CN102607531B - 空间低速高精度二维像移补偿指向控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间低速高精度二维像移补偿指向控制系统。该系统通过控制二维指向镜的摆扫实现二维像移补偿，可对同一目标连续多次成像来提高探测器对地物的凝视时间，从而增大信噪比，满足高分辨率成像的要求。整个系统由综合控制器和伺服驱动机构组成，综合控制器由数字控制器和模拟驱动器组成。其中数字控制器采用DSP+CPLD的实现方案，DSP实现速度估计算法、控制和补偿算法，CPLD实现反馈信息的获取和CAN通信时序控制，最终实现低速高精度的二维像移补偿指向控制技术。

Description

空间低速高精度二维像移补偿指向控制系统

技术领域：

本发明涉及运动补偿控制技术、智能控制技术和估计算法，具体指一种应用于空间凝视成像仪的低速高精度二维像移补偿的指向控制方法，它可广泛应用于高分辨率凝视成像仪等。

背景技术：

在与目标相对静止的卫星平台上，如地球同步静止轨道卫星，凝视成像可以有效的获取图像。对于同样的凝视成像仪，装在低轨对地观测卫星平台上比装在地球同步静止轨道对地观测卫星平台上可以获得更高的空间分辨率，但观测幅宽减小。但在低轨对地观测卫星上，由于卫星相对于景物快速运动，在卫星飞行方向上会产生像移，从而引起图像质量下降甚至难以成像。像移引起的图像质量下降与积分时间和驻留时间等因素有关，是否采取像移补偿措施取决于像移对图像质量的影响是否在允许的范围之内。对于中低分辨率的凝视相机，被观测目标的像在探测元上的驻留时间较长，即大于或等于探测器的积分时间，也即像移量小于或等于探测元尺寸，像移对图像质量的影响还可接受，进行适当像移补偿或不进行像移补偿都能满足成像要求。而对于高分辨率的凝视相机，若被观测目标的像在探测元上的驻留时间比探测器积分时间短，产生的像移量明显大于探测元尺寸，即对图像质量的影响较大，不进行像移补偿很难获得较好的成像质量。

进行像移补偿的方法有很多，如利用凸轮推动焦平面的机械运动补偿、TDI方式的电子学运动补偿、北京凌云光视数字图像技术有限公司在2007年申请的专利航空全帧转移型面阵CCD相机像移补偿方法(专利申请号200710117666.5)所述的电子学像移补偿等。上述补偿方法中，机械运动补偿只适用于胶片相机，TDI方式的电子学补偿受探测器尺寸的影响，补偿的范围不大，且只能进行一维补偿。本文提出一种应用于低轨卫星平台上的凝视成像仪的二维像移补偿装置，通过控制二维指向镜向后摆扫实现前向像移补偿，可对同一目标连续多次成像来提高探测器对地物的凝视时间，从而增大信噪比，满足高分辨率成像的要求，使得安装在低轨卫星上的成像仪也可以像静止轨道卫星上的成像仪一样进行凝视成像或准凝视成像。此外，为增大系统沿穿轨方向的观测幅宽，二维指向镜可沿方位方向进行侧视，侧视完成后，进行成像和像移补偿。

发明内容：

本系统主要目的是解决低轨卫星平台上的高分辨率凝视成像仪存在的前向像移及其如何消减的问题，利用PMSM控制指向镜以一定速度向后摆扫，使CCD相机在一定时间内对同一目标连续多次成像，提高CCD相机的驻留时间，从而提高成像质量。

已知轨道高度H、轨道倾角i₀和系统焦距f，并假定卫星姿态稳定，经过由地理坐标系到地球坐标系到地心惯性坐标系到轨道坐标系到航天器坐标系到相机坐标到像面坐标共六次坐标变换，可得像面上各点像移方程为式(1)～(2)。其中V_p1为前向像移速度，V_p2为横向像移速度，R为地球半径，ω为地球自转角速度，h为被摄目标的地形高度，Ω为摄影时刻空间飞行器轨道运动相对于地心的角速率，γ₀为摄影时刻在轨道平面内，空间飞行器到降交点或升交点之间所对应的中心角，G₁、G₂为摄影时刻，空间相机视场光栏中心对应的被摄目标点在地理坐标系的前向和横向距离。

$V_{p1}=\frac{f}{H-h}[\mathrm{\Ω}(R+h)-\mathrm{\ω}(R+h)\cos i_0-G_2\mathrm{\ω}\sin i_0\sin {\mathrm{\γ}}_0]---\left(1\right)$

$V_{p2}=\frac{f}{H-h}[\mathrm{\ω}(R+h)\sin i_0\cos {\mathrm{\γ}}_0-G_1\mathrm{\ω}\sin i_0\sin {\mathrm{\γ}}_0]---\left(2\right)$

代入数据计算得到像面上中心点前向像移速度为3.6mm/s，其它点相对于中心点前向像移速度差别不大，中心点横向像移速度为7.68μm/s，距离中心点前向距离512个像元的像点横向像移速度为0～2.52μm/s，距离中心点测向距离512个像元的像点横向像移速度也为7.68μm/s。可见，横向像移速度相对于前向像移速度很小，偏流角接近于0，所以只要补偿了前向像移，基本上就能满足高分辨率成像的要求。

本系统要实现对目标连续成像10次，即驻留时间提高10倍。结合轨道高度800km计算得到指向镜补偿的角速度约为0.21度/s，随着指向镜角度的变化，补偿速度会有微小的变化，如图1所示。另外，在对每个区域进行成像补偿前，首先都要将指向镜中心定位到每个区域的中心，如图2所示，以确保区域A1，A2，A3的中心点在同一直线上以及A1，B1，C1的中心点也在同一直线上。假定初始时刻，指向镜俯仰轴垂直纸面，方位轴与光轴重合，指向镜法线与光轴成45度角。为了拍摄区域A1，指向镜绕方位轴沿逆时针偏转2度(视场2度×2度)，然后CCD相机开始连续对A1成像10次，同时指向镜绕俯仰轴按图1所示速度向后摆扫进行补偿。补偿结束，指向镜回到初始时刻位置，但由于卫星已经飞行了900ms，所以指向镜需要绕俯仰轴再向后摆动0.1度才能保证此时成像区域中心点与A1中心点基本在同一直线上，然后CCD相机再对该区域连续成像10次，同时指向镜绕俯仰轴按像移补偿速度向后摆扫。注意，此时指向镜的补偿速度较图1所示有微小的变化，因为指向镜的初始位置不一样。依次类推，再依次对区域A3，B1，B2，B3，C1，C2，C3......分别连续成像10次。

整个控制系统由综合控制器和伺服驱动机构组成。其中综合控制器由数字控制器和模拟驱动器组成，其硬件实现框图如图3所示。其特征在于：所述的数字控制器采用DSP+CPLD作为硬件实时处理平台，CAN总线作为通信总线。CPLD实现的主要功能模块包括CAN总线地址数据复用控制和DSP反馈信息获取，其内部功能框图如图4所示；DSP实现的功能主要有：CAN指令的接收、解析和应答，指向算法和像移补偿算法的预处理，驱动电机三环控制算法以及空间矢量算法。系统上电后，数字控制器通过CAN总线接受用户指令，产生相应的PMW信号给模拟驱动器，模拟驱动器驱动伺服机构带动指向镜按用户指令进行指向或是像移补偿。

作为算法的核心部件，DSP工作流程如下：DSP首先进行内部参数初始化和CAN控制器初始化，初始化结束后开启定时器，定时时间和电流采样时间一致，程序等待中断；定时时间到，进入中断服务子程序，系统先对角度信息和相电流进行采样，然后利用组合速度估计算法对反馈速度进行估计，接着接收CAN指令并对指令内容进行解析，如果是指向命令，程序先进行位置环前馈校正得到速度环控制信号并馈入速度环，速度环进行PDFF校正，产生电流环的控制信号并馈入电流环，最后实现空间矢量算法并输出6路PWM信号控制电机到指定位置，如果是补偿命令，像移补偿速度指令直接输入到速度环，速度环同样进行PDFF校正产生电流控制信号，最后实现空间矢量算法并输出6路PWM信号控制电机按像移补偿速度进行摆扫以补偿像移，具体流程见图5所示。

伺服驱动机构由二维指向镜、方位和俯仰维驱动电机PMSM、方位和俯仰维角位置传感器、U型框架和电机底座等组成，其中角度传感器采用23位绝对位置光栅编码器。

为实现成像区域的补偿功能以及成像区域间的指向功能，系统采用的“补偿双环”结合“指向三环”控制框图如图6所示。不同于一般的三环控制，在进行像移补偿时，输入的是像移补偿速度，伺服系统采用速度环+电流环控制。此外，在速度反馈回路中引入一种组合速度估计算法。

一般伺服系统采用的速度估计算法大多为单周期差分即

$\hat{v}=\frac{P\left(n\right)-P(n-1)}{\mathrm{\ΔT}}$

其中P(n)、P(n-1)为相邻采样时刻的位置值，ΔT为采样周期。这种估计方法在速度较高时可以满足精度要求，但在低速时估计误差较大。而对于本文的消像移运动补偿控制，在进行像移补偿时速度很低(＜1度/s)，在进行指向时速度较大。针对此问题，本文采用组合速度估计法，即当速度高于设定的阈值时，采用差分法进行估计，当速度低于该阈值时，采用基于Kalman滤波的速度估计，具体流程图见图7。Kalman滤波是一种经典的状态估计算法，它采用“预测——校正”的模式，能够使估计误差的协方差达到最小。采用基于系统等加速度运动学模型的Kalman滤波算法，系统运动学模型为：

基于上述运动学模型的Kalman滤波算法的过程和测量方程如下：

$\stackrel{^-}{x_k}=A{\hat{x}}_{k-1}+w_k$

z_k＝Hx_k+v_k

其中，系统矩阵为 $A=\left(\begin{array}{ccc}1& T& \frac{1}{2}{T}^2\\ 0& 1& 1\\ 0& 0& 1\end{array}\right);$ 测量矩阵H＝(1 0 0)；x_k＝(θ_k，ω_k，a_k)^T，θ_k、ω_k和a_k分别是指向镜的位置、速度和加速度；w_k和v_k分别是过程噪声和测量噪声，分别满足分布：

p(w)～N(0，Q)

p(v)～N(0，R)

定义预测误差和滤波误差为：

$e_k^{-}=x_k-{\hat{x}}_k^{-}$

$e_k=x_k-{\hat{x}}_k$

则预测误差和滤波误差的协方差分别为：

$P_k^{-}=E\left[e_k^{-}{e}_k^{-T}\right]$

P_K＝E[e_k e_k ^T]

滤波方程为：

${\hat{x}}_k^{-}=A{\hat{x}}_{k-1}$

$P_k^{-}=A{P}_{k-1}{A}^T+Q$

$K_k=P_k^{-}{H}^T{({\mathrm{HP}}_K^{-}{H}^T+R)}^{-1}$

${\hat{x}}_k={\hat{x}}_k^{-}+K_k(z_k-H{\hat{x}}_k^{-})$

$P_k=(I-K_{k}H)P_k^{-}$

本发明的优点在于：

1.系统引入的组合速度估计算法，能够同时兼顾低速和高速时速度估计的精度要求，从而大大减小了速度估计误差，提高了系统的控制精度。

2.系统采用DSP+CPLD作为硬件处理平台，CAN总线作为通信总线，即发挥了DSP强大的运算能力，同时CAN总线高的数据传输率，保证了实时控制的要求。

附图说明：

图1为运动补偿角速度分析图。

图2为成像区域拼接图。

图3为像移补偿控制系统硬件框图。

图4为CPLD功能框图。

图5为DSP程序流程图。

图6为“补偿双环”结合“指向三环”控制框图。

图7为组合速度估计法流程图。

具体实施方式：

根据说明书中所述的像移补偿控制方法，整个系统由成像光学系统、二维像移补偿指向镜、焦平面CCD探测器、俯仰电机、方位电机和控制与驱动机构构成，其中：

成像光学系统口径为137mm，焦距441mm，F数为3.22，系统瞬时视场为34urad，总视场2°×2°；

二维像移指向镜固定在U型架上，尺寸为300mm×140mm，厚度为28mm，指向镜质量为0.6Kg，俯仰维转动惯量为0.004kg.m²，方位维转动惯量为0.04kg.m²；

焦平面CCD探测器面阵大小为1024×1024，响应波长为可见光波段，像元尺寸为15um*15um，图像积分时间为10ms；

伺服电机为交流永磁同步电机PMSM，极对数为12，其中俯仰方向峰值力矩为1.15Nm，方位方向峰值力矩为4.62Nm。

像移补偿控制与驱动系统的硬件结构如图3所示，数字控制器由DSP+CPLD的高精度二维控制器和逻辑译码器构成，DSP为TI公司的专用运动控制芯片TMS320F2812，其主频最高可达150MHz，可输出12路PWM波，因此可以同时控制两个电机。其中DSP主要完成以下功能：CAN指令的接收、解析和应答，指向算法和像移补偿算法的预处理，驱动电机三环控制算法以及空间矢量算法。CPLD实现的主要功能包括CAN总线地址数据复用控制和DSP反馈信息获取。

Claims (2)

1.一种空间低速高精度二维像移补偿指向控制系统，它由综合控制器和伺服驱动机构组成，其中综合控制器由数字控制器和模拟驱动器组成，其特征在于：所述的数字控制器采用DSP+CPLD作为硬件实时处理平台，CAN总线作为通信总线，CPLD实现的主要功能模块包括CAN总线地址数据复用控制和DSP反馈信息获取；DSP实现的功能主要有：CAN指令的接收、解析和应答，反馈速度估计算法，指向算法和像移补偿算法的预处理，驱动电机三环控制算法以及空间矢量算法；系统上电后，数字控制器通过CAN总线接受用户指令，产生相应的PMW信号给模拟驱动器，模拟驱动器驱动伺服驱动机构带动指向镜按用户指令进行指向或是像移补偿。

2.根据权利要求1所述的一种空间低速高精度二维像移补偿指向控制系统，其特征在于：所述的DSP工作流程如下：DSP首先进行内部参数初始化和CAN控制器初始化，初始化结束后开启定时器，定时时间和电流采样时间一致，程序等待中断；定时时间到，进入中断服务子程序，系统先对角度信息和相电流进行采样，然后利用组合速度估计算法对反馈速度进行估计，接着接收CAN指令并对指令内容进行解析，如果是指向命令，程序先进行位置环前馈校正得到速度环控制信号并馈入速度环，速度环进行PDFF校正，产生电流环的控制信号并馈入电流环，最后实现空间矢量算法并输出6路PWM信号控制电机到指定位置，如果是补偿命令，像移补偿速度指令直接输入到速度环，速度环同样进行PDFF校正产生电流控制信号，最后实现空间矢量算法并输出6路PWM信号控制电机按像移补偿速度进行摆扫以补偿像移。

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