CN113063440B - 静止轨道微波探测卫星图像定位与配准全物理仿真试验方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种静止轨道微波探测卫星图像定位与配准全物理仿真试验方法和系统，包括：步骤1：基于视线测量系统进行微波载荷视线指向模拟；步骤2：采用高精度大范围动态光轴测量的方式，进行微波载荷视线测量；步骤3：通过二维扫描镜的转动进行补偿，消除平移运动引起的视线测量误差；步骤4：对微波载荷与卫星平台进行协同扫描成像；步骤5：进行微波载荷视线定位配准。本发明提出的微波载荷图像定位与配准全物理仿真试验方法，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

静止轨道微波探测卫星图像定位与配准全物理仿真试验方法 和系统

技术领域

本发明涉及空间飞行器总体技术领域，具体地，涉及一种静止轨道微波探测卫星图像定位与配准全物理仿真试验方法和系统。

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：CN201810617228.3)中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，介绍了基于三轴气浮台的全物理仿真方法，但仅对卫星的动力学特性进行了验证，未考虑载荷的图像定位与配准性能。

专利文献CN105572692A(申请号：CN201510954766.8)中公开了一种卫星图像导航与配准全物理试验装置。该专利仅限于光学遥感卫星的图像导航与配准试验，未涉及到微波载荷的图像定位与配准全物理仿真试验；另外，该专利重点公开了试验设备，而未涉及具体的试验方法，与本发明存在明显的差异。

综上，本发明提出的微波载荷图像定位与配准全物理仿真试验方法，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探测卫星图像定位与配准全物理仿真试验方法和系统。

根据本发明提供的静止轨道微波探测卫星图像定位与配准全物理仿真试验方法，包括：

步骤1：基于视线测量系统进行微波载荷视线指向模拟；

步骤2：采用高精度大范围动态光轴测量的方式，进行微波载荷视线测量；

步骤3：通过二维扫描镜的转动进行补偿，消除平移运动引起的视线测量误差；

步骤4：对微波载荷与卫星平台进行协同扫描成像；

步骤5：进行微波载荷视线定位配准。

优选的，所述步骤1包括：

微波载荷视线指向的模拟通过二维扫描运动机构实现，二维扫描运动机构包括扫描镜1、扫描镜2和转轴；

根据二维扫描运动机构的平面反射原理，得出微波载荷的视线指向表达式为：

上式中，

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，得出：

式中，

为矢量

的第一个分量；

为矢量

的第二个分量；

为矢量

的第三个分量；

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。

优选的，所述步骤2包括：

高精度大范围动态光轴测量原理是通过空间布局，使光轴指向特定屏幕形成光斑，采用将角位移转换为空间线位移测量的思想进行测量；

大范围动态光轴测量系统包括激光器、测量屏幕和高速摄像机；

所述激光器用于模拟微波载荷的视线；

所述测量屏幕用于截取激光器的光斑；

所述高速摄像机的作用是高频次的记录光斑在测量屏幕上的变化情况；

通过图像处理获取不同曝光时刻光斑的运动位移，通过空间参数转换得到高精度的角位移测量信息。

优选的，所述步骤3包括：

调节激光器相对扫描镜2的位置关系，确保激光器经过扫描镜1的反射后，打到扫描镜2的中心转轴位置；

扫描镜1的转动引起激光出射点在X轴方向的平移，通过算法进行补偿，设激光出射点在X轴方向的运动位移为Δx，则：

Δx＝2r·β

其中，r为扫描镜1中心到扫描镜2中心的直线距离；β为扫描镜1的转动角度；根据计算模型获取微波载荷视线的出射点移动位置，完成对二维扫描镜转动的补偿。

优选的，所述步骤4包括：

将力矩陀螺、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；

通过二维扫描镜转动机构实现圆锥扫描，出射光矢量表达式为：

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；

由上式得到二维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，实现微波载荷在轨协同扫描成像工作模式的模拟。

优选的，通过计算二维扫描镜转动产生的干扰力矩及发生的时间，利用反作用飞轮产生补偿力矩，补偿扫描镜转动对台体的干扰；

根据扫描镜转角的运动规律，得出扫描镜转角的转动角加速度表达式为：

其中，

为扫描镜1的转动角加速度；

为扫描镜2的转动角加速度；θ为目标圆锥曲线半锥角；ω为圆锥扫描角速度；t为时间；

进而得到扫描镜转动引起的干扰力矩表达式为：

其中，T_z为台体的Z轴干扰力矩；T_x为台体的X轴干扰力矩；

为扫描镜1的转动角加速度；J_β为扫描镜1的转动惯量；

为扫描镜2的转动角加速度；J_α为扫描镜2的转动惯量；θ为目标圆锥曲线半锥角；ω为圆锥扫描角速度；t为时间。

优选的，所述视线测量系统包括激光器、二维扫描运动机构、测量屏幕、高速摄像机和激光跟踪仪；

通过激光表征微波载荷的真实视线指向，通过激光器在测量屏幕上留下的光斑，实现微波载荷视线的测量；

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，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视线的圆锥运动；

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，实现视线指向方向的改变。

优选的，所述步骤5包括：

在微波载荷视线导航补偿功能关闭时，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；

在微波载荷视线导航补偿功能开启时，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。

根据本发明提供的静止轨道微波探测卫星图像定位与配准全物理仿真试验系统，包括：

模块M1：基于视线测量系统进行微波载荷视线指向模拟；

模块M2：采用高精度大范围动态光轴测量的方式，进行微波载荷视线测量；

模块M3：通过二维扫描镜的转动进行补偿，消除平移运动引起的视线测量误差；

模块M4：对微波载荷与卫星平台进行协同扫描成像；

模块M5：进行微波载荷视线定位配准。

优选的，所述视线测量系统包括激光器、二维扫描运动机构、测量屏幕、高速摄像机和激光跟踪仪；

通过激光表征微波载荷的真实视线指向，通过激光器在测量屏幕上留下的光斑，实现微波载荷视线的测量；

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，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视线的圆锥运动；

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，实现视线指向方向的改变。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明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；

(2)采用高精度大范围动态光轴测量方法，实现微波载荷视线的高精度测量；

(3)设计二维扫描镜转动的补偿方法，消除了平移运动引起的视线测量误差；

(4)提出微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟方法，消除了在地面模拟卫星平台和对微波载荷图像定位配准的影响；

(5)设计了微波载荷视线定位配准试验方法，验证微波载荷图像定位与配准技术。

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是微波载荷图像定位与配准全物理仿真方法示意图。

图2是二维扫描运动机构的结构示意图。

图3是高精度大范围动态光轴测量原理图。

图4是二维扫描转动机构引起的出射点移动原理图。

图5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：

如图1，为本发明的微波载荷图像定位与配准全物理仿真方法示意图，具体实施方式如下：

1)微波载荷视线指向模拟

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

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：

上式中，

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：

上式中，

为矢量

的第一个分量；

为矢量

的第二个分量；

为矢量

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)高精度大范围动态光轴测量

高精度大范围动态光轴测量原理是通过空间布局，使光轴指向特定屏幕形成光斑，采用将角位移转换为空间线位移测量的思想进行测量，测量示意图见附图3。大范围动态光轴测量系统主要由激光器、测量屏幕和高速摄像机组成。其中，激光器用于模拟微波载荷的视线；测量屏幕用于截取激光器的光斑；高速摄像机的作用是高频次的记录光斑在测量屏幕上的变化情况。通过图像处理，获取不同曝光时刻光斑的运动位移，最终通过空间参数转换，即可得到高精度的角位移测量信息。

3)二维扫描镜转动补偿

通过二维扫描转动机构模拟微波载荷视线指向时，根据二维扫描转动机构的工作原理，激光的出射点在扫描镜2的镜面。二维扫描镜转动过程中，激光的出射点位置会发生变化，见附图4。出射点的位置变化会引起测量屏幕上光斑的移动，造成了微波载荷的视线测量误差，因此需要进行补偿。

首先，调节激光器相对扫描镜2的位置关系，确保激光器经过扫描镜1的反射后，打到扫描镜2的中心转轴位置。此时，扫描镜2的转动不会引起激光出射点的位置变化。

扫描镜1的转动会引起激光出射点在X轴方向的平移，需通过算法补偿。设激光出射点在X轴方向的运动位移为Δx，则：

Δx＝2r·β

其中，Δx为激光出射点在X轴方向的运动位移；r为扫描镜1中心到扫描镜2中心的直线距离；β为扫描镜1的转动角度。根据上述计算模型，可获取微波载荷视线的出射点移动位置，完成对二维扫描镜转动的补偿。

4)微波载荷与卫星平台协同扫描成像模拟

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：

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5。

5)二维扫描运动机构干扰力矩补偿

根据实施步骤4)的分析结果，二维扫描运动机构在进行转动时，其转动角速度不停变化，会产生干扰力矩。为了保证试验精度，需设计干扰力矩的补偿方法。

本发明提出一种基于反作用飞轮的前馈补偿方法，通过计算二维扫描镜转动产生的干扰力矩及发生的时间，利用反作用飞轮产生一个补偿力矩，补偿扫描镜转动对台体的干扰。

以实施步骤4)提到的圆锥扫描为例，根据扫描镜转角的运动规律，得出扫描镜转角的转动角加速度表达式为：

其中，

为扫描镜1的转动角加速度；

为扫描镜2的转动角加速度；θ为目标圆锥曲线半锥角；ω为圆锥扫描角速度；t为时间。

进而可得到扫描镜转动引起的干扰力矩表达式为：

其中，T_z为台体的Z轴干扰力矩；T_x为台体的X轴干扰力矩；

为扫描镜1的转动角加速度；J_β为扫描镜1的转动惯量；

为扫描镜2的转动角加速度；J_α为扫描镜2的转动惯量；θ为目标圆锥曲线半锥角；ω为圆锥扫描角速度；t为时间。

根据上述干扰力矩的计算结果，通过反作用飞轮反向驱动，产生补偿力矩，消除二维扫描运动机构干扰力矩对试验的影响。

6)微波载荷视线定位配准试验

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 (7)

1.一种静止轨道微波探测卫星图像定位与配准全物理仿真试验方法，其特征在于，包括：

步骤1：基于视线测量系统进行微波载荷视线指向模拟；

步骤2：采用高精度大范围动态光轴测量的方式，进行微波载荷视线测量；

步骤3：通过二维扫描镜的转动进行补偿，消除平移运动引起的视线测量误差；

步骤4：对微波载荷与卫星平台进行协同扫描成像；

步骤5：进行微波载荷视线定位配准；

所述步骤1包括：

微波载荷视线指向的模拟通过二维扫描运动机构实现，二维扫描运动机构包括扫描镜1、扫描镜2和转轴；

根据二维扫描运动机构的平面反射原理，得出微波载荷的视线指向表达式为：

上式中，

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，得出：

式中，

为矢量

的第一个分量；

为矢量

的第二个分量；

为矢量

的第三个分量；

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；

所述步骤2包括：

高精度大范围动态光轴测量原理是通过空间布局，使光轴指向特定屏幕形成光斑，采用将角位移转换为空间线位移测量的思想进行测量；

大范围动态光轴测量系统包括激光器、测量屏幕和高速摄像机；

所述激光器用于模拟微波载荷的视线；

所述测量屏幕用于截取激光器的光斑；

所述高速摄像机的作用是高频次的记录光斑在测量屏幕上的变化情况；

通过图像处理获取不同曝光时刻光斑的运动位移，通过空间参数转换得到高精度的角位移测量信息；

所述步骤3包括：

调节激光器相对扫描镜2的位置关系，确保激光器经过扫描镜1的反射后，打到扫描镜2的中心转轴位置；

扫描镜1的转动引起激光出射点在X轴方向的平移，通过算法进行补偿，设激光出射点在X轴方向的运动位移为Δx，则：

Δx＝2r·β

其中，r为扫描镜1中心到扫描镜2中心的直线距离；β为扫描镜1的转动角度；根据计算模型获取微波载荷视线的出射点移动位置，完成对二维扫描镜转动的补偿。

2.根据权利要求1所述的静止轨道微波探测卫星图像定位与配准全物理仿真试验方法，其特征在于，所述步骤4包括：

将力矩陀螺、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；

通过二维扫描镜转动机构实现圆锥扫描，出射光矢量表达式为：

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；

由上式得到二维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，实现微波载荷在轨协同扫描成像工作模式的模拟。

3.根据权利要求2所述的静止轨道微波探测卫星图像定位与配准全物理仿真试验方法，其特征在于，通过计算二维扫描镜转动产生的干扰力矩及发生的时间，利用反作用飞轮产生补偿力矩，补偿扫描镜转动对台体的干扰；

根据扫描镜转角的运动规律，得出扫描镜转角的转动角加速度表达式为：

其中，

为扫描镜1的转动角加速度；

为扫描镜2的转动角加速度；θ为目标圆锥曲线半锥角；ω为圆锥扫描角速度；t为时间；

进而得到扫描镜转动引起的干扰力矩表达式为：

其中，T_z为台体的Z轴干扰力矩；T_x为台体的X轴干扰力矩；

为扫描镜1的转动角加速度；J_β为扫描镜1的转动惯量；

为扫描镜2的转动角加速度；J_α为扫描镜2的转动惯量；θ为目标圆锥曲线半锥角；ω为圆锥扫描角速度；t为时间。

4.根据权利要求1所述的静止轨道微波探测卫星图像定位与配准全物理仿真试验方法，其特征在于，所述视线测量系统包括激光器、二维扫描运动机构、测量屏幕、高速摄像机和激光跟踪仪；

通过激光表征微波载荷的真实视线指向，通过激光器在测量屏幕上留下的光斑，实现微波载荷视线的测量；

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，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视线的圆锥运动；

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，实现视线指向方向的改变。

5.根据权利要求4所述的静止轨道微波探测卫星图像定位与配准全物理仿真试验方法，其特征在于，所述步骤5包括：

在微波载荷视线导航补偿功能关闭时，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；

在微波载荷视线导航补偿功能开启时，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。

6.一种静止轨道微波探测卫星图像定位与配准全物理仿真试验系统，其特征在于，包括：

模块M1：基于视线测量系统进行微波载荷视线指向模拟；

模块M2：采用高精度大范围动态光轴测量的方式，进行微波载荷视线测量；

模块M3：通过二维扫描镜的转动进行补偿，消除平移运动引起的视线测量误差；

模块M4：对微波载荷与卫星平台进行协同扫描成像；

模块M5：进行微波载荷视线定位配准；

微波载荷视线指向的模拟通过二维扫描运动机构实现，二维扫描运动机构包括扫描镜1、扫描镜2和转轴；

根据二维扫描运动机构的平面反射原理，得出微波载荷的视线指向表达式为：

上式中，

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，得出：

式中，

为矢量

的第一个分量；

为矢量

的第二个分量；

为矢量

的第三个分量；

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；

高精度大范围动态光轴测量原理是通过空间布局，使光轴指向特定屏幕形成光斑，采用将角位移转换为空间线位移测量的思想进行测量；

大范围动态光轴测量系统包括激光器、测量屏幕和高速摄像机；

所述激光器用于模拟微波载荷的视线；

所述测量屏幕用于截取激光器的光斑；

所述高速摄像机的作用是高频次的记录光斑在测量屏幕上的变化情况；

通过图像处理获取不同曝光时刻光斑的运动位移，通过空间参数转换得到高精度的角位移测量信息；

调节激光器相对扫描镜2的位置关系，确保激光器经过扫描镜1的反射后，打到扫描镜2的中心转轴位置；

扫描镜1的转动引起激光出射点在X轴方向的平移，通过算法进行补偿，设激光出射点在X轴方向的运动位移为Δx，则：

Δx＝2r·β

其中，r为扫描镜1中心到扫描镜2中心的直线距离；β为扫描镜1的转动角度；根据计算模型获取微波载荷视线的出射点移动位置，完成对二维扫描镜转动的补偿。

7.根据权利要求6所述的静止轨道微波探测卫星图像定位与配准全物理仿真试验系统，其特征在于，所述视线测量系统包括激光器、二维扫描运动机构、测量屏幕、高速摄像机和激光跟踪仪；

通过激光表征微波载荷的真实视线指向，通过激光器在测量屏幕上留下的光斑，实现微波载荷视线的测量；

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，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视线的圆锥运动；

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，实现视线指向方向的改变。

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