CN112925708A - 静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟方法及系统 - Google Patents

静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟方法及系统，包括：步骤S1：通过二维扫描运动机构模拟微波载荷的成像模式和光轴指向特性；步骤S2：基于二维扫描运动机构提出微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法，在地面模拟卫星平台和对微波载荷图像定位配准的影响；步骤S3：基于微波载荷与卫星平台协同扫描成像对微波载荷图像定位配准的影响，对微波载荷视线导航功能开启前后的定位误差进行对比，验证微波载荷图像定位与配准技术。本发明提出的微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法，可真实模拟整星机动扫描时的微波视线定位配准过程，为微波遥感卫星的图像定位与配准设计提供依据。

Description

静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟方法及系统
技术领域
本发明涉及空间飞行器技术领域，具体地，涉及静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟方法及系统，更为具体地，涉及静止轨道微波探测卫星平台与载荷协同扫描成像模拟试验方法。
背景技术
图像定位配准是影响气象卫星遥感图像产品质量的关键指标，直接反映了遥感图像信息与目标之间的空间对应关系。对气象卫星业务图像产品定位的定量应用有着重要作用，如对区域复杂天气情况的精确定位，准确跟踪恶劣天气以及生成云图动画等。
微波遥感卫星对图像定位与配准精度提出了较高的要求，但与光学遥感卫星不同的是，微波天线的波束指向建模复杂，波束指向偏差补偿技术难度大。为了验证微波载荷的图像定位与配准技术，需在地面进行全物理仿真试验，对微波图像导航与配准技术方案进行验证。
专利文献CN108873920A(申请号：201810617228.3)公开了一种充液航天器姿态动力学全物理仿真试验系统及方法，该系统包括一套液体晃动力矩模拟系统，所述液体晃动力矩模拟系统包括：由多个单框架控制力矩陀螺组成的液体晃动力矩生成器，该力矩生成器安装在气浮台台体上，与三轴气浮台进行角动量交换，用于模拟液体晃动对卫星姿态产生干扰；用于力矩计算和遥测数据转发的液体晃动计算通信模块；用于系统状态监视和参数上注的地面监控模块；用于控制力矩陀螺组和计算通信模块供电的电源模块。该专利仅对卫星的动力学特性进行了验证，未考虑载荷的工作特性。
专利文献CN105572692A(申请号：201510954766.8)公开了一种卫星图像导航与配准全物理试验装置及测试方法，其包括三轴气浮台(1)、光轴测量系统(2)、调节机构(3)、无线通信设备(4)、光电自准直仪(5)、相机安装板(6)，以及星上参试设备如成像相机(含扫描机构)(7)、太阳帆板驱动模拟机构(8)、陀螺组合(9)、飞轮组合(10)等，模拟卫星在轨工作状态，进行系统级试验。本发明可对小面阵、二维扫描成像相机或大口径长线列、大面阵成像相机等不同载荷进行图像导航与配准气浮台全物理试验验证和性能测试，确保星上图像导航与配准技术方案和系统指标满足星上要求。该专利仅限于光学遥感卫星的图像导航与配准试验，未涉及到微波载荷与卫星平台协同成像模拟方法。
综上，本发明提出的微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法，可解决微波载荷的图像定位与配准方案地面验证的难题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟方法及系统。
根据本发明提供的一种静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟方法，包括：
步骤S1：通过二维扫描运动机构模拟微波载荷的成像模式和光轴指向特性；
步骤S2：基于二维扫描运动机构提出微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法，在地面模拟卫星平台和对微波载荷图像定位配准的影响；
步骤S3：基于微波载荷与卫星平台协同扫描成像对微波载荷图像定位配准的影响，对微波载荷视线导航功能开启前后的定位误差进行对比，验证微波载荷图像定位与配准技术。
优选地，所述步骤S1中光轴指向特性包括：通过两面反射镜协同工作模拟载荷视线指向特性；通过驱动两面反射镜的转角，视线指向方向的改变。
优选地，所述步骤S2中基于微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法包括：将力矩陀螺组合、二维扫描镜运动机构安装在三轴气浮台上，通过力矩陀螺组合控制三轴气浮台实现台体扫描运动；通过二维扫描镜转动机构模拟微波载荷实现的圆锥运动；将力矩陀螺组合控制三轴气浮台实现的台体扫描运动和二维扫描镜转动机构模拟微波载荷实现的圆锥运动进行叠加，实现了微波载荷在轨协同扫描成像工作模式的模拟。
优选地，所述二维扫描镜转动机构模拟微波载荷包括基于反作用飞轮的前馈补偿方法，补偿二维扫描镜转动机构的两个扫描镜转动产生的干扰力矩。
优选地，所述步骤S3包括：在微波载荷视线导航补偿功能关闭时，通过满足预设要求的动态视线测量方法获取微波视线的定位误差；在微波载荷视线导航补偿功能开启时，通过比对微波载荷实现导航补偿功能开启前后的定位误差对比分析，获取微波载荷视线定位精度的改善效果，验证微波载荷视线导航补偿效果。
根据本发明提供的一种静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟系统，包括：
模块M1：通过二维扫描运动机构模拟微波载荷的成像模式和光轴指向特性；
模块M2：基于二维扫描运动机构提出微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法，在地面模拟卫星平台和对微波载荷图像定位配准的影响；
模块M3：基于微波载荷与卫星平台协同扫描成像对微波载荷图像定位配准的影响，对微波载荷视线导航功能开启前后的定位误差进行对比，验证微波载荷图像定位与配准技术。
优选地，所述模块M1中光轴指向特性包括：通过两面反射镜协同工作模拟载荷视线指向特性；通过驱动两面反射镜的转角，视线指向方向的改变。
优选地，所述模块M2中基于微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法包括：将力矩陀螺组合、二维扫描镜运动机构安装在三轴气浮台上，通过力矩陀螺组合控制三轴气浮台实现台体扫描运动；通过二维扫描镜转动机构模拟微波载荷实现的圆锥运动；将力矩陀螺组合控制三轴气浮台实现的台体扫描运动和二维扫描镜转动机构模拟微波载荷实现的圆锥运动进行叠加，实现了微波载荷在轨协同扫描成像工作模式的模拟。
优选地，所述二维扫描镜转动机构模拟微波载荷包括基于反作用飞轮的前馈补偿方法，补偿二维扫描镜转动机构的两个扫描镜转动产生的干扰力矩。
优选地，所述模块M3包括：在微波载荷视线导航补偿功能关闭时，通过满足预设要求的动态视线测量方法获取微波视线的定位误差；在微波载荷视线导航补偿功能开启时，通过比对微波载荷实现导航补偿功能开启前后的定位误差对比分析，获取微波载荷视线定位精度的改善效果，验证微波载荷视线导航补偿效果。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提出的微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法及系统可应用于我国静止轨道微波探测卫星图像定位与配准系统研制研发过程；
2、本发明提出的微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法及系统，可以在地面真实模拟整星机动扫描时的微波视线指向，并对整个定位配准过程进行全物理仿真验证，为微波遥感卫星的图像定位与配准设计提供依据；
3、本发明可用于验证微波载荷图像定位与配准技术方案，考核图像定位与配准指标，对提高微波遥感卫星探测性能有重要的意义。
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是微波载荷与卫星平台协同扫描成像示意图。
图2是二维扫描运动机构的结构示意图。
图3是微波载荷与平台协同扫描轨迹。
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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明提出一种微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法，可真实模拟整星机动扫描时的微波视线定位配准过程，用于验证微波载荷视线导航补偿方法的准确性。
根据本发明提供的一种静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟方法，包括：
步骤S1：通过二维扫描运动机构模拟微波载荷的成像模式和光轴指向特性；
步骤S2：基于二维扫描运动机构提出微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法，在地面模拟卫星平台和对微波载荷图像定位配准的影响；
步骤S3：基于微波载荷与卫星平台协同扫描成像对微波载荷图像定位配准的影响，对微波载荷视线导航功能开启前后的定位误差进行对比，验证微波载荷图像定位与配准技术。
具体地，所述步骤S1中光轴指向特性包括：通过两面反射镜协同工作模拟载荷视线指向特性；通过驱动两面反射镜的转角，视线指向方向的改变。
具体地，所述步骤S2中基于微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法包括：将力矩陀螺组合、二维扫描镜运动机构安装在三轴气浮台上，通过力矩陀螺组合控制三轴气浮台实现台体扫描运动；通过二维扫描镜转动机构模拟微波载荷实现的圆锥运动；将力矩陀螺组合控制三轴气浮台实现的台体扫描运动和二维扫描镜转动机构模拟微波载荷实现的圆锥运动进行叠加，实现了微波载荷在轨协同扫描成像工作模式的模拟。
具体地，所述二维扫描镜转动机构模拟微波载荷包括基于反作用飞轮的前馈补偿方法，补偿二维扫描镜转动机构的两个扫描镜转动产生的干扰力矩。
具体地，所述步骤S3包括：在微波载荷视线导航补偿功能关闭时，通过满足预设要求的动态视线测量方法获取微波视线的定位误差；在微波载荷视线导航补偿功能开启时，通过比对微波载荷实现导航补偿功能开启前后的定位误差对比分析，获取微波载荷视线定位精度的改善效果，验证微波载荷视线导航补偿效果。
根据本发明提供的一种静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟系统，包括：
模块M1：通过二维扫描运动机构模拟微波载荷的成像模式和光轴指向特性；
模块M2：基于二维扫描运动机构提出微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法，在地面模拟卫星平台和对微波载荷图像定位配准的影响；
模块M3：基于微波载荷与卫星平台协同扫描成像对微波载荷图像定位配准的影响，对微波载荷视线导航功能开启前后的定位误差进行对比，验证微波载荷图像定位与配准技术。
具体地，所述模块M1中光轴指向特性包括：通过两面反射镜协同工作模拟载荷视线指向特性；通过驱动两面反射镜的转角，视线指向方向的改变。
具体地，所述模块M2中基于微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法包括：将力矩陀螺组合、二维扫描镜运动机构安装在三轴气浮台上，通过力矩陀螺组合控制三轴气浮台实现台体扫描运动；通过二维扫描镜转动机构模拟微波载荷实现的圆锥运动；将力矩陀螺组合控制三轴气浮台实现的台体扫描运动和二维扫描镜转动机构模拟微波载荷实现的圆锥运动进行叠加，实现了微波载荷在轨协同扫描成像工作模式的模拟。
具体地，所述二维扫描镜转动机构模拟微波载荷包括基于反作用飞轮的前馈补偿方法，补偿二维扫描镜转动机构的两个扫描镜转动产生的干扰力矩。
具体地，所述模块M3包括：在微波载荷视线导航补偿功能关闭时，通过满足预设要求的动态视线测量方法获取微波视线的定位误差；在微波载荷视线导航补偿功能开启时，通过比对微波载荷实现导航补偿功能开启前后的定位误差对比分析，获取微波载荷视线定位精度的改善效果，验证微波载荷视线导航补偿效果。
实施例2
实施例2是实施例1的变化例
以下结合附图1至3和具体实施例对本发明提出的静止轨道微波探测卫星平台与载荷协同扫描成像模拟试验方法作进一步详细说明。
本发明的具体实施方式如下：
1)微波载荷视线指向模拟方法
微波载荷视线指向的模拟可通过二维扫描运动机构实现，二维扫描运动机构的结构示意图参见附图2，主要由扫描镜1、扫描镜2和转轴组成。图中的矢量
Figure BDA0002954155050000061
代表微波载荷的视线指向，根据二维扫描运动机构的平面反射原理，可得出微波载荷的视线指向表达式为：
Figure BDA0002954155050000062
上式中，
Figure BDA0002954155050000063
为微波载荷的视线指向矢量；β为扫描镜1的转动角度；α为扫描镜2的转动角度。对上式进行化简，可得出：
Figure BDA0002954155050000064
上式中，
Figure BDA0002954155050000065
为矢量
Figure BDA0002954155050000066
的第一个分量；
Figure BDA0002954155050000067
为矢量
Figure BDA0002954155050000068
的第二个分量；
Figure BDA0002954155050000069
为矢量
Figure BDA00029541550500000610
的第三个分量。
从上式可以看出，可通过改变扫描镜1和扫描镜2的转动角度，获取期望的微波载荷视线指向。
2)微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法
将力矩陀螺组合、二维扫描镜转动机构安装在三轴气浮台上。力矩陀螺采用金字塔构型，通过整体的角动量规划，产生控制力矩，对三轴气浮台进行高精度扫描控制和快速机动控制，模拟卫星平台的运动。
微波载荷常见的扫描规律为圆锥扫描。以圆锥扫描为例，可通过二维扫描镜转动机构实现。二维扫描镜转动机构的出射光矢量表达式为：
Figure BDA00029541550500000611
其中，β为扫描镜1的转动角度；α为扫描镜2的转动角度；θ为目标圆锥曲线半锥角；ω为圆锥扫描角速度；t为时间。
由上式得到扫描镜转角和时间关系公式如下：
α＝-0.5arctan(tanθsinωt)
β＝0.5arcsin(sinθcosωt)
将上述二者运动叠加，实现了微波载荷在轨协同扫描成像工作模式的模拟，协同扫描轨迹见附图3。
3)微波载荷视线定位配准试验方法
首先，将在波载荷视线导航补偿功能关闭，通过三轴气浮台、力矩陀螺组合和二维扫描运动机构协同工作，模拟卫星平台的扫描成像过程。通过高精度大范围动态视线测量方法获取微波视线的定位误差。
然后，开启微波载荷视线导航补偿功能，通过对比分析，获取微波载荷视线定位精度的改善效果，验证微波载荷视线导航补偿效果。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟方法，其特征在于，包括：
步骤S1：通过二维扫描运动机构模拟微波载荷的成像模式和光轴指向特性；
步骤S2：基于二维扫描运动机构提出微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法，在地面模拟卫星平台和对微波载荷图像定位配准的影响；
步骤S3：基于微波载荷与卫星平台协同扫描成像对微波载荷图像定位配准的影响，对微波载荷视线导航功能开启前后的定位误差进行对比，验证微波载荷图像定位与配准技术。
2.根据权利要求1所述的静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中光轴指向特性包括：通过两面反射镜协同工作模拟载荷视线指向特性；通过驱动两面反射镜的转角，视线指向方向的改变。
3.根据权利要求1所述的静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟方法，其特征在于，所述步骤S2中基于微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法包括：将力矩陀螺组合、二维扫描镜运动机构安装在三轴气浮台上，通过力矩陀螺组合控制三轴气浮台实现台体扫描运动；通过二维扫描镜转动机构模拟微波载荷实现的圆锥运动；将力矩陀螺组合控制三轴气浮台实现的台体扫描运动和二维扫描镜转动机构模拟微波载荷实现的圆锥运动进行叠加，实现了微波载荷在轨协同扫描成像工作模式的模拟。
4.根据权利要求1所述的静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟方法，其特征在于，所述二维扫描镜转动机构模拟微波载荷包括基于反作用飞轮的前馈补偿方法，补偿二维扫描镜转动机构的两个扫描镜转动产生的干扰力矩。
5.根据权利要求1所述的静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟方法，其特征在于，所述步骤S3包括：在微波载荷视线导航补偿功能关闭时，通过满足预设要求的动态视线测量方法获取微波视线的定位误差；在微波载荷视线导航补偿功能开启时，通过比对微波载荷实现导航补偿功能开启前后的定位误差对比分析，获取微波载荷视线定位精度的改善效果，验证微波载荷视线导航补偿效果。
6.一种静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟系统，其特征在于，包括：
模块M1：通过二维扫描运动机构模拟微波载荷的成像模式和光轴指向特性；
模块M2：基于二维扫描运动机构提出微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法，在地面模拟卫星平台和对微波载荷图像定位配准的影响；
模块M3：基于微波载荷与卫星平台协同扫描成像对微波载荷图像定位配准的影响，对微波载荷视线导航功能开启前后的定位误差进行对比，验证微波载荷图像定位与配准技术。
7.根据权利要求6所述的静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟系统，其特征在于，所述模块M1中光轴指向特性包括：通过两面反射镜协同工作模拟载荷视线指向特性；通过驱动两面反射镜的转角，视线指向方向的改变。
8.根据权利要求6所述的静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟系统，其特征在于，所述模块M2中基于微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法包括：将力矩陀螺组合、二维扫描镜运动机构安装在三轴气浮台上，通过力矩陀螺组合控制三轴气浮台实现台体扫描运动；通过二维扫描镜转动机构模拟微波载荷实现的圆锥运动；将力矩陀螺组合控制三轴气浮台实现的台体扫描运动和二维扫描镜转动机构模拟微波载荷实现的圆锥运动进行叠加，实现了微波载荷在轨协同扫描成像工作模式的模拟。
9.根据权利要求6所述的静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟系统，其特征在于，所述二维扫描镜转动机构模拟微波载荷包括基于反作用飞轮的前馈补偿方法，补偿二维扫描镜转动机构的两个扫描镜转动产生的干扰力矩。
10.根据权利要求6所述的静止轨道微波星载荷与平台协同扫描成像模拟系统，其特征在于，所述模块M3包括：在微波载荷视线导航补偿功能关闭时，通过满足预设要求的动态视线测量方法获取微波视线的定位误差；在微波载荷视线导航补偿功能开启时，通过比对微波载荷实现导航补偿功能开启前后的定位误差对比分析，获取微波载荷视线定位精度的改善效果，验证微波载荷视线导航补偿效果。
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