CN102865883B - 一种多源干扰对tdiccd成像质量影响分析测试系统 - Google Patents
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Abstract
一种多源干扰对TDICCD成像质量影响分析测试系统，可分为误差源干扰及其等效子系统、TDICCD成像子系统及光学靶标、姿态误差及其干扰测量子系统、信号采集及处理子系统和无线通讯及地面综合处理子系统。误差源干扰及其等效子系统用于模拟卫星在空间环境中由于太阳帆板＼控制力矩陀螺系统（CMGs）和卫星平台产生的干扰。测量子系统用于测量卫星平台姿态角和振动线速度；信号采集及处理子系统对各敏感器信息进行采集，并进行相应的处理和分析计算。本发明实现了在地面模拟空间环境中卫星运动误差对TDICCD成像质量的主要干扰，结合卫星姿态动力学测试分析的气浮转台实现了多源干扰对TDICCD成像质量影响分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种多源干扰对TDICCD（Time Delayed Integration Charge Coupled Device）成像质量影响分析测试系统，适用于模拟以磁悬浮CMGs为执行机构的敏捷机动卫星对TDICCD遥感成像造成的多源干扰。
背景技术
二十一世纪，由于空间科学任务的牵引、机动卫星能力的提升和遥感载荷快速发展，使得利用单个TDICCD相机捷联安装在敏捷机动卫星上进行大宽幅、高精度多层次立体成像成为可能。然而，由于TDICCD对平台稳定性的要求和卫星在轨运行时经历的复杂空间动力学的影响使基于TDICCD的高分辨观测面临着巨大的挑战。目前一些相机公司利用小型陀螺仪来检测CCD相机的振动，但其研究方法仅局限CCD相机的振动检测及地面人工拍摄，并未涉及到TDICCD相机和敏捷机动卫星对地成像的地面模拟。另外一些机构对星载TDICCD相机的成像进行了地面试验分析，但并未就卫星平台对TDICCD相机成像造成的多源干扰做具体分别的测量尤其是CMGs对卫星平台造成的对成像质量影响较大的高频干扰。
发明内容
本发明解决的技术问题是：设计出一种多源干扰对TDICCD成像质量影响分析测试系统，该系统实现了在地面对敏捷机动卫星在轨时所受多源干扰的模拟。
本发明的技术解决方案是：一种多源干扰对TDICCD成像质量影响分析测试系统，包括：误差源干扰及其等效子系统、TDICCD成像子系统及光学靶标、姿态误差及其干扰测量子系统、信号采集及处理子系统、无线通讯 及地面综合处理子系统；其中误差源干扰及其等效子系统实现对太阳帆板、控制力矩陀螺系统CMGs和卫星平台产生干扰源的模拟；TDICCD成像子系统及光学靶标把采集到的成像数据传送到信号采集及处理子系统；姿态误差及其干扰测量子系统把测量到的卫星平台姿态角和振动线加速度的信息传送给信号采集及处理子系统；信号采集及处理子系统与姿态误差及其测量子系统相连接收姿态误差及其测量子系统测量的平台姿态角和线振动加速度的信息，信号采集及处理子系统与TDICCD成像子系统及光学靶标中的TDICCD相机相连，接收TDICCD相机对光学靶标成像的数据，信号采集及处理子系统将采集到的平台姿态角和线振动加速度信息以及TDICCD相机对光学靶标的成像数据传送到无线通讯及地面综合处理子系统；无线通讯及地面综合处理子系统接收信号采集及处理子系统传送来的卫星平台的姿态角、线振动加速度和成像信息并做出实时处理。
所述误差源干扰及其等效子系统包括三轴气浮转台1、太阳帆板模拟装置2和CMGs12；太阳帆板模拟装置2对称安装在三轴气浮台1两端，4个CMGs12采用平行安装构型均匀地安装在三轴气浮台1下面，与信号采集及处理子系统中的星务管理计算机6相连，由星务管理计算机6控制。
所述TDICCD成像子系统及光学靶标包括TDICCD相机9和靶标盘10；TDICCD相机9安装在误差源干扰及其等效子系统中三轴气浮台1边缘，靶标盘10安装在与TDICCD相机9同侧，TDICCD相机9与信号采集及处理子系统中的星务管理计算机6相连，由星务管理计算机6控制。
所述姿态误差及其干扰测量子系统包括GPS4、三个光纤陀螺3、第一加速度计5和第二加速度计11；其中第一加速度计5安装在误差源干扰及其等效子系统中的三轴气浮转台1上，第二加速度计11安装在误差源干扰及其等效子系统中的CMGs12上；三个光纤陀螺3、GPS4、第一加速度计5和第二加速度计11与信号采集及处理子系统中的星务管理计算机6相连，将采集的信息传送给星务管理计算机6。
所述信号采集及处理子系统包括星务管理计算机6仿真计算机7和第一无线网桥8；星务管理计算机6为平台的信息处理中心，与三个光纤陀螺3、GPS4、第一加速度计5、第二加速度计11、仿真计算机7、第一无线网桥8和TDICCD10相连；其中星务管理计算机6接收第一加速度计5采集的三轴气浮台1的线振动加速度信息和第二加速度计11采集的CMGs12的线振动加速度信息用于振动信息计算；星务管理计算机6接收GPS4与三个光纤陀螺3测量的信息并传送到仿真计算机7用于轨道仿真计算；振动信息和轨道仿真信息通过第一无线网桥8传送到无线通讯及地面综合处理子系统。
所述无线通讯及地面综合处理子系统包括第二无线网桥13和地面计算机14；地面计算机14的控制指令通过RS422传送到第二无线网桥13，第二无线网桥13与第一无线网桥8实现无线通讯，进而完成星务管理计算机6和地面计算机14的通讯。
本发明的原理是：利用误差源干扰及其等效子系统模拟星上部件对卫星平台扰动，卫星平台用三轴气浮转台来模拟，太阳帆板的振动对卫星平台产生的干扰用太阳帆板模拟装置来模拟，CMGs产生的振动对卫星平台的影响用真实的CMGs来模拟。姿态误差及其干扰测量子系统中的第一加速度计用来测量三轴气浮台在三个方向的线振动加速度通过两次积分求得气浮台的线振动信息，第二加速度计用来测量CMG在三个方向上的线振动加速度通过两次积分求得CMG的线振动信息。其中第一加速度计测量的平台整体振动信息用于分析所有干扰对成像质量的影响。第二加速度计测量的CMGs的振动信息用于分析CMGs的高频干扰对成像质量的影响。GPS和三个光纤陀螺用来测量三轴气浮台的姿态角和模拟轨道信息。信号采集及处理子系统用来接收第一加速度计、第二加速度计的信息，完成振动信息的计算，接收GPS和三个光纤陀螺的信息，用来计算姿态角误差并进行连续的轨道模拟计算。如三轴气浮台需要姿态调整，则由信号采集计处理子系统向CMGs发出指令，通过CMGs完成气浮台的姿态调整。TDICCD的成像及数据存储也由信号采集计处理子系统完成。TDICCD成像子系统及光学靶标完成地面目标的模拟和成像数据的采集，并将数据传送给信号采集计处理子系统。根据振动信息及成像数据对多源干扰对TDICCD成像质量的影响进行分析。无线通讯及地面综合处理子系统完成对三轴气浮台的姿态及轨道监控，并负责向信号采集及处理子系统发出姿态调整指令。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）利用三轴气浮台，GPS，光纤陀螺等现有硬件搭建了一种多源干扰对TDICCD成像质量影响分析测试系统实现了在地面模拟空间环境中卫星运动误差对TDICCD成像质量的主要影响，节约了时间、财力成本；
（2）利用两组加速度计分别对平台和CMGs的振动信息进行测量，实现了对多源干扰信息的测量，为成像质量分析提供了充足的数据；
（3）利用CMGs采用平行构型安装在三轴气浮台底部，实现了由于CMGs对卫星平台造成的对成像质量影响较大的高频干扰的模拟。
附图说明
图1为本发明的组成框图；
图2为本发明的结构组成示意图；
图3a为本发明的平面布局俯视图
图3b为本发明的平面布局仰视图；
图4为本发明的信号流图；
图5为本发明的软件流程图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明是由误差源干扰及其等效子系统、TDICCD成像子系统及光学靶标、姿态误差及其干扰测量子系统、信号采集及处理子系统和无线通讯及地面综合处理子系统组成；其中误差源干扰及其等效子系统包括三轴气浮转台1、太阳帆板模拟装置2和CMGs12；TDICCD成像子系 统及光学靶标包括TDICCD相机9和靶标盘10；姿态误差及其干扰测量子系统包括GPS4、三个光纤陀螺3、第一加速度计5和第二加速度计11；信号采集及处理子系统包括星务管理计算机6仿真计算机7和第一无线网桥8；无线通讯及地面综合处理子系统包括第二无线网桥13和地面计算机14。姿态误差及其干扰测量子系统中的GPS4、三个光纤陀螺3和第一加速度计5，信号采集及处理子系统中的星务管理计算机6、仿真计算机7和第一无线网桥8，TDICCD成像子系统及光学靶标中的TDICCD相机9安装在三轴气浮台上。GPS4、三个光纤陀螺3，第一加速度计5、仿真计算机7、第一无线网桥8和TDICCD相机9均通过RS422与信号采集及处理子系统中的仿真计算机6相连。误差干扰及测量子系统中的太阳帆板模拟装置2对称地安装在三轴气浮台1两端，误差源干扰及其等效子系统中的4个CMG12均匀地安装在三轴气浮台1下面。姿态误差及其干扰测量子系统中的第二加速度11计安装在一个CMG12上，并通过RS422与信号采集及处理子系统中的星务管理计算机6相连。TDICCD成像子系统及光学靶标中的靶标盘10安装在三轴气浮台1右面。地面计算机14和第二无线网桥13相连安装在地面上。
误差源干扰及其等效子系统主要包括气浮转台1，太阳帆板模拟装置2，CMGs12。三轴气浮台1用于模拟卫星平台。太阳帆板模拟装置2用来模拟太阳帆板的振动对卫星平台产生的影响。CMGs12的振动对气浮转台的影响用来模拟星载CMGs的振动对卫星平台的影响。CMGs的安装采用平行安装构型，4个CMG12均匀地安装在三轴气浮台1下面。四个CMG与星务管理计算机6用RS422连接。太阳帆板模拟装置2采用太阳帆板基板，太阳帆板基板对称的安装在三轴气浮台1两边，用于模拟太阳帆板的振动对卫星平台产生的干扰。
TDICCD成像子系统及光学靶标由TDICCD相机9和靶标10组成，其中TDICCD相机9固定在三轴气浮台1上，用RS422与星务管理计算机6 连接，由星务管理计算机6实现对其的控制和数据存储，靶标10在电机的带动下转动，用于模拟星载相机在对地成像时相对于地面的平动。
姿态误差及其干扰测量子系统由GPS4，三个光纤陀螺3，第一加速度计5，第二加速度计11组成。其中GPS4由GPS模拟器和GPS接收机组成。当系统开始工作时，GPS模拟器模拟出的GPS信号经由GPS接收机接收并通过RS422连接线传送到星务管理计算机6，然后通过RS422传送到仿真计算机7用于轨道模拟计算，该轨道信息再传送到GPS模拟器，实现连续的模拟计算。三个光纤陀螺3安装在三个相互垂直的方向上，用于测量三轴气浮台1在三个方向上的转角，并与三轴气浮台1本身的测角装置测量值进行比较，计算出姿态误差。在其中的一个CMG12上安装第二加速度计11，将第二加速度计11测量的CMG12在东北天三个方向的线振动加速度传送到星务管理计算机6，通过两次积分计算出CMG12在三个方向上的线振动。在气浮台上安装第二加速度计11测量三轴气浮台1在东北天三个方向的线振动加速度传送到星务管理计算机6，通过两次积分计算出三轴气浮台在三个方向上的线振动。
信号采集及处理子系统由星务管理计算机6和仿真计算机7组成，星务管理计算机用6于接收GPS4，三个光纤陀螺3，第一加速度计5，第二加速度计11的测量值，并将GPS4的数据传送到仿真计算机，用于模拟计算平台的轨道。将三个光纤陀螺3的测量值与三轴气浮台1自带测角系统测得的转角相比，得出姿态误差。用加速度计的测量值计算出CMG12和平台的线振动。当平台姿态需要调整时，由地面计算机14发出相应的指令通过第二无线网桥13、第一无线网桥8传送到星务管理计算机6，星务管理计算机6经过相应的处理后，通过RS422向CMGs发出指令。
无线通讯及地面综合处理子系统由第二无线网桥13，地面计算机14组成，通过第二无线网桥13、第一无线网桥8实现地面计算机14和星务管理计算机6的信息交换，形成控制回路。地面计算机14用于对卫星平台姿态 和轨道位置的监控，如卫星平台需要姿态机动则由地面计算机发出相应的指令。
如图3a和3b所示，图3a为本发明的平面布局俯视图，星务管理计算机6和仿真计算机7安装在三轴气浮台1的中心，在三个方向上相互垂直安装的三个光纤陀螺3，GPS4，TDICCD相机9，第一无线网桥8分别安装在星务管理计算机6和仿真计算机7周围。图3b为本发明的平面布局仰视图四个CMG12均匀安装在平台下面，第二加速度计11安装在其中一个CMG12上，太阳帆板基板对称安装在三轴气浮台1两边。
如图4所示，为本发明的信号流程图，星务管理计算机与CMGs形成控制回路。GPS4由GPS模拟器、GPS接收机组成。由星务管理计算机6与GPS模拟器、GPS接收机形成信息回路。星务管理计算机6接收到GPS4的信号后传送到仿真计算机7经过仿真计算机7处理后计算出新的轨道信息，然后通过GPS模拟器模拟出新的位置信息，由GPS接收机接收，再传送的星务管理计算机6。第一加速度计5，第二加速度计11和三个光纤陀螺3的信息均传送到星务管理计算机6处理。TDICCD的控制命令由星务管理计算机6发出，其成像数据也由星务管理计算机6存储。星务管理计算机6通过第一无线网桥8、第二无线网桥13与地面计算机形成控制回路。
如图5所示，为本发明的软件流程图，程序开始后，首先给三轴气浮台1加电，输入指令使其以5°/s的速度转动，检验三轴气浮台1是否能正常转动，若不能正常转动则程序停止运行，进行故障检测。若三轴气浮台1可以正常转动，则给姿态误差及其干扰测量子系统中的三个光纤陀螺3、GPS4、第一加速度计5、第二加速度计11、TDICCD成像子系统及光学靶标中的TDICCD相机9和误差源干扰及其等效子系统中的CMGs12加电，检查其是否能正常工作，若不能正常工作则程序停止运行，进行故障检测。若能正常工作则进入下面一步。将三轴气浮台和姿态误差及其干扰测量子系统中的三个光纤陀螺3，GPS4，TDICCD成像子系统及光学靶标中的TIDCCD 相机9，误差源干扰及其等效子系统中的CMGs12全部加电，信号采集及处理子系统中的星务管理计算机6根据接收到的姿态误差及其干扰测量子系统中的三个光纤陀螺3和GPS4的信息对三轴气浮台1进行组合定姿。将组合定姿确定的姿态与三轴气浮台1自带的转角测量装置相比得出姿态误差，将姿态误差的数据传送到信号采集及处理子系统中的星务管理计算机6保存。在三轴气浮台1的姿态确定后，根据成像的需要进行姿态控制策略的决策，确定成像所需的TDICCD相机9对靶标盘10的相对位置。当控制策略确定后向误差源干扰及其等效子系统中的CMGs12发出指令，通过误差源干扰及其等效子系统中的CMGs12进行平台姿态机动，在平台姿态机动的过程中当TDICCD成像子系统及光学靶标中的TDICCD相机9扫过靶标盘10的时候通过信号采集及处理子系统中的星务管理计算机6控制TDICCD成像子系统及光学靶标中的TDICCD相机9对靶标盘成像，采用CMGs12使得三轴气浮转台进行多次姿态机动，利用TDICCD成像子系统及光学靶标中的TDICCD相机9对靶标盘进行多次不同角度的成像，将成像数据传送到信号采集及处理子系统中的星务管理计算机6保存。在TDICCD成像子系统及光学靶标中的TDICCD相机9成像的同时，由姿态误差及其噪声测量子系统中的第一加速度计5测量平台在东北天三个方向的线振动加速度，通过两次积分计算出平台的线振动，由姿态误差及其噪声测量子系统中的第二加速度计11测量误差源干扰及其等效子系统中的CMGs12的在东北天三个方向的线振动加速度，通过两次积分计算出CMGs12的线振动。两组加速度计的测量信息均传送到信号采集及处理子系统中的星务管理计算机6保存。最后由信号采集及处理子系统中的星务管理计算机6通过信号采集及处理子系统中的第一无线网桥8，无线通讯及地面综合处理子系统中的第二无线网桥13将TDICCD相机9采集的图像数据，姿态误差及其噪声测量子系统中的第一加速度计5采集的三轴气浮台线振动信息，姿态误差及其噪声测量子系统中的第二加速度计11采集的误差源 干扰及其等效子系统中的CMGs12的线振动信息，以及平台误差角信息传送到无线通讯及地面综合处理子系统中的地面计算机14，用于后续的分析和计算。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (6)
1.一种多源干扰对TDICCD成像质量影响分析测试系统，包括误差源干扰及其等效子系统、TDICCD成像子系统及光学靶标、姿态误差及其干扰测量子系统、信号采集及处理子系统、无线通讯及地面综合处理子系统；其特征在于：所述误差源干扰及其等效子系统实现对太阳帆板、控制力矩陀螺系统CMGs和敏捷机动卫星平台产生干扰源的模拟；TDICCD成像子系统及光学靶标把采集到的成像数据传送到信号采集及处理子系统；姿态误差及其干扰测量子系统把测量到的敏捷机动卫星平台姿态角和线振动加速度信息以及CMGs的线振动加速度信息传送给信号采集及处理子系统；信号采集及处理子系统与姿态误差及其测量子系统相连接收姿态误差及其测量子系统测量的平台姿态角和线振动加速度的信息以及CMGs的线振动加速度信息，信号采集及处理子系统与TDICCD成像子系统及光学靶标中的TDICCD相机相连，接收TDICCD相机对光学靶标成像的数据，信号采集及处理子系统将采集到的平台姿态角和线振动加速度信息以及TDICCD相机对光学靶标的成像数据传送到无线通讯及地面综合处理子系统；无线通讯及地面综合处理子系统接收信号采集及处理子系统传送来的敏捷机动卫星平台的姿态角、线振动加速度和成像信息并做出实时处理；利用CMGs采用平行构型安装在三轴气浮台底部，实现了由于CMGs对敏捷机动卫星平台造成的对成像质量影响较大的高频干扰的模拟。
2.根据权利要求1所述的一种多源干扰对TDICCD成像质量影响分析测试系统，其特征在于：所述误差源干扰及其等效子系统包括三轴气浮转台(1)、太阳帆板模拟装置(2)和CMGs(12)；太阳帆板模拟装置(2)对称安装在三轴气浮台(1)两端，4个CMGs(12)采用平行安装构型均匀安装在三轴气浮台(1)下面，与信号采集及处理子系统中的星务管理计算机(6)相连，由星务管理计算机(6)控制。
3.根据权利要求1所述的一种多源干扰对TDICCD成像质量影响分析测试系统，其特征在于：所述TDICCD成像子系统及光学靶标包括TDICCD相机(9)和靶标盘(10)；TDICCD相机(9)安装在误差源干扰及其等效子系统中三轴气浮台(1)边缘，靶标盘(10)安装在与TDICCD相机(9)同侧，TDICCD相机(9)与信号采集及处理子系统中的星务管理计算机(6)相连，由星务管理计算机(6)控制。
4.根据权利要求1所述的一种多源干扰对TDICCD成像质量影响分析测试系统，其特征在于：所述姿态误差及其干扰测量子系统包括GPS(4)、三个光纤陀螺(3)、第一加速度计(5)和第二加速度计(11)；其中第一加速度计(5)安装在误差源干扰及其等效子系统中的三轴气浮转台(1)上，第二加速度计(11)安装在误差源干扰及其等效子系统中的CMGs(12)上；三个光纤陀螺(3)、GPS(4)、第一加速度计(5)和第二加速度计(11)与信号采集及处理子系统中的星务管理计算机(6)相连，将采集的信息传送给星务管理计算机(6)。
5.根据权利要求1所述的一种多源干扰对TDICCD成像质量影响分析测试系统，其特征在于：所述信号采集及处理子系统包括星务管理计算机(6)、仿真计算机(7)和第一无线网桥(8)；星务管理计算机(6)为平台的信息处理中心，与三个光纤陀螺(3)、GPS(4)、第一加速度计(5)、第二加速度计(11)、仿真计算机(7)、第一无线网桥(8)和TDICCD相机(9)相连；其中星务管理计算机(6)接收第一加速度计(5)采集的平台加速度信息和第二加速度计(11)采集的CMGs(12)的线振动加速度信息用于振动信息计算；星务管理计算机(6)接收GPS(4)与三个光纤陀螺(3)测量的信息并传送到仿真计算机(7)用于轨道仿真计算；振动信息和轨道仿真信息通过第一无线网桥(8)传送到无线通讯及地面综合处理子系统。
6.根据权利要求1所述的一种多源干扰对TDICCD成像质量影响分析测试系统，其特征在于：所述无线通讯及地面综合处理子系统包括第二无线网桥(13)和地面计算机(14)；地面计算机(14)的控制指令通过RS422传送到第二无线网桥(13)，第二无线网桥(13)与第一无线网桥(8)实现无线通讯，进而完成星务管理计算机(6)和地面计算机(14)的通讯。
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