CN113176101B - 基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验系统，包括：通过多轴运动控制子系统，模拟卫星编队在轨各卫星之间的相对位置和姿态变化；当得到模拟卫星编队在轨各卫星之间的相对位置和姿态变化之后利用目标通信与导航子系统实现通信、导航与控制；利用多轴运动控制子系统对天线馈源阵列组进行扩展组成探测网络；通过对大气环境采集子系统同步，获取试验校飞现场大气的相关信息；实时数据反演子系统：通过目标识别算法和反演算法对特征目标的目标特性进行提取。本发明还提供了一种基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验方法，实现了有效载荷数据实时获取与测量，降低系统研发难度并提高工程可实现性。

Description

基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验系统及方法
技术领域
本发明涉及卫星有效载荷测试试验技术领域，具体地，涉及一种基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验系统及方法。
背景技术
综合孔径无源微波探测是微波辐射成像的一个新兴应用领域，主要优点是：不主动发射信号隐蔽性强，受云、雾干扰小，对快速新型隐身目标也具有探测能力，因此作为雷达探测的一种强有力的补充。但现有平台上的微波辐射探测设备面临的主要问题是空间分辨率低，难以满足对中小型目标探测的空间分辨率要求。利用稀疏的小口径天线阵列合成一个等效的大口径天线，通过小卫星组网的方式，在太空轨道上合成一个分布式的大型综合孔径阵列提高微波辐射探测设备的空间分辨率的思想开始受到关注。
经过检索，专利文献CN101304408B公开了一种遥感卫星载荷数据的处理方法，由硬件在星载大容量固态存储器中实现，其特征是在读、写控制模块之间增加有特征信息提取模块和嵌入式映射模块。其中，特征信息提取模块能够从源源不断存入固态存储器的载荷数据流中提取出每一段数据的特征信息；嵌入式映射模块能够将一段载荷数据的特征信息与所保存的实际地址一一对应。该现有技术介绍了在固态存储器的载荷数据流中提取出数据的特征信息，但不足之处在于没有涉及地面成像方法，没有卫星编队相对位置和速度影响分析及其试验验证方法。
专利文献CN102935977A公开了一种卫星载荷单点垂直吊装置，包括主跨梁、三个吊环、保护嵌块、锁定螺母。三个吊环安装在主跨梁的吊点位置，保护嵌块镶嵌在主跨梁两端，锁定螺母用来固定中间竖直吊环；承力吊带通过卸扣与转接工装与载荷连接钩挂在吊钩上起吊，竖直承力吊带与中间吊环以及吊钩连接，承载主跨梁自身的重量，保护吊带通过吊带锁紧装置与主跨梁固定，另一端固定在吊钩上，可以防止产品的倾覆以及主跨梁倾斜带给产品的损害。该现有技术虽然解决了卫星有效载荷垂直状态单点起吊、转运的问题，但并没有涉及多轴协调控制六自由度平台模拟卫星编队的试验方法及其组成。
因此，亟需研发设计一种能够模拟卫星编队在轨各卫星之间的相对位置和姿态变化，实现有效载荷数据实时获取与测量的系统和方法。
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基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验系统及方法，能够实现有效载荷数据实时获取与测量，降低系统研发难度并提高工程可实现性。
根据本发明提供的一种基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验系统，包括：
多轴运动控制子系统：通过多轴运动控制子系统，模拟卫星编队在轨各卫星之间的相对位置和姿态变化；
目标通信与导航子系统：当得到模拟卫星编队在轨各卫星之间的相对位置和姿态变化之后利用目标通信与导航子系统实现通信、导航与控制；
天线馈源阵列组：利用多轴运动控制子系统对天线馈源阵列组进行扩展组成探测网络；
数据接收子系统；从天线馈源阵列组接收表征特征目标特性的微波辐射信号，反馈给数据反演子系统；
大气环境采集子系统：通过对大气环境采集子系统同步，获取试验校飞现场大气的相关信息；
实时数据反演子系统：通过目标识别算法和反演算法对特征目标的目标特性进行提取。
优选地，多轴运动子系统包括主控计算机和多轴控制管理器；主控计算机计算产生模拟运动轨迹，并解算多轴控制管理器所需的位置及姿态控制信息，并将实际的位置及姿态控制信息通过以太网反馈给实时数据反演子系统；多轴控制管理器能够提供多轴控制时间同步基准，接收主控计算机的位置及姿态控制信息，产生单轴控制指令，并反馈位置及姿态误差信息。
优选地，多轴运动子系统还包括驱动控制器和六自由度平台；驱动控制器通过与所述轴控制管理器组成控制网络，产生控制信号，反馈控制误差；六自由度平台接收驱动控制器的控制信号，模拟卫星平台在轨姿态及相对位置变化。
优选地，通过目标通信与导航子系统实现无人机的通信、导航与控制，并将飞行参数通过以太网反馈给实时数据反演子系统。
优选地，天线馈源阵列组包括多个天线馈源阵列，天线馈源阵列包括天线和馈源阵列，安装在多轴运动控制子系统上的六自由度平台上。
优选地，通过同步大气环境采集子系统，获取大气成分、环境温度、湿度、气压及风向信息，通过以太网反馈给实时数据反演子系统。
优选地，通过反演算法重构出原始的场景图像，并进行成像质量影响因素分析。
根据本发明提供的一种基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验方法，采用上述的基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验系统进行卫星载荷成像试验。
优选地，包括如下步骤：
步骤S1：通过多轴运动控制子系统，模拟卫星编队在轨各卫星之间的相对位置和姿态变化；
步骤S2：当得到模拟卫星编队在轨各卫星之间的相对位置和姿态变化之后利用目标通信与导航子系统实现通信、导航与控制；
步骤S3：利用多轴运动控制子系统对天线馈源阵列组进行扩展组成探测网络；
步骤S4；从天线馈源阵列组接收表征特征目标特性的微波辐射信号，反馈给数据反演子系统；
步骤S5：通过对大气环境采集子系统同步，获取试验校飞现场大气的相关信息；
步骤S6：通过目标识别算法和反演算法对特征目标的目标特性进行提取。
优选地，步骤S2中无人机特征目标通信与导航子系统，使用无人机搭载被探测目标，实现无人机的通信、导航与控制，并将飞行参数通过以太网反馈给实时数据反演子系统；无人机特征目标是使用无人机搭载被探测目标对象。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过开放式多轴运动控制子系统，模拟了卫星编队在轨各卫星之间的相对位置和姿态变化，实现了有效载荷数据实时获取与测量，降低系统研发难度并提高工程可实现性。
2、本发明通过多台高精度六自由度平台模拟卫星编队构型，在每一个高精度六自由度平台上安装一副星载馈源天线，形成分布式综合孔径探测网络，无人机搭载被探测目标，由地面高精度六自由度平台模拟卫星编队在轨相对位置和姿态变化，通过实时数据反演子系统完成有效载荷成像、成像质量影响因素分析及其原理验证。
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为本发明中的基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验系统的示意图。
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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验系统，包括：
多轴运动控制子系统：通过多轴运动控制子系统，模拟卫星编队在轨各卫星之间的相对位置和姿态变化。多轴运动子系统包括主控计算机和多轴控制管理器；主控计算机计算产生模拟运动轨迹，并解算多轴控制管理器所需的位置及姿态控制信息，并将实际的位置及姿态控制信息通过以太网反馈给实时数据反演子系统；多轴控制管理器能够提供多轴控制时间同步基准，接收主控计算机的位置及姿态控制信息，产生单轴控制指令，并反馈位置及姿态误差信息。还包括驱动控制器和六自由度平台；驱动控制器通过与所述轴控制管理器组成控制网络，产生控制信号，反馈控制误差；六自由度平台接收驱动控制器的控制信号，模拟卫星平台在轨姿态及相对位置变化。
目标通信与导航子系统：当得到模拟卫星编队在轨各卫星之间的相对位置和姿态变化之后利用目标通信与导航子系统实现通信、导航与控制。通过目标通信与导航子系统实现无人机的通信、导航与控制，并将飞行参数通过以太网反馈给实时数据反演子系统。
天线馈源阵列组：利用多轴运动控制子系统对天线馈源阵列组进行扩展组成探测网络。天线馈源阵列组包括多个天线馈源阵列，天线馈源阵列包括天线和馈源阵列，安装在多轴运动控制子系统上的六自由度平台上。
数据接收子系统；从天线馈源阵列组接收表征特征目标特性的微波辐射信号，反馈给数据反演子系统。
大气环境采集子系统：通过对大气环境采集子系统同步，获取试验校飞现场大气的相关信息。通过同步大气环境采集子系统，获取大气成分、环境温度、湿度、气压及风向信息，通过以太网反馈给实时数据反演子系统。
实时数据反演子系统：通过目标识别算法和反演算法对特征目标的目标特性进行提取。通过反演算法重构出原始的场景图像，并进行成像质量影响因素分析。
本发明还提供了一种基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验方法，使用上述基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验方法进行卫星载荷成像试验，包括如下步骤：
步骤S1：通过多轴运动控制子系统，模拟卫星编队在轨各卫星之间的相对位置和姿态变化。
步骤S1中主控计算机，计算产生模拟运动轨迹，卫星编队飞行控制采用当地水平垂直坐标系OLXLYLZL描述星间的相对运动，建立以控制目标主星质心为坐标系原点OL，XL轴方向沿地心与目标主星质心背离地心，ZL轴垂直于轨道面与轨道面法线方向一致，YL轴根据右手定则确定，结合卫星姿态动力学及用四元数表示的运动学方程。在OLXLYLZL坐标系下某颗编队卫星编号定义为Si，i＝1，…，N，其相对运动动力学方程用C-W方程表示：
Figure BDA0002994662410000051
Figure BDA0002994662410000052
Figure BDA0002994662410000053
其中
Figure BDA0002994662410000054
μ为地球引力常数，x,y,z分别表示卫星位置坐标。
得到解析解：
Figure BDA0002994662410000055
Figure BDA00029946624100000510
Figure BDA00029946624100000511
Figure BDA0002994662410000056
Figure BDA0002994662410000057
Figure BDA0002994662410000058
其中，x0,y0,z0分别表示卫星初始位置坐标，t表示时间变化量，
Figure BDA0002994662410000059
为x(t),y(t),z(t)一阶导数。
主控计算机解算多轴控制管理器所需的位置及姿态控制信息，并将实际的位置及姿态控制信息通过以太网与反馈给实时数据反演子系统，与多轴控制管理器连接。
多轴控制管理器通过CAN接口对多个六自由度平台进行多轴协同控制，多轴控制管理器提供时钟同步功能，完成网络管理，监控各驱动轴状态变量，记录保存控制参数，通过过以太网与反馈给实时数据反演子系统，与主控计算机连接。驱动控制器，通过CAN总线与多轴控制管理器组成控制网络，产生控制信号，反馈控制误差。六自由度平台，通过六自由度平台实现x、y、z三个方向位置平动和绕x、y、z三个方向的角度转动。六自由度平台接收驱动控制器控制信号，模拟卫星平台在轨姿态及相对位置变化。
步骤S2：当得到模拟卫星编队在轨各卫星之间的相对位置和姿态变化之后利用目标通信与导航子系统实现通信、导航与控制。
步骤S2采用无人机控制台，用于无人机特征目标的飞行高度、速度、航向、飞行姿态等参数设置，提供无人机特征目标通信与导航子系统的人机交互界面，与无人机特征目标完成实时通信，并将飞行参数通过以太网反馈给实时数据反演子系统。无人机特征目标，以不同舰船，飞机等表面材料及不同涂层的介电常数，辐射特征为研究对象，制作等效缩比结构模型，通过无人机吊挂，组成被探测目标对象。
步骤S3：利用多轴运动控制子系统对天线馈源阵列组进行扩展组成探测网络；天线馈源阵列组由一系列的小口径单元天线排列而成，形成冗余阵，获得足够长的探测基线，从而获得足够高的空间分辨率。
步骤S4；从天线馈源阵列组接收表征特征目标特性的微波辐射信号，反馈给数据反演子系统；从天线馈源阵列接收到的信号中提取比接收机内部噪声低很多的表征背景目标特性的辐射信号，并将馈源接收到的来自无人机特征目标自发辐射的水平和垂直极化微弱信号进行极化分离，将功率信号放大后送输出端口，通过以太网反馈给实时数据反演子系统。
步骤S5：通过对大气环境采集子系统同步，获取试验校飞现场大气的相关信息。由移动支架防雷式大气环境监测仪及以太网通信端口组成，通过同步大气环境采集子系统，获取试验校飞现场大气成分及环境温度、湿度、气压、风向等信息，通过以太网反馈给实时数据反演子系统。
步骤S6：通过目标识别算法和反演算法对特征目标的目标特性进行提取。通过反演算法重构出原始的场景图像，分析各环境参量，所使用的频段、极化方式、入射角、分辨率等对目标亮温观测的影响。
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及其各个装置、模块、单元以外，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及其各个装置、模块、单元以逻辑门、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功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元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功能的装置、模块、单元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装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块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)

1.一种基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验系统，其特征在于，包括：
多轴运动控制子系统：通过多轴运动控制子系统，模拟卫星编队在轨各卫星之间的相对位置和姿态变化；
目标通信与导航子系统：当得到模拟卫星编队在轨各卫星之间的相对位置和姿态变化之后利用目标通信与导航子系统实现通信、导航与控制；
天线馈源阵列组：利用多轴运动控制子系统对天线馈源阵列组进行扩展组成探测网络；
数据接收子系统；从天线馈源阵列组接收表征特征目标特性的微波辐射信号，反馈给数据反演子系统；
大气环境采集子系统：通过对大气环境采集子系统同步，获取试验校飞现场大气的相关信息；
实时数据反演子系统：通过目标识别算法和反演算法对特征目标的目标特性进行提取。
2.根据权利要求1所述的基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验系统，其特征在于，所述多轴运动子系统包括主控计算机和多轴控制管理器；
所述主控计算机计算产生模拟运动轨迹，并解算多轴控制管理器所需的位置及姿态控制信息，并将实际的位置及姿态控制信息通过以太网反馈给实时数据反演子系统；
所述多轴控制管理器能够提供多轴控制时间同步基准，接收主控计算机的位置及姿态控制信息，产生单轴控制指令，并反馈位置及姿态误差信息。
3.根据权利要求2所述的基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验系统，其特征在于，所述多轴运动子系统还包括驱动控制器和六自由度平台；
所述驱动控制器通过与所述轴控制管理器组成控制网络，产生控制信号，反馈控制误差；
所述六自由度平台接收驱动控制器的控制信号，模拟卫星平台在轨姿态及相对位置变化。
4.根据权利要求1所述的基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验系统，其特征在于，通过所述目标通信与导航子系统实现无人机的通信、导航与控制，并将飞行参数通过以太网反馈给实时数据反演子系统。
5.根据权利要求1所述的基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验系统，其特征在于，所述天线馈源阵列组包括多个天线馈源阵列，所述天线馈源阵列包括天线和馈源阵列，安装在多轴运动控制子系统上的六自由度平台上。
6.根据权利要求1所述的基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验系统，其特征在于，通过同步大气环境采集子系统，获取大气成分、环境温度、湿度、气压及风向信息，通过以太网反馈给实时数据反演子系统。
7.根据权利要求1所述的基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验系统，其特征在于，通过反演算法重构出原始的场景图像，并进行成像质量影响因素分析。
8.一种基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验方法，其特征在于，采用权利要求1-7中任一项所述的基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验系统进行卫星载荷成像试验。
9.根据权利要求8所述的基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：通过多轴运动控制子系统，模拟卫星编队在轨各卫星之间的相对位置和姿态变化；
步骤S2：当得到模拟卫星编队在轨各卫星之间的相对位置和姿态变化之后利用目标通信与导航子系统实现通信、导航与控制；
步骤S3：利用多轴运动控制子系统对天线馈源阵列组进行扩展组成探测网络；
步骤S4；从天线馈源阵列组接收表征特征目标特性的微波辐射信号，反馈给数据反演子系统；
步骤S5：通过对大气环境采集子系统同步，获取试验校飞现场大气的相关信息；
步骤S6：通过目标识别算法和反演算法对特征目标的目标特性进行提取。
10.根据权利要求9所述的基于分布式控制架构的卫星载荷成像试验方法，其特征在于，所述步骤S2中无人机特征目标通信与导航子系统，使用无人机搭载被探测目标，实现无人机的通信、导航与控制，并将飞行参数通过以太网反馈给实时数据反演子系统；
无人机特征目标是使用无人机搭载被探测目标对象。
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