CN104820440A - 一种星上点目标轨迹跟踪系统 - Google Patents

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一种星上点目标轨迹跟踪系统，包括时间管理单元、指向控制单元、指向镜电机机构。地面测控系统将包含曲线方程多项式系数、曲线跟踪起始和结束时间的数据包送至时间管理单元；时间管理单元转发数据包至给指向控制单元，并控制指向控制单元开始启动跟踪控制计算；指向控制单元接收到数据包并计算指向镜电机俯仰向、滚动向角度后控制指向镜电机机构；指向镜电机机构根据俯仰向、滚动向角度控制指向镜指向调整遥感相机的视轴。本发明避免了连续上传多条角度跟踪指令至遥感相机，只需要将时间参数和多项式系数数据作为数据包传输，就可以控制遥感相机完成对点目标运动轨迹的连续跟踪，通信效率高，减少了跟踪系统的存储压力。

Description

一种星上点目标轨迹跟踪系统
技术领域
本发明涉及属于光学成像与遥感器技术领域，特别是一种星上点目标轨迹跟踪系统。
背景技术
星载遥感相机在随卫星飞行时采用推扫或凝视方式对景物目标的进行成像或者对预知的点目标进行跟踪成像。传统星上点目标轨迹跟踪系统和方法有两种，一种是地面测控系统将点目标运动轨迹的所有位置信息上传至卫星，卫星通过侧摆来调整星载遥感相机的视轴，从而对点目标所有位置进行逐个跟踪，此系统或方法依赖于卫星的侧摆，其定位精度也受限制于卫星的侧摆定位精度，完成点目标的轨迹跟踪需要上传大量的位置信息，造成上传通信压力；另一种方法是地面测控系统将预存点目标运动轨迹各个位置的指令上传至卫星，卫星将这些指令按照时间序列逐条发送给相机，相机按照接收的指令序列实现对点目标运动轨迹的连续跟踪，此系统或方法同样也需要上传大量指令数据，造成上传统通信压力。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种不需要通过卫星侧摆相机就能自动实现对点目标运动轨迹的连续跟踪的星上点目标轨迹跟踪系统。
本发明的技术解决方案是：一种星上点目标轨迹跟踪系统，包括时间管理单元、指向控制单元、指向镜电机机构，其中
时间管理单元，接收地面测控系统发送的预知点目标运动轨迹的参数数据包、卫星星务时间后，提取参数数据包中的跟踪起始时间t0、跟踪结束时间tend后将参数数据包转发给指向控制单元，并以收到的卫星星务时间作为基准开始计时，当计时至跟踪起始时间t0时控制指向控制单元开始启动跟踪控制，当计时至跟踪结束时间tend时控制指向控制单元结束跟踪控制；所述参数数据包包括跟踪起始时间t0、跟踪结束时间tend、地面测控系统将预知点目标的运动轨迹拟合成指向镜电机机构的角度跟踪曲线后，进行分解得到的俯仰向跟踪曲线和滚动向跟踪曲线对应的高次多项式的系数；
指向控制单元，接收到参数数据包后进行解析并还原得到俯仰向曲线和滚动向曲线，计算出初始时刻对应的指向镜电机机构俯仰向、滚动向的角度位置后产生功率驱动信号，并控制指向镜电机伺服到初始时刻对应俯仰向、滚动向的角度位置；将跟踪起始时间t0和跟踪结束时间tend间的时间长度均分成m份后得到每份的时间长度，并将其作为指控制周期△t，计算出每个控制周期指向镜电机需要伺服到的俯仰向、滚动向的角度位置，当时间管理单元计时到曲线跟踪起始时间t0时，产生功率驱动信号控制指向镜电机伺服到每个控制周期对应的俯仰向、滚动向的角度位置，当时间管理单元计时到曲线跟踪结束时间tend时，不再控制指向镜电机；
指向镜电机机构，接收指向控制单元发送的功率驱动信号并调整遥感相机的视轴。
所述的每个控制周期指向镜电机需要伺服到的俯仰向、滚动向的角度位置为该控制周期起始时刻对应的俯仰向、滚动向的角度位置。
所述的控制周期△t小于遥感相机每帧图像的成像周期，并在计算及存储资源允许的情况下尽量小。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明与现有技术的相比，不需要通过卫星侧摆相机就能自动实现对点目标运动轨迹的连续跟踪，避免了光轴与视轴传递带来的跟踪误差；
(2)本发明与现有技术的相比，使用指向镜电机机构控制遥感相机进行跟踪，转动惯量更小、控制精度更高，提高了跟踪系统的跟踪精度；
(3)本发明与现有技术的相比，避免了连续上传多条角度跟踪指令或跟踪曲线至遥感相机，只需要将时间参数和跟踪曲线对应的多项式系数数据作为数据包传输，就可以控制遥感相机完成对点目标运动轨迹的连续跟踪，通信效率高，减少了跟踪系统的存储压力；
(4)本发明与现有技术的相比，控制方法简单、准确、高效、适用面广泛，能够适用于多种对预知点目标进行跟踪的遥感相机。
附图说明
图1为本发明星上点目标轨迹跟踪原理示意图；
图2为本发明点目标运动轨迹转换为指向镜电机机构俯仰向滚动向角度原理图；
图3为本发明跟踪曲线分段示意图(以俯仰向为例)；
图4为本发明指向镜电机机构跟踪运动过程示意图(以俯仰向为例)。
具体实施方式
本发明提出一种可用于遥感相机内的星上点目标轨迹跟踪系统，不需要经过卫星侧摆来实现遥感相机对点目标的捕捉，也不需要上传卫星多条指令来实现对点目标的跟踪，由遥感相机对预知运动轨迹的点目标自主跟踪成像。本发明跟踪系统，通过接收预知点目标运动轨迹的参数数据包，对运动点目标进行跟踪，使遥感相机实现对点目标自主跟踪成像，如图1所示包括时间管理单元、指向控制单元、指向镜电机机构(用于实现遥感相机的视轴的调整)。
本发明跟踪系统工作之前，地面测控系统，首先将预知点目标的运动轨迹所对应的视轴变化轨迹，拟合成指向镜电机机构的角度跟踪曲线，将指向镜电机机构的角度跟踪曲线分解为俯仰向跟踪曲线和滚动向跟踪曲线，其中，指向镜电机机构的角度跟踪曲线、俯仰向跟踪曲线、滚动向跟踪曲线均以时间为变量，角度为参变量；点目标的运动轨迹对应的视轴角度与指向镜电机机构俯仰向角度、滚动向角度之间的具体转换方法如图2所示，假定XYZO为卫星所在的轨道坐标系(卫星惯性坐标系)，首先将点目标运动轨迹在YOZ面上投影，得到点目标运动轨迹与投影之间的夹角并作为对应于卫星本体坐标系的俯仰角α，其中，如果点目标运动轨迹位于+X轴，则其对应的俯仰角α为正，如果点目标运动轨迹位于－X轴，则其对应的俯仰角α为为负。然后将点目标运动轨迹在轨道坐标系XOZ面上投影，得到点目标运动轨迹与投影之间的夹角并作为对应于卫星本体坐标系滚动角β，其中，如果点目标运动轨迹位于+Y轴，则其对应的滚动角β为负，如果点目标运动轨迹位于－Y，则其对应的滚动角β为正。最后将得到的对应卫星本体坐标系的俯仰角α、滚动角β转换成指向镜电机机构跟踪曲线的俯仰角α指向镜和滚动角β指向镜，
另外，为了提高跟踪精度，可以采用全局寻优的方法找出跟踪曲线分段点，将一条跟踪曲线分为多段，后段曲线的起始角度即为前一段曲线的终止角度。将曲线分段，是为了让拟合出的高次多项式更加逼近点目标的实际运动轨迹，其中，具体分段方法可以采用“寻找零点法”，即对曲线各点求二次导，将得出“零点”即作为分段位置点，进而得到一个较为逼近点目标实际运动轨迹的分段高次多项式。通过上述方法得出以时间为变量、角度为参变量的代表俯仰向曲线方程和滚动向曲线方程高次多项式；然后提取代表预知点目标轨迹的俯仰向曲线方程和滚动向曲线方程的高次多项式的系数，并与曲线跟踪起始时间、曲线跟踪结束时间打包形成预知点目标运动轨迹的参数数据包；最后通过卫星数据管理单元将包含曲线方程多项式系数、曲线跟踪起始时间和曲线跟踪结束时间的预知点目标运动轨迹的参数数据包发送给轨迹跟踪系统的时间管理单元，其中，曲线方程为俯仰向、滚动向角度关于时间的多项式，即俯仰向曲线方程和滚动向曲线方程。
时间管理单元，接收地面测控系统发送的预知点目标运动轨迹的参数数据包后，提取参数数据包中的跟踪起始时间t0、跟踪结束时间tend后将参数数据包转发给指向控制单元，并以收到的卫星星务时间作为基准开始计时，当计时至曲线跟踪起始时间t0后控制指向控制单元开始启动跟踪控制，当计时至跟踪结束时间tend时控制指向控制单元结束跟踪控制。
指向控制单元，接收到参数数据包后进行解析并计算，即根据曲线多项式系数还原俯仰向曲线方程和滚动向曲线方程，计算出指向镜电机结构跟踪的初始俯仰向、滚动向的角度位置后产生功率驱动信号，控制指向镜电机伺服到初始俯仰向、滚动向的角度位置；将曲线跟踪起始时间和曲线跟踪结束时间之间的时间长度均分成m份，每份对应的时间长度作为指向控制单元的控制周期△t，根据俯仰向曲线方程和滚动向曲线方程，计算出每个控制周期的起始时刻指向镜电机需要伺服到的俯仰向、滚动向的角度位置，形成跟踪角度查找表，并进而得到如图3所示的跟踪曲线(或跟踪曲线及其分段)，以备曲线跟踪时查找；当时间管理单元计时到曲线跟踪起始时间t0时，启动跟踪控制，依照跟踪角度查找表及设定的控制周期产生功率驱动信号，对指向镜电机机构进行伺服控制(即在每个控制周期的起始时刻将指向镜电机机构伺服到对应的俯仰向、滚动向的角度位置)，直至曲线跟踪结束时间tend停止；其中，指向控制单元的控制周期△t应小于遥感相机每帧图像的成像周期，同时根据目标跟踪精度的要求在系统计算及存储资源允许的情况尽量取小。
下面以拟合成三段的三次曲线为例说明多项式形式及参数数据包内容：
分段曲线1：俯仰向：θ11＝a11t3+b11t2+c11+d11
滚动向：θ12＝a12t3+b12t2+c12+d12
分段曲线2：俯仰向：θ21＝a21t3+b21t2+c21+d21
滚动向：θ22＝a22t3+b22t2+c22+d22
分段曲线3：俯仰向：θ31＝a31t3+b31t2+c31+d31
滚动向：θ22＝a32t3+b32t2+c32+d32
提取各段曲线的多项式系数以及各段曲线的起始结束时间，每一段曲线的跟踪起始时间即为上一段跟踪结束时间作为参数数据包的内容，数据包详细内容见下表。
      
字节序号 代号 定义
1 t0 跟踪起始时间
2 t1 第一段结束时间
      
      
3 t2 第二段结束时间
4 tend 跟踪结束时间
5 a11 第一段俯仰向三次系数
6 b11 第一段俯仰向二次系数
7 c11 第一段俯仰向一次系数
8 d11 第一段俯仰向常数项
9 a12 第一段滚动向三次系数
10 b12 第一段滚动向二次系数
11 c12 第一段滚动向一次系数
12 d12 第一段滚动向常数项
13 a21 第二段俯仰向三次系数
14 b21 第二段俯仰向二次系数
15 c21 第二段俯仰向一次系数
16 d21 第二段俯仰向常数项
17 a22 第二段滚动向三次系数
18 b22 第二段滚动向二次系数
19 c22 第二段滚动向一次系数
20 d22 第二段滚动向常数项
21 a31 第三段俯仰向三次系数
22 b31 第三段俯仰向二次系数
23 c31 第三段俯仰向一次系数
24 d31 第三段俯仰向常数项
25 a32 第三段滚动向三次系数
26 b32 第三段滚动向二次系数
27 c32 第三段滚动向一次系数
28 d32 第三段滚动向常数项
指向镜电机机构，用于实现遥感相机的视轴的调整，如图4所示，接收指向控制单元发送的对应俯仰向、滚动向角度位置的功率驱动信号，并调整遥感相机的视轴。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种星上点目标轨迹跟踪系统，其特征在于包括时间管理单元、指向控制单元、指向镜电机机构，其中
时间管理单元，接收地面测控系统发送的预知点目标运动轨迹的参数数据包、卫星星务时间后，提取参数数据包中的跟踪起始时间t0、跟踪结束时间tend后将参数数据包转发给指向控制单元，并以收到的卫星星务时间作为基准开始计时，当计时至跟踪起始时间t0时控制指向控制单元开始启动跟踪控制，当计时至跟踪结束时间tend时控制指向控制单元结束跟踪控制；所述参数数据包包括跟踪起始时间t0、跟踪结束时间tend、地面测控系统将预知点目标的运动轨迹拟合成指向镜电机机构的角度跟踪曲线后，进行分解得到的俯仰向跟踪曲线和滚动向跟踪曲线对应的高次多项式的系数；
指向控制单元，接收到参数数据包后进行解析并还原得到俯仰向曲线和滚动向曲线，计算出初始时刻对应的指向镜电机机构俯仰向、滚动向的角度位置后产生功率驱动信号，并控制指向镜电机伺服到初始时刻对应俯仰向、滚动向的角度位置；将跟踪起始时间t0和跟踪结束时间tend间的时间长度均分成m份后得到每份的时间长度，并将其作为指控制周期△t，计算出每个控制周期指向镜电机需要伺服到的俯仰向、滚动向的角度位置，当时间管理单元计时到曲线跟踪起始时间t0时，产生功率驱动信号控制指向镜电机伺服到每个控制周期对应的俯仰向、滚动向的角度位置，当时间管理单元计时到曲线跟踪结束时间tend时，不再控制指向镜电机；
指向镜电机机构，接收指向控制单元发送的功率驱动信号并调整遥感相机的视轴。
2.根据权利要求1所述的一种星上点目标轨迹跟踪系统，其特征在于：所述的每个控制周期指向镜电机需要伺服到的俯仰向、滚动向的角度位置为该控制周期起始时刻对应的俯仰向、滚动向的角度位置。
3.根据权利要求1或2所述的一种星上点目标轨迹跟踪系统，其特征在于：所述的控制周期△t小于遥感相机每帧图像的成像周期，并在计算及存储资源允许的情况下尽量小。
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