CN106597393A - 一种星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定系统和方法，标定系统包含光学跟瞄系统；微波天线、环形器、和差器；发射机；接收机；数字信号处理机，其连接光学跟瞄系统、接收机和发射机；机构控制器、二维指向机构。本发明依靠复合跟瞄雷达产品自身配套的光学跟瞄系统实现微波天线机械轴指向的在轨标定。这种标定系统和标定方法只需依靠产品配套硬件，不需增加额外硬件设备，易于工程实现，非常适合在空间重量资源有限的平台上使用。

Description

一种星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定系统和方法

技术领域

本发明涉及空间精确跟瞄载荷在轨测试技术领域，特别涉及一种星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定系统和方法。

背景技术

现有星载微波跟瞄雷达主要为空间平台提供非合作目标的距离、速度、角度等高精度的测量信息。星载雷达为保证雷达测量坐标系与航天器本体坐标系中获得目标信息的一致性，需要通过安装在雷达和航天器本体上的立方镜来实现。精确标定雷达测量坐标系与立方镜坐标系之间的旋转关系，才能保证星载雷达给航天器提供精确、可靠的目标信息。为达到此目的，必须在地面采用特定的标定系统和标定方法标定雷达天线和驱动机构的安装精度、雷达电轴与天线机械轴的一致性。

雷达电轴定义为雷达天线差波瓣零值点指向；天线机械轴定义为通过天线口径平面中心并垂直口径平面的轴线；微波光学复合跟瞄雷达在轨标定指的是天线机械轴指向在轨标定。

但是微波跟瞄雷达随空间平台经地面发射、入轨剧烈振动和入轨后的热变形等因素，天线机械轴指向将会发生变化，从而带来测角精度下降。随着空间平台对测角精度的要求越来越高，有必要实现天线机械轴指向在轨标定技术。

现有技术的检索数据(需含有专利检索内容)：专利有《相机标定》201510132990.9、《一种星载微波跟瞄雷达的电轴光学标定系统及其标定方法》201310414744.3、《一种测角精度标定系统》201521065056.1；文献包括《空间交会对接微波雷达测量系统地面校准技术研究》(“宇航计测技术”，Vol.31No.6，Dec.2011)和《基于全站仪自由设站法的机载雷达标定及精度估算》(江苏省测绘学会2011年学术年会)。

与本技术方案相比较，上述专利和文献的标定系统和标定方法，均需要增加测量标定辅助硬件，操作方法复杂，不易空间远程控制实现，不适合在轨低功耗、轻量化和结构紧凑的平台上应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定系统和方法，依靠复合跟瞄雷达产品自身配套的光学跟瞄系统实现微波天线机械轴指向的在轨标定。这种标定系统和标定方法只需依靠产品配套硬件，不需增加额外硬件设备，易于工程实现，非常适合在空间重量资源有限的平台上使用。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定系统，其特点是，包含：

光学跟瞄系统，用于将光信号转换为电信号并输出数字图像，并将数字图像进行目标提取、内插细分定位、坐标换算及目标识别；

微波天线、环形器、和差器，所述的微波天线将来自环形器的发射信号辐射出去，接收来自目标反射回来的回波信号经过和差器分别形成和路、方位和俯仰信号；

发射机，用于发射主振射频信号和本振射频信号；

接收机，其接收环形器的和路信号、微波天线的方位和俯仰信号；

数字信号处理机，其连接光学跟瞄系统、接收机和发射机，用于跟瞄雷达的目标信息检测提取、流程控制、时序控制、对外通信与数据传输；

机构控制器、二维指向机构，所述的机构控制器驱动控制二维指向机构并提取其角度信息，所述的二维指向机构根据目标回收信号测量输出的角误差信息，驱动微波天线对目标的角度跟踪。

所述的光学跟瞄系统包含：

光学镜头、图像传感器，所述的图像传感器将光学镜头的光信号转换为电信号并输出数字图像；

控制数据处理机，其输入端连接图像传感器，用于星图信息的提取、识别、建立观测模型、解算参数输出天线机械轴真实指向。

所述的数字信号处理机包含一天线机械轴指向在轨标定角度查找表模块，其用于存放光学解算天线机械轴真实指向角度和对应的二维指向机构的角敏感器反馈的角度信息。

所述的数字信号处理机包含一天线机械轴指向实时计算模块，用于根据标定的角度信息和插值算法实时计算天线机械轴。

一种星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定方法，其特点是，该方法包含如下步骤：

S1，光学跟瞄系统，用于将光信号转换为电信号并输出数字图像，并将数字图像进行目标提取、内插细分定位、坐标换算及目标识别；

S2，微波天线将来自环形器的发射信号辐射出去，接收来自目标反射回来的回波信号经过和差器分别形成和路、方位和俯仰通道；

S3，发射机发射主振射频信号和本振射频信号；

S4，二维指向天线根据目标回收信号测量输出的角误差信息，驱动微波天线对目标的角度跟踪；

S5，数字信号处理机跟瞄雷达的目标信息检测提取、流程控制、时序控制、对外通信与数据传输。

所述的步骤S1具体包含：

S1.1，图像传感器将光学镜头的光信号转换为电信号并输出数字图像；

S1.2，控制数据处理机对星图信息的提取、识别、建立观测模型、解算参数，并输出天线机械轴真实指向。

所述的步骤S5包含：

S5.1，天线机械轴指向在轨标定角度查找表模块存放光学解算天线机械轴真实指向角度和对应的二维指向机构的角敏感器反馈的角度信息；

S5.2，天线机械轴指向实时计算模块根据标定的角度信息和插值算法实时计算天线机械轴。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明依靠复合跟瞄雷达产品自身配套的光学跟瞄系统实现微波天线机械轴指向的在轨标定。这种标定系统和标定方法只需依靠产品配套硬件，不需增加额外硬件设备，易于工程实现，非常适合在空间重量资源有限的平台上使用。

附图说明

图1为本发明一种星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定系统的框图；

图2为本发明步骤S1.2的具体流程图；

图3为本发明光学跟瞄系统坐标系图；

图4为本发明步骤S1.2中的天球坐标系图；

图5为本发明光学系统坐标系与天球坐标系合并的简化坐标系；

图6为本发明的天线机械轴指向在轨标定角度查找表模块的计算处理流程图；

图7是表示本发明的天线机械轴指向实时计算模块的处理流程图。

图8、图9是表示本发明的天线机械轴指向实时计算模块中计算方法的图形式示意说明图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定系统，包含：

光学跟瞄系统，用于将光信号转换为电信号并输出数字图像，并将数字图像进行目标提取、内插细分定位、坐标换算及目标识别；微波天线、环形器、和差器，所述的微波天线将来自环形器的发射信号辐射出去，接收来自目标反射回来的回波信号经过和差器分别形成和路、方位和俯仰信号，其中和路信号通过环形器进入接收机，方位和俯仰信号直连到接收机；发射机，用于发射主振射频信号和本振射频信号；接收机，其接收环形器的和路信号、微波天线的方位和俯仰信号；数字信号处理机，其连接光学跟瞄系统、接收机和发射机，用于跟瞄雷达的目标信息检测提取、流程控制、时序控制、对外通信与数据传输；机构控制器、二维指向机构，所述的机构控制器驱动控制二维指向机构并提取其角度信息，所述的二维指向天线根据目标回收信号测量输出的角误差信息，驱动微波天线对目标的角度跟踪。

环形器将发射机输出的高功率信号与高灵敏度的接收机隔离起来，防止烧毁接收机。接收机分别接收来自环形器的和路信号、天线的俯仰和方位信号，对微波信号进行下变频，通过多级放大、隔离输出中频信号，同时控制信号增益和低通滤波处理，使输出信号具有合适的电平和带宽供数字信号处理机中的A/D采样。A/D转换器将中频模拟信号转换成可供DSP(Digital Signal Processor：数字信号处理器)或者FPGA(Field ProgrammableGate Array：现场可编程门阵列)处理的数字量。数字信号处理机负责跟瞄雷达的目标信息检测与提取、流程控制、时序控制、对外通信与数据传输等功能实现。

上述的光学跟瞄系统包含：光学镜头、图像传感器，所述的图像传感器将光学镜头的光信号转换为电信号并输出数字图像；控制数据处理机，其输入端连接图像传感器，用于星图信息的提取、识别、建立观测模型、解算参数输出天线机械轴真实指向。

上述的数字信号处理机包含一天线机械轴指向在轨标定角度查找表模块，其用于存放光学解算天线机械轴真实指向角度和对应的二维指向机构的角敏感器反馈的角度信息。

上述的数字信号处理机包含一天线机械轴指向实时计算模块，用于根据标定的角度信息和插值算法实时计算天线机械轴。

一种星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定方法，该方法包含如下步骤：

S1，光学跟瞄系统，用于将光信号转换为电信号并输出数字图像，并将数字图像进行目标提取、内插细分定位、坐标换算及目标识别；

S2，微波天线将来自环形器的发射信号辐射出去，接收来自目标反射回来的回波信号经过和差器分别形成和路、方位和俯仰通道；

S3，发射机发射主振射频信号和本振射频信号；

S4，二维指向天线根据目标回收信号测量输出的角误差信息，驱动微波天线对目标的角度跟踪；

S5，数字信号处理机跟瞄雷达的目标信息检测提取、流程控制、时序控制、对外通信与数据传输。

上述的步骤S1具体包含：

S1.1，图像传感器将光学镜头的光信号转换为电信号并输出数字图像；

如图2所示，S1.2，控制数据处理机对星图信息的提取、识别、建立观测模型、解算参数，并输出天线机械轴真实指向，具体地：

步骤S1.2.1、光学跟瞄系统坐标系定义：星点的图像坐标即为星点在面阵中的行、列数，因此图像坐标系一般定义为以像面左上点为原点，向下方向为行方向(u轴)，向右方向为列方向(v轴)。如图3中的O₁-uv所示。光学跟瞄系统坐标系一般定义为以光学系统中心为原点，X轴方向与图像坐标系的u轴方向一致，Y轴方向与图像坐标系的v轴一致，Z轴与X轴和Y轴由成右手坐标系关系。如图3中的O-XYZ所示。

步骤S1.2.2、天球坐标系定义：由于恒星的自行非常小，可以认为恒星在第二赤道坐标系中的坐标是不变的，因此我们用第二赤道坐标系作为天球坐标系。为便于建立观测模型，依据天球坐标系建立直角坐标系。如图4所示。以地心为坐标原点，地心到春分点的矢景为X轴正方向，北天极方向为Z轴正方向，X、Y、Z轴成右手坐标系关系。设恒星P的赤经为a，赤纬为b。

步骤S1.2.3、天球坐标系定义：由于恒星的自行非常小，可以认为恒星在第二赤道坐标系中的坐标是不变的，因此我们用第二赤道坐标系作为天球坐标系。为便于建立观测模型，依据天球坐标系建立直角坐标系。如图4所示。以地心为坐标原点，地心到春分点的矢景为X轴正方向，北天极方向为Z轴正方向，X、Y、Z轴成右手坐标系关系。设恒星P的赤经为a，赤纬为b。

步骤S1.2.4、由于恒星离地球的距离非常远，由地心与日心间的距离引起的恒星周年视差也不过在百分之一角秒的量级上，而飞行器与地心的距离一般小于日地距离，因此将天球坐标系平移到光学系统中心上时，恒星赤经、赤纬的变化远小于0.1角秒。为了简化观测模型，将天球坐标系平移至光学系统中心，如图5所示，用O-XYZ表示，光学系统坐标系用O-X′Y′Z′表示，则星敏感器光学系统的标定即是解算内参数并确定O-X′Y′Z′到O-XYZ的转换关系。

步骤S1.2.5、光学跟瞄系统工作时，如图5所示，恒星P通过光学系统在镜头像面上成像于p点。理想情况下，恒星P、光学系统中心O与像点p位于一条直线上。而P在天球坐标系中的坐标(x,y,z)已知，p的图像坐标(u,v)可以通过星图处理计算出来，使用直线约束建立u、v与x,y、z以及光学系统内外参数间的关系，通过平差解算光学系统的内外参数。

步骤S1.2.6、重复步骤1.2.1～1.2.5，同时解算不同的4颗星图坐标，从而确定光学系统的中心法线在天体坐标系中的指向角度信息，该角度就是天线机械轴的实际指向角度。

上述的步骤S5包含：

如图6所示，S5.1，数字信号处理机存放光学解算天线机械轴真实指向角度和对应的二维指向机构的角敏感器反馈的角度信息；

具体地，

步骤S5.1.1、设复合雷达系统空域标校探测范围航向角为±Ф，俯仰角为±ψ,航向角度标定间隔设为Δθ，俯仰角度标定间隔设为

步骤S5.1.2、机构控制器控制二维机构航向运动到-Ф，俯仰运动到ψ，记录当前机构反馈的航向角和俯仰角；

步骤S5.1.3、应用传统星图信息提取算法，计算并记录光学系统中心线法向指向的航向角和俯仰角；

步骤S5.1.4、机构指向俯仰角为ψ不变，控制机构航向维分别运动到-Ф+Δθ、-Ф+2Δθ、…、Ф，分别记录每个位置机构反馈角度和光学系统中心线法向指向角度；

步骤S5.1.5、机构航向角为Ф不变，俯仰维运动到位置，记录机构反馈角度和光学系统中心线法向指向角度；

步骤S5.1.6、机构俯仰角为不变，航向分别运动到Ф-Δθ、Ф-2Δθ、…、-Ф，分别记录每个位置机构反馈角度和光学系统中心线法向指向角度；

步骤S5.1.7、依此类推，当机构俯仰维转到-ψ，航向维按照规则转动一行，数据采集结束

如图7所示，S5.2，数字信号处理机根据标定的角度信息和插值算法实时计算天线机械轴。

具体地，

步骤S5.2.1、复合雷达系统实现探测目标捕获、跟踪；

步骤S5.2.2、利用数字信号处理机，周期性接收二维指向机构反馈角度,航向角、俯仰角分别用θ、表示；

步骤S5.2.3、依据机构反馈角度信息，遍历在轨标定角度存储表，确定当前机构反馈角度所在的标定机构反馈角度存储表中的二维位置信息，设遍历到的四角区间标定信息分别用 来表示，如图8所示；

步骤S5.2.4、根据遍历到的机构反馈角度存储表的二维位置信息，查找到对应光学中心线指向角度存储表中的二维位置信息，设对应则有对应对应对应如图9所示；

步骤S5.2.5、依据在标定机构四角区间的四边上的投影比例，计算图9中的(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)、(x₄，y₄)的二维角度信息；

步骤S5.2.6、(x₁，y₁)、(x₃，y₃)两点组成的直线与(x₂，y₂)、(x₄，y₄)两点组成的直线的交点(x，y)即为标定后的天线机械轴指向角度信息。

综上所述，本发明一种星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定系统和方法，依靠复合跟瞄雷达产品自身配套的光学跟瞄系统实现微波天线机械轴指向的在轨标定。这种标定系统和标定方法只需依靠产品配套硬件，不需增加额外硬件设备，易于工程实现，非常适合在空间重量资源有限的平台上使用。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定系统，其特征在于，包含：

光学跟瞄系统，用于将光信号转换为电信号并输出数字图像，并将数字图像进行目标提取、内插细分定位、坐标换算及目标识别；

微波天线、环形器、和差器，所述的微波天线将来自环形器的发射信号辐射出去，接收来自目标反射回来的回波信号经过和差器分别形成和路、方位和俯仰信号；

发射机，用于发射主振射频信号和本振射频信号；

接收机，其接收环形器的和路信号、微波天线的方位和俯仰信号；

数字信号处理机，其连接光学跟瞄系统、接收机和发射机，用于跟瞄雷达的目标信息检测提取、流程控制、时序控制、对外通信与数据传输；

机构控制器、二维指向机构，所述的机构控制器驱动控制二维指向机构并提取其角度信息，所述的二维指向机构根据目标回收信号测量输出的角误差信息，驱动微波天线对目标的角度跟踪。

2.如权利要求1所述的星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定系统，其特征在于，所述的光学跟瞄系统包含：

光学镜头、图像传感器，所述的图像传感器将光学镜头的光信号转换为电信号并输出数字图像；

控制数据处理机，其输入端连接图像传感器，用于星图信息的提取、识别、建立观测模型、解算参数输出天线机械轴真实指向。

3.如权利要求1所述的星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定系统，其特征在于，所述的数字信号处理机包含一天线机械轴指向在轨标定角度查找表模块，其用于存放光学解算天线机械轴真实指向角度和对应的二维指向机构的角敏感器反馈的角度信息。

4.如权利要求1所述的星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定系统，其特征在于，所述的数字信号处理机包含一天线机械轴指向实时计算模块，用于根据标定的角度信息和插值算法实时计算天线机械轴。

5.一种星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：

S1，光学跟瞄系统，用于将光信号转换为电信号并输出数字图像，并将数字图像进行目标提取、内插细分定位、坐标换算及目标识别；

S2，微波天线将来自环形器的发射信号辐射出去，接收来自目标反射回来的回波信号经过和差器分别形成和路、方位和俯仰通道；

S3，发射机发射主振射频信号和本振射频信号；

S4，二维指向天线根据目标回收信号测量输出的角误差信息，驱动微波天线对目标的角度跟踪；

S5，数字信号处理机跟瞄雷达的目标信息检测提取、流程控制、时序控制、对外通信与数据传输。

6.如权利要求5所述的星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定方法，其特征在于，所述的步骤S1具体包含：

S1.1，图像传感器将光学镜头的光信号转换为电信号并输出数字图像；

S1.2，控制数据处理机对星图信息的提取、识别、建立观测模型、解算参数，并输出天线机械轴真实指向。

7.如权利要求1所述的星载微波光学复合跟瞄雷达在轨标定方法，其特征在于，所述的步骤S5包含：

S5.1，天线机械轴指向在轨标定角度查找表模块存放光学解算天线机械轴真实指向角度和对应的二维指向机构的角敏感器反馈的角度信息；

S5.2，天线机械轴指向实时计算模块根据标定的角度信息和插值算法实时计算天线机械轴。