧摆角后，根据卫星轨道和纬度实时计算出相机积分时间并通过总线广播给相机，相机按此积分时间进行曝光成像；

(3)卫星采用六根数传天线组阵，地面根据不同侧摆角选择相对应的数传天线，将卫星侧摆到位后成像数据实时传输至地面站。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明使用动量轮实现了整星的侧摆机动，避免了由于相机转动或相机摆镜摆动对卫星姿态的干扰，降低了相机研制的难度，在卫星侧摆机动过程中采用四元数描述卫星姿态，避免采用欧拉角描述带来的奇异性问题，实现更为简单，在侧摆到位后的稳定过程中进行偏流角控制，保证了侧摆飞行时整星三轴姿态控制精度优于0.1°、整星三轴姿态稳定度优于0.001°/s。

(2)本发明采用现场总线控制技术将卫星侧摆角、积分时间广播至相关分系统，实现星上数据共享，采用GPS接收机实时自主计算相机积分时间，确保相机曝光时间与飞行速度相匹配，保证图像清晰。

(3)本发明采用六根数传天线组阵方案实现了整星不同侧摆角度的实时图像传输，提高了系统可靠性，采用四副测控天线收发共用，避免了卫星侧摆后对测控弧段的影响。

附图说明

图1为本发明的工作过程原理图；

图2为本发明卫星侧摆20°三轴姿态角曲线图；

图3为本发明卫星侧摆20°三轴姿态角速度曲线图；

图4为本发明数传天线和测控天线组阵图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述：

如图1所示，本发明的工作过程如下：

(1)用户根据观测目标计算出整星需要侧摆的角度，例如卫星当前姿态角为0°(即滚动角、俯仰角、偏航角均为0°)，要求卫星向东侧摆20°(即滚动角为20°，俯仰角、偏航角均为0°，即目标姿态)。接到侧摆指令后星上控制计算机利用四元数描述卫星姿态，其中卫星姿态角按照如下公式来转换成四元数：

式中：

θ、ψ分别为卫星的滚动角(即侧摆角)、俯仰角和偏航角。

在侧摆机动过程中，采用陀螺测量卫星的当前姿态当前姿态

和目标姿态

作为PD控制律的输入进行负反馈控制，星上控制计算机根据PD控制率的输出按下式实时计算卫星的偏流角ψ_p：

式中：

为卫星侧摆角；

i为卫星倾角；

ω_e为地球自转角速度；

ω_s为卫星转动角速度；

a为轨道半长轴；

R_e为地球平均半径；

f为真近点角。

星上安有4个机电一体化动量轮对整星进行侧摆机动，其中三个机电一体化动量轮沿卫星的三个主轴以正交结构安装在卫星的星体上，另外一个机电一体化动量轮与卫星的三个主轴均成等角度倾斜安装，机电一体化的动量轮的最大输出力矩为0.11Nm，如可以采用德国Teldix公司等的机电一体化动量轮。在侧摆过程中，控制安装在滚动方向即X轴的动量轮快速减速，从标称转速1450rpm减小到约1050rpm，并输出最大为0.11Nm的控制力矩，控制整星绕滚动轴正向转动，当侧摆机动快到位时，X动量轮从1050rpm加速到1450rpm，回到标称转速，同时其他3个动量轮相互配合控制保证整星的稳定度，最终使卫星向东侧摆20°，侧摆到位时间约90秒。

侧摆到位至卫星稳定约为90秒，在卫星侧摆到位后的稳定过程中，星上控制计算机根据卫星姿态按下式实时计算卫星的偏流角ψ_p，由控制计算机根据实时计算的卫星偏流角ψ_p，输出控制电压至动量轮对偏航角进行控制从而确保卫星姿态稳定，即卫星航迹方向与相机CCD线阵垂直。

式中：R_e为地球平均半径；

i为卫星倾角；

ω_e为为地球自转角速度；

ω_s为为卫星转动角速度；

a为为轨道半长轴；

f为真近点角。

侧摆机动过程中三轴姿态角和角速度曲线如图2、图3所示，从图中可见，在90s内卫星侧摆机动到位，在90s～180s，卫星稳定到位，满足姿态控制精度优于0.1°、三轴姿态稳定度优于0.001°/s的要求。

(2)在侧摆到位后的偏置飞行阶段，采用高精度星敏感器输出数据修正陀螺常值漂移，从而确保在侧摆飞行时整星姿态确定精度优于0.03°、控制精度优于0.1°、整星姿态稳定度优于0.001°/s。在卫星侧摆到位后的偏置飞行阶段，星上控制计算机通过CAN总线按照总线通信协议将卫星姿态，即侧摆角20°广播给GPS接收机，GPS接收机收到卫星的侧摆角后，根据高精度卫星轨道和纬度实时计算出卫星速度V：

$V=R_e\sqrt{{(\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}}{{(H+R_e)}^3}}-{\mathrm{\ω}}_e\cos i)}^2+{\left[{\mathrm{\ω}}_e\sin i\sqrt{1-{\left(\frac{\sin \mathrm{\Φ}}{\sin i}\right)}^2}\right]}^2}$

式中：μ＝398600.5km3/s²；

R_e为地球平均半径；

H为卫星高度；

Ф为纬度；

i为卫星倾角；

ω_e为地球自转角速度。

根据卫星速度V，GPS接收机计算出相机积分时间t_i，计算公式如下：

$t_i=\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{fV}}$

式中：d为相机像元尺寸；

f为相机焦距。

GPS接收机将计算出的积分时间向CAN总线广播，避免以往地面上注积分时间控制精度不高、实时性不强的缺点。相机开机后，收到广播的相机积分时间，相机积分时间电路按照此积分时间调整进行成像，确保曝光时间与飞行速度相匹配，保证图像清晰。

(3)为了实现侧摆后实时数传，满足用户对实时数据下传的需求，在数传天线构型上，采用多天线组阵方案，可根据卫星侧摆不同角度实时数传的要求，将数传天线按不同角度摆放，将卫星侧摆到位后成像数据实时传输至地面站。。如图4所示，卫星数传天线采用六根数传天线组阵，三根天线一组，其中一组(三根)数传天线与卫星+Z方向分别呈0°、+12°、+24°摆放，另一组(三根)数传天线与卫星的+Z方向呈0°、-12°、-24°摆放，卫星侧摆不同角度时选择不同数传天线，以保证卫星侧摆照相实时数传时地面站能够接收到数据，其中TX10为备份天线。卫星在不同侧摆角下应用的数传天线如表1所示。

表1卫星不同侧摆角下对应的数传天线

卫星侧摆后，在某一特定的边界条件下(低仰角测控、卫星侧摆大角度、在边境东部向东侧摆及西部边境向西侧摆)会小量地减少某一测控弧段，对星地测控产生一定的影响。为了减小卫星侧摆后对测控弧段的影响，在测控天线的配置上，采用四副同频圆极化测控天线收发共用，其中2副测控天线安装在对天面，2副测控天线安装在对地面，波束的准全向覆盖实现全阶段、全姿态的卫星测控，地面测控站通过星上应答机、遥控单元和星务计算机与星上测控天线进行通信完成对卫星侧摆机动地测控任务。

本发明未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种卫星侧摆机动图像实时传输的实现方法，整星采用四副测控天线收发共用，两副测控天线对天安装，另外两副测控天线对地安装，使卫星侧摆后测控天线波束全向覆盖，其特征在于包括以下步骤：

(1)动量轮控制整星大角度连续快速侧摆机动，侧摆机动过程中利用四元数描述卫星姿态，采用陀螺测量卫星姿态，根据卫星姿态实时计算卫星的偏流角同时对偏航角进行控制，最后采用动量轮使卫星侧摆机动到设定的侧摆角范围内并稳定；

(2)在卫星侧摆到位后的偏置飞行阶段，采用星敏感器和陀螺对卫星进行联合定姿，星上控制分系统通过总线将侧摆角广播给GPS接收机，GPS接收机收到侧摆角后，根据卫星轨道和纬度实时计算出相机积分时间并通过总线广播给相机，相机按此积分时间进行曝光成像；

(3)卫星采用六根数传天线组阵，地面根据不同侧摆角选择相对应的数传天线，将卫星侧摆到位后成像数据实时传输至地面站。

2.根据权利要求的1所述的一种卫星侧摆机动图像实时传输的实现方法，其特征在于：所述步骤(1)中的动量轮为机电一体化动量轮，最大输出力矩为0.11Nm。

3.根据权利要求的1所述的一种卫星侧摆机动图像实时传输的实现方法，其特征在于：所述步骤(1)中偏流角的计算公式为：

式中：为卫星侧摆角；

i为卫星倾角；

ω_e为地球自转角速度；

ω_s为卫星转动角速度；

a为轨道半长轴；

R_e为地球平均半径；

f为真近点角。

4.根据权利要求的1所述的一种卫星侧摆机动图像实时传输的实现方法，其特征在于：所述步骤(2)中的总线为CAN总线。

5.根据权利要求的1所述的一种卫星侧摆机动图像实时传输的实现方法，其特征在于：所述GPS接收机根据卫星轨道和纬度实时计算相机积分时间t_i的计算公式为：

$V=R_e\sqrt{{(\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}}{{(H+R_e)}^3}}-{\mathrm{\ω}}_e\cos i)}^2+{\left[{\mathrm{\ω}}_e\sin i\sqrt{1-{\left(\frac{\sin \mathrm{\Φ}}{\sin i}\right)}^2}\right]}^2}$

$t_i=\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{fV}}$

式中：μ＝398600.5km3/s²；

R_e为地球平均半径；

H为卫星高度；

Ф为卫星纬度；

i为卫星倾角；

ω_e为卫星自转角速度；

V为卫星速度；

d为相机像元尺寸；

f为相机焦距。

6.根据权利要求的1所述的一种卫星侧摆机动图像实时传输的实现方法，其特征在于：所述步骤(3)中的六根数传天线，三根数传天线为一组，第一组的三根数传天线分别与卫星的+Z方向呈0°、+12°、+24°，第二组的三根数传天线分别与卫星的+Z方向呈0°、-12°、-24°。

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