CN103309242B - 基于实时仿真平台的图像定位与配准演示验证系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于实时仿真平台的图像定位与配准演示验证系统及控制方法，包括：数管计算机及图像定位与配准协处理器；基于实时仿真平台的模拟卫星有效载荷在轨工作状态的有效载荷模拟器；基于实时仿真平台的模拟卫星姿轨控分系统在轨工作状态的动力学与姿轨控计算机模拟器；有效载荷工作指令生成工具；性能演示验证评估系统；地面遥测遥控系统。本发明可用于图像定位与配准分系统设计过程中对设计结果进行评估和演示验证，也可用于卫星在轨运行期间的故障判定和反演。本发明解决了对于星上进行动态补偿的图像定位与配准地面进行验证的实际工程问题，保证了图像定位与配准设计的有效性。

Description

基于实时仿真平台的图像定位与配准演示验证系统及方法

技术领域

本发明涉及卫星图像定位与配准技术，更具体地说，涉及一种对星上实时动态补偿算法的图像定位与配准技术地面进行演示验证及控制的方法。该方法可用于卫星图像定位与配准分系统设计过程中对设计结果进行评估和演示验证，也可用于卫星在轨运行期间的故障判定和反演。

背景技术

随着航天遥感对地观测技术的不断发展，遥感卫星图像分辨率越来越高，其应用也越来越广泛，为了满足我国第二代地球静止轨道气象卫星观测能力更高的需求，卫星研制单位提出了在轨应用图像定位与配准技术（Image Navigation and Registration，简称INR），以高精度确定气象云图中每个像素的地理位置，为精确天气预报奠定基础。

在轨进行图像定位与配准的功能与任务是，通过载荷扫描镜转角增加补偿量的方式以消除由卫星姿态、轨道及热变形带来的光轴指向偏差；并且进行前馈力矩补偿，以抵消由载荷运动对平台稳定性带来的影响。在我国，图像定位与配准技术尚属空白无工程应用经验，亟需有效的试验验证其理论的正确性及可行性。

图像定位与配准分系统涉及到数管分系统、有效载荷分系统、姿轨控分系统、地面遥测遥控分系统，在各分系统齐全且功能完备的情况下，方能进行图像定位与配准的测试验证试验，而采用本发明方法可方便、快捷、准确地对图像定位与配准技术进行有效的测试验证。本发明方法运用实时仿真平台实现了有效载荷分系统及姿轨控分系统的基本功能，构建了一套半物理实时仿真验证系统框架，模拟了卫星在轨工作状况，对图像定位与配准技术进行测试验证及演示。目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种基于实时仿真平台的图像定位与配准演示验证系统及控制方法，运用实时仿真平台模拟有效载荷分系统和姿轨控分系统在轨工作情况，采用数管计算机及图像定位与配准协处理电性能单机构造了一套半物理实时仿真平台架构。

该验证方法可以对图像定位与配准分系统的整星信息流、接口的匹配性进行验证；

也可以对图像定位与配准补偿算法的正确性及可行性进行验证；

也可以用于卫星在轨运行期间的故障判定和反演；

也可以在图像定位与配准分系统设计过程中提供参考依据。

根据本发明的一个方面，提供一种基于实时仿真平台的图像定位与配准演示验证系统，包括如下装置：

数管计算机，用于负责接收地面的有效载荷工作指令及初始化参数设置；

图像定位与配准协处理器，用于与数管计算机采用共享缓存的方式，进行信息的读写，运行图像定位与配准补偿算法软件，实时计算补偿量大小；

基于实时仿真平台的有效载荷模拟器，用于运用实时仿真系统模拟有效载荷分系统在轨工作状况，根据有效载荷工作指令实时计算扫描镜转角，并接收图像定位与配准协处理器计算的补偿量，将两者叠加后通过内部传递函数模拟控制驱动机构执行；

基于实时仿真平台的动力学与姿轨控模拟器，用于运用实时仿真系统模拟姿轨控分系统在轨工作状况，实时计算卫星姿态和轨道参数作为图像定位与配准补偿算法的输入条件，并进行前馈力矩补偿；

有效载荷工作指令生成工具，用于根据卫星有效载荷不同的工作模式，生成相应的工作指令代码，通过地面遥测遥控系统上注到数管计算机；

性能演示验证评估系统，用于对数据的有效性做出判断，进行演示验证，并对系统的性能做出评估；

地面遥测遥控系统，用于上注有效载荷工作指令和图像定位与配准分系统所需要的初始化参数设置，并监控数管计算机及图像定位与配准协处理器工作状态。

根据本发明的另一个方面，还提供一种权利要求1所述的基于实时仿真平台的图像定位与配准演示验证系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：有效载荷指令生成工具系统按照有效载荷不同的工作模式生成相应的有效载荷工作指令代码，通过地面遥测遥控系统上注到数管计算机；

步骤2：通过地面遥测遥控系统设置图像定位与配准协处理器初始化参数，并实时通过遥测和数传通道下传数管计算机及图像定位与配准协处理器工作状态参数；

步骤3：数管计算机及图像定位与配准协处理器在系统运行期间，以数管计算机晶振时间为基准，通过系统总线向有效载荷模拟器、动力学与姿轨控模拟器发送校时信号，校时信号每隔若干秒钟发送一次，远程终端收到校时信号后与自己的本地时间做比较，如果时间差大于第一阈值时间，则接受数管计算机校时，修改本地时间；

步骤4：数管计算机在有效载荷指令开始工作前第一阈值时间通过系统总线将工作指令发给有效载荷模拟器、动力学与姿轨控分系统模拟器，数管计算机实时接收动力学与姿轨控模拟器的姿态信息和轨道信息；

步骤5：图像定位与配准协处理器和数管计算机通过共享缓存的方式获取相应的有效载荷工作指令，姿态及轨道信息作为计算图像定位与配准补偿量的输入条件；热变形参数通过地面上注拟合参数的方式作为热变形补偿的输入条件；图像定位与配准分系统收到载荷工作指令后，每个节拍实时计算补偿量，通过串口发送给有效载荷模拟器；

步骤6：有效载荷模拟器在收到载荷的工作指令后，按照工作指令，实时计算扫描镜的理论转角，同时接收图像定位与配准分系统的补偿量，将理论转角与补偿量叠加后通过内部传递函数模拟驱动机构执行，得到有效载荷扫描镜的实测转角；

步骤7：有效载荷模拟器通过串口将实测转角发送给动力学与姿轨控模拟器，作为动力学计算干扰力矩的输入条件；有效载荷模拟器将补偿量和实测转角数据存储到上位机当中，作为性能演示验证评估系统的输入条件；

步骤8：动力学与姿轨控模拟器每隔第一时间间隔更新一次卫星姿态参数，每隔第二时间间隔更新一次轨道参数，通过总线发送给数管计算机；动力学与姿轨控模拟器将扫描镜的实测转角微分后可得到干扰力矩；有效载荷模拟器扫描镜在扫描模式开始、换向时刻都通过串口向图像定位与配准协处理器发送一个同步信号，图像定位与配准协处理器将这些信号打时标后通过总线送给动力学与姿轨控计算机模拟器，动力学与姿轨控计算机模拟器用以调整前馈力矩的产生时刻，以消除前馈力矩与干扰力矩不同步的影响；

步骤9：性能演示验证评估系统根据有效载荷模拟器输出的实测转角、补偿量，动力学与姿轨控计算机模拟器输出的动力学姿态、轨道递推参数，结合预设的热变形参数对图像定位与配准补偿算法的正确性及功能进行演示验证和评估。

更为具体地，为了达到上述发明目的，本发明构建的半物理实时仿真平台架构包括数管计算机及图像定位与配准协处理器；有效载荷分系统模拟器；动力学与姿轨控模拟器；地面遥测遥控系统；有效载荷指令生成工具；性能演示验证评估系统六个部分。

1.数管计算机及图像定位与配准协处理器

数管计算机负责接收地面的有效载荷工作指令及初始化参数设置，图像定位与配准协处理器与数管计算机采用共享缓存的方式，进行信息的读写。在图像定位与配准协处理器当中运行图像定位与配准软件，图像定位与配准协处理器实时计算补偿量大小。

2.有效载荷分系统模拟器

有效载荷分系统模拟器采用Hisim实时仿真系统，Hisim实时仿真系统与MATLAB/Simulink无缝集成，支持Simulink模型下载。Hisim实时仿真系统为上下位机的物理框架结构，上位机与下位机之间通过以太网接口进行数据通信。下位机用于运行QNX实时操作系统，核心仿真机由NI的PXI系统组成，包括1553B及RS422功能板卡各一块。上位机用于操作界面显示、数据存储、Simulink模型的编译下载。有效载荷分系统模拟器的功能是接收有效载荷工作指令及系统的校时信号，模拟有效载荷在轨工作状态。

3.动力学与姿轨控模拟器

动力学与姿轨控模拟器同样采用Hisim实时仿真系统，包括1553B及RS422功能板卡各一块。动力学与姿轨控模拟器的功能是实时计算卫星姿态参数、轨道参数，作为图像定位与配准的姿态运动补偿，轨道运动补偿的输入条件；同时接收数管计算机的校时信号、有效载荷扫描镜换向信号及有效载荷扫描镜的实测转角，进行前馈力矩补偿。

4.地面遥测遥控系统

通过地面遥测遥控系统上注有效载荷工作指令和图像定位与配准分系统所需要的初始化参数设置，并通过地面遥测遥控系统监控数管计算机及图像定位与配准协处理器工作状态。

5.有效载荷指令生成工具

可完全模拟星地回路中地面应用系统有效载荷工作指令的编码、解码、读取、插入、存储、数据转换功能，此外，有效载荷指令生成工具还根据有效载荷实际工作情况进行了指令数据圆整。

6.性能演示验证评估系统

对测试验证系统数据的完整性，有效性做出判断。通过性能演示验证评估系统获得有效载荷光轴指向误差，对图像定位与配准分系统的定位配准精度做出评估。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出基于实时仿真平台的图像定位与配准演示验证方法架构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，有效载荷指令生成工具系统4按照有效载荷不同的工作模式生成相应的有效载荷工作指令代码，通过地面遥测遥控系统上注到数管计算机。

通过地面遥测遥控系统6设置图像定位与配准协处理器初始化参数，并实时通过遥测和数传通道下传数管计算机及图像定位与配准协处理器工作状态参数。

数管计算机及图像定位与配准协处理器1，在系统运行期间，以数管计算机晶振时间为基准，通过1553B总线向有效载荷模拟器、动力学与姿轨控模拟器发送校时信号，校时信号每隔一秒钟发送一次，远程终端收到校时信号后与自己的本地时间做比较，如果时间差大于1ms，则接受数管计算机校时，修改本地时间，这样可保证系统各单机之间的时间差小于1ms，满足图像定位与配准分系统对各单机系统时间差小于1ms的要求。数管计算机在有效载荷指令开始工作前1s钟通过1553B总线将工作指令发给有效载荷模拟器、动力学与姿轨控分系统模拟器。数管计算机实时接收动力学与姿轨控模拟器的姿态信息和轨道信息。

图像定位与配准协处理器与数管计算机通过共享缓存的方式获取相应的有效载荷工作指令，姿态及轨道等信息作为计算图像定位与配准补偿量的输入条件。热变形参数通过地面上注拟合参数的方式作为热变形补偿的输入条件。图像定位与配准分系统收到载荷工作指令后，每5ms为一个节拍实时计算补偿量，通过RS422串口发送给有效载荷模拟器。

有效载荷模拟器2在收到载荷的工作指令后，按照工作指令，实时计算扫描镜的理论转角，同时接收图像定位与配准分系统的补偿量，将理论转角与补偿量叠加后通过内部传递函数模拟驱动机构执行，得到有效载荷扫描镜的实测转角。有效载荷模拟器通过RS422串口将实测转角发送给动力学与姿轨控模拟器，作为动力学计算干扰力矩的输入条件。有效载荷模拟器将补偿量和实测转角数据存储到上位机当中，作为性能验证评估系统的输入条件。

动力学与姿轨控模拟器3每64ms更新一次卫星姿态参数，每16s更新一次轨道参数，通过1553B总线发送给数管计算机；动力学与姿轨控模拟器将扫描镜的实测转角微分后即可得到干扰力矩。为了避免补偿力矩与干扰力矩不同步，造成补偿力矩就变成另一个干扰力矩，有效载荷模拟器扫描镜在扫描模式开始、换向时刻都会通过RS422向图像定位与配准协处理器发送一个同步信号，图像定位与配准协处理器将这些信号打时标后通过1553B总线送给动力学与姿轨控计算机模拟器，动力学与姿轨控计算机模拟器用以调整前馈力矩的产生时刻，以消除前馈力矩与干扰力矩不同步的影响。

性能演示验证评估系统5根据有效载荷模拟器输出的实测转角、补偿量，动力学与姿轨控计算机模拟器输出的动力学姿态、轨道递推参数，结合预设的热变形参数对图像定位与配准补偿算法的正确性及功能进行验证和评估。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种基于实时仿真平台的图像定位与配准演示验证系统，其特征在于，包括如下装置：

数管计算机，用于负责接收地面的有效载荷工作指令及初始化参数设置；

图像定位与配准协处理器，用于与数管计算机采用共享缓存的方式，进行信息的读写，运行图像定位与配准补偿算法，实时计算补偿量大小；

基于实时仿真平台的有效载荷模拟器，用于运用实时仿真系统模拟有效载荷分系统在轨工作状况，根据有效载荷工作指令实时计算扫描镜转角，并接收图像定位与配准协处理器计算的补偿量，将两者叠加后通过内部传递函数模拟控制驱动机构执行；

基于实时仿真平台的动力学与姿轨控模拟器，用于运用实时仿真系统模拟姿轨控分系统在轨工作状况，实时计算卫星姿态和轨道参数作为图像定位与配准补偿算法的输入条件，并进行前馈力矩补偿；

有效载荷工作指令生成工具，用于根据卫星有效载荷不同的工作模式，生成相应的工作指令代码，通过地面遥测遥控系统上注到数管计算机；

性能演示验证评估系统，用于对数据的有效性做出判断，进行演示验证，并对系统的性能做出评估；

地面遥测遥控系统，用于上注有效载荷工作指令和图像定位与配准分系统所需要的初始化参数设置，并监控数管计算机及图像定位与配准协处理器工作状态。

2.一种权利要求1所述的基于实时仿真平台的图像定位与配准演示验证系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：有效载荷工作指令生成工具按照有效载荷不同的工作模式生成相应的有效载荷工作指令代码，通过地面遥测遥控系统上注到数管计算机；

步骤2：通过地面遥测遥控系统设置图像定位与配准协处理器初始化参数，并实时通过遥测和数传通道下传数管计算机及图像定位与配准协处理器工作状态参数；

步骤3：数管计算机及图像定位与配准协处理器在系统运行期间，以数管计算机晶振时间为基准，通过系统总线向有效载荷模拟器、动力学与姿轨控模拟器发送校时信号，校时信号每隔若干秒钟发送一次，远程终端收到校时信号后与自己的本地时间做比较，如果时间差大于第一阈值时间，则接受数管计算机校时，修改本地时间；

步骤4：数管计算机在有效载荷指令开始工作前第二阈值时间通过系统总线将工作指令发给有效载荷模拟器、动力学与姿轨控分系统模拟器，数管计算机实时接收动力学与姿轨控模拟器的姿态信息和轨道信息；

步骤5：图像定位与配准协处理器和数管计算机通过共享缓存的方式获取相应的有效载荷工作指令，姿态及轨道信息作为计算图像定位与配准补偿量的输入条件；热变形参数通过地面上注拟合参数的方式作为热变形补偿的输入条件；图像定位与配准分系统收到载荷工作指令后，每个节拍实时计算补偿量，通过串口发送给有效载荷模拟器；

步骤6：有效载荷模拟器在收到载荷的工作指令后，按照工作指令，实时计算扫描镜的理论转角，同时接收图像定位与配准分系统的补偿量，将理论转角与补偿量叠加后通过内部传递函数模拟驱动机构执行，得到有效载荷扫描镜的实测转角；

步骤7：有效载荷模拟器通过串口将实测转角发送给动力学与姿轨控模拟器，作为动力学计算干扰力矩的输入条件；有效载荷模拟器将补偿量和实测转角数据存储到上位机当中，作为性能演示验证评估系统的输入条件；

步骤8：动力学与姿轨控模拟器每隔第一时间间隔更新一次卫星姿态参数，每隔第二时间间隔更新一次轨道参数，通过总线发送给数管计算机；动力学与姿轨控模拟器将扫描镜的实测转角微分后可得到干扰力矩；有效载荷模拟器扫描镜在扫描模式开始、换向时刻都通过串口向图像定位与配准协处理器发送一个同步信号，图像定位与配准协处理器将这些信号打时标后通过总线送给动力学与姿轨控计算机模拟器，动力学与姿轨控计算机模拟器用以调整前馈力矩的产生时刻，以消除前馈力矩与干扰力矩不同步的影响；

步骤9：性能演示验证评估系统根据有效载荷模拟器输出的实测转角、补偿量，动力学与姿轨控计算机模拟器输出的动力学姿态、轨道递推参数，结合预设的热变形参数对图像定位与配准补偿算法的正确性及功能进行演示验证和评估。