CN115808164B - 旋转平台下偏流机构角速度测量及偏流角实时调整方法 - Google Patents

Abstract

旋转平台下偏流机构角速度测量及偏流角实时调整方法，涉及遥感载荷偏流角实时控制领域，为解决传统空间遥感载荷偏流角调整方法无法有效处理旋转平台下高动态偏流角实时调整问题以及偏流角控制精度低等问题，本发明采用陀螺仪测量方法可获取高精度的角速度测量值，同时考虑到陀螺仪测量值中集总干扰信号模型的非线性、强耦合、高不确定性特性，通过参数辨识方法可有效提高集总干扰信号模型的逼近精度。本发明方法中采用PD型反馈控制器对偏流机构进行实时控制，与传统的反馈控制器相比，可提高偏流角的控制精度，同时改善了系统响应动态特性，有效增强了偏流角实时补偿性能。

Description

旋转平台下偏流机构角速度测量及偏流角实时调整方法

技术领域

本发明涉及遥感载荷偏流角实时控制领域，具体涉及一种旋转平台下偏流机构角速度测量及偏流角实时调整方法。

背景技术

空间遥感载荷在对地进行拍摄时，由于地球自转、卫星本身姿轨移动等原因，造成地面待成像目标投影到遥感载荷成像探测器上将表现为一个实时运动目标，即物点在像面上是移动的，称之为像移。像移的存在将导致成像模糊，是影响空间遥感载荷成像质量的重要因素之一。

目前，可以通过偏流机构自动调整偏流角，补偿像移对成像造成的影响，显著提高空间遥感载荷的成像质量。传统偏流机构控制策略基于获取偏流角信息，通过驱动器驱动偏流机构，实现偏流角的实时动态调整。如一种宽幅空间相机的分组偏流角实时调整方法(CN109672880B)，测量获取的偏流角信息作为偏流机构控制系统的控制输入。但当像移速度较快时，该方法可能会存在系统响应速度较慢、偏流角跟踪误差超调大、跟踪延迟等问题。一种有效的控制方法是获取偏流机构转动的角速度，即偏流角角速度，进而设计PD型反馈控制策略，提高系统的响应速度、减小超调、改善系统的动态特性，从而增强偏流角的控制性能。其中，相较于偏流角，偏流角角速度不易测量，可以通过偏流角微分得到，但其信号存在较大噪声干扰，精确度低。因而，采用陀螺仪测角速度方案，是一种获取高精度偏流角角速度信息的有效解决途径。

发明内容

本发明为解决传统空间遥感载荷偏流角调整方法无法有效处理旋转平台下高动态偏流角实时调整问题以及偏流角控制精度低等问题。提供一种旋转平台下偏流机构角速度测量及偏流角实时调整方法，可获取偏流角及偏流角变化趋势，能够提高偏流角的实时调整精度。

旋转平台下偏流机构角速度测量及偏流角实时调整方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、根据地面标定的卫星各结构单元的安装信息，确定测量系统受到的各种外部干扰、结构安装误差等测量干扰因素。包括卫星平台姿态角速度、卫星绕地心运动角速度、旋转平台相对于卫星平台的相对旋转角速度、以及各个结构的安装偏差。

步骤二、基于步骤一中确定的空间坐标系及各测量干扰因素，确定陀螺仪测量数据中各干扰因素的空间传递路径，并建立集总干扰因素模型。通过将各个干扰因素经转移坐标矩阵投影至陀螺仪测量值中，即可得到集总干扰角速度的数学模型。

步骤三、基于步骤二中获取的集总干扰角速度的数学模型(1)，采样多组陀螺仪测量数据，辨识集总干扰角速度通用公式待定参数。

步骤四、基于步骤三中确定的集总干扰角速度，从陀螺仪测量数据中实时分离出高准确度的偏流角角速度，结合由编码器提供的偏流角数据，设计PD型偏流角实时控制器。

本发明的有益效果：

一、相较于采用编码器微分方法获取的偏流角角速度信息，其存在信号波动大、准确度低等问题，本发明采用陀螺仪测量方法可获取高精度的角速度测量值，同时考虑到陀螺仪测量值中集总干扰信号模型的非线性、强耦合、高不确定性特性，通过参数辨识方法可有效提高集总干扰信号模型的逼近精度。

二、本发明方法中采用PD型反馈控制器对偏流机构进行实时控制，与传统的反馈控制器相比，可提高偏流角的控制精度，同时改善了系统响应动态特性，有效增强了偏流角实时补偿性能。

附图说明

图1为本发明所述的旋转平台下偏流机构角速度测量及偏流角实时调整方法中空间遥感载荷偏流机构安装结构图；

图2为本发明所述的旋转平台下偏流机构角速度测量及偏流角实时调整方法中空间坐标系定义图；

图3为本发明所述的旋转平台下偏流机构角速度测量及偏流角实时调整方法的原理框图。

图中：1、卫星平台，2、旋转转轴，3、旋转平台，4、载荷安装板，5、空间遥感载荷，6、偏流机构，7、陀螺仪。

P₆为偏流机构坐标系到陀螺仪测量坐标系的转换矩阵，P₅为遥感载荷坐标系到偏流机构坐标系的转换矩阵，P₄为旋转平台坐标系到遥感载荷坐标系的转换矩阵，P₃为卫星本体坐标系到旋转平台坐标系的转换矩阵，P₂为轨道坐标系到卫星本体坐标系的转换矩阵，P₁为惯性坐标系到轨道坐标系的转换矩阵。

具体实施方式

结合图1至图3说明本实施方式，旋转平台下偏流机构角速度测量及偏流角实时调整方法，该方法通过编码器获取偏流角信息；设计基于陀螺仪的偏流机构角速度测量方法，实现测量数据中集总干扰角速度的分离，获取高准确度偏流角角速度信息；设计基于PD(比例微分)控制器的偏流角控制算法实现偏流角的高精度实时调整。具体过程如下：

S1、根据地面标定的卫星各结构单元的安装信息，确定测量系统受到的各种外部干扰因素及各结构单元安装误差等测量干扰因素。如图1所示，空间遥感载荷5通过载荷安装板4安装于旋转平台3，所述旋转平台3通过旋转轴2与卫星平台1连接；陀螺仪7安装于偏流机构6上，与偏流机构6同步转动。编码器用于测量偏流机构6转动的角度(偏流角)，陀螺仪7用于测量偏流机构6转动的角速度(偏流角角速度)。此时，陀螺仪7的测量值中包含偏流机构角速度与集总干扰角速度，需要将集总干扰角速度分离。

如图2所示，首先定义空间坐标系，描述各个结构之间的安装关系；基于所定义的空间坐标系，干扰角速度主要包括如下几个因素：1)卫星平台姿态角速度w_stable(t)，其是本体坐标系相对轨道坐标系的姿态变化，其值主要指卫星姿态的控制精度；2)卫星绕地心运动角速度w_dynamic(t)，其为卫星本体坐标系相对惯性坐标系的状态量；3)旋转平台相对于卫星平台的相对旋转角速度w_rotate(t)，空间遥感载荷5固定在旋转平台3上，旋转时，旋转平台坐标系相对卫星本体坐标系有旋转角速度；4)结构安装偏差，包括陀螺安装偏差、偏流机构安装偏差、相机安装偏差、旋转关节安装偏差。

S2、根据步骤S1确定的空间坐标系及各测量干扰因素，确定陀螺仪测量数据中各干扰因素的空间传递路径，并建立集总干扰因素模型。

S21、建立卫星本体坐标系到旋转平台坐标系。考虑到相对旋转角速度w_rotate(t)＝(ω_x,0,0)，则卫星本体坐标系到旋转平台坐标系的坐标转移矩阵P₃为

其中，ω为x轴的旋转角速度，t为旋转时间，为初始旋转相位，可以测量确定。

S22、建立旋转平台坐标系到空间遥感载荷坐标系。空间遥感载荷5固定安装于旋转平台3上，其安装信息由地面标定。考虑到安装误差，根据安装信息，则建立旋转平台坐标系到空间遥感载荷坐标系的坐标转移矩阵为P₄。

S23、建立空间遥感载荷坐标系到偏流机构坐标系。偏流机构6安装于空间遥感载荷5上，其安装信息由地面标定，且偏流机构6可由执行器驱动进行转动，即偏流角。考虑到偏流角和安装误差，根据安装信息，建立空间遥感载荷坐标系到偏流机构坐标系的坐标转移矩阵为P₅。

S24、建立偏流机构坐标系到陀螺仪坐标系。陀螺仪7固定安装于偏流机构6上，其安装信息由地面标定。考虑到安装误差，根据安装信息，则偏流机构坐标系到陀螺仪坐标系的坐标转移矩阵为P₆。

S25、建立轨道坐标系到卫星本体坐标系。正常工作时，卫星本体坐标系与轨道坐标系重合且固定不变。

各个干扰因素通过转移坐标矩阵投影到陀螺仪测量值中，则得到集总干扰角速度的数学模型：

ω_d(t)＝P₆P₅P₄(ω_ro_tate(t)+P₃(ω_stable(t)+ω_dynamic(t)))(1)

其中，ω_d(t)为集总干扰角速度，P₆P₅P₄ω_rotate为常量干扰信号分量，P₆P₅P₄P₃(ω_stable+ω_dynamic)为时变干扰信号分量。

S3、基于步骤S2中获取的集总干扰角速度的数学模型(1)，采样多组陀螺仪测量数据，辨识集总干扰角速度通用公式待定参数。对于本实施方式中的空间遥感载荷偏流机构对象，考虑到不可测安装误差、姿态控制精度、转轴控制精度等不确定因素，在偏流机构未动作下，可以由式(1)得到通用表达式：

其中，a，ω，c为待辨识的量。

通过至少采样四组数据，即可辨识出待定参数a，ω，c，从而获取高精度的集总干扰角速度数学模型。

S4、基于步骤S3中确定的集总干扰角速度，从陀螺仪测量数据中实时分离出高准确度的偏流角角速度，结合由编码器提供的偏流角数据，设计PD型偏流角实时控制器。设偏流角期望值为θ_d(t)，偏流角测量值θ_m(t)，偏流角角速度期望值为偏流角角速度测量值/>得到跟踪误差：

其中，e(t)是偏流角跟踪误差，是偏流角角速度跟踪误差。

如图3所示，控制输入信号为由本实施方式测量获取的偏流角、偏流机构角速度与系统期望值的误差，PD控制器输出信号通过执行器驱动偏流机构，实现偏流角的实时调整。设计PD型反馈控制器为：

其中，P_i为比例增益，P_d为微分增益，u(t)为控制器输出。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.旋转平台下偏流机构角速度测量及偏流角实时调整方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：

步骤一、根据地面标定的卫星各结构单元的安装信息，确定空间坐标系及各测量干扰因素；

所述各测量干扰因素包括测量系统受到的外部干扰因素以及各结构单元安装误差的测量干扰因素；

所述外部干扰因素指的是干扰角度速的因素，包括卫星平台姿态角速度、卫星绕地心运动角速度以及旋转平台相对于卫星平台的相对旋转角速度；

步骤二、根据步骤一确定的空间坐标系及各测量干扰因素，确定陀螺仪测量数据中各干扰因素的空间传递路径，并建立集总干扰因素模型；

通过将各干扰因素经转移坐标矩阵投影至陀螺仪测量值中，获得集总干扰角速度的数学模型；用下式表示为：

ω_d(t)＝P₆P₅P₄(ω_ro_tate(t)+P₃(ω_stable(t)+ω_dynamic(t)))

式中，ω_d(t)为集总干扰角速度，w_rotate(t)为旋转平台相对于卫星平台的相对旋转角速度，w_stable(t)为卫星平台姿态角速度，w_dynamic(t)为卫星绕地心运动角速度，P₆P₅P₄ω_rotate为常量干扰信号分量，P₆P₅P₄P₃(ω_stable+ω_dynamic)为时变干扰信号分量；

P₆为偏流机构坐标系到陀螺仪测量坐标系的转换矩阵，P₅为遥感载荷坐标系到偏流机构坐标系的转换矩阵，P₄为旋转平台坐标系到遥感载荷坐标系的转换矩阵，P₃为卫星本体坐标系到旋转平台坐标系的转换矩阵；

步骤三、根据步骤二获得的集总干扰角速度的数学模型，采样多组陀螺仪测量数据，辨识所述集总干扰角速度通用公式待定参数，确定集总干扰角速度；

步骤四、根据步骤三中确定的集总干扰角速度，将陀螺仪测量数据中实时分离出高准确度的偏流角角速度，结合由编码器提供的偏流角数据，设计PD型反馈控制器，实时控制偏流角。

2.根据权利要求1所述的旋转平台下偏流机构角速度测量及偏流角实时调整方法，其特征在于：步骤一中，各个结构的安装误差包括陀螺安装偏差、偏流机构安装偏差、相机安装偏差和旋转关节安装偏差。

3.根据权利要求1所述的旋转平台下偏流机构角速度测量及偏流角实时调整方法，其特征在于：步骤三中，所述集总干扰角速度通用公式为：

式中，a，ω，c为待辨识的量；通过至少采样四组陀螺仪测量数据，辨识出待定参数a，ω，/>c，获得集总干扰角速度。

4.根据权利要求1所述的旋转平台下偏流机构角速度测量及偏流角实时调整方法，其特征在于：步骤四中，设定偏流角期望值θ_d(t)，偏流角测量值θ_m(t)，偏流角角速度期望值偏流角角速度测量值/>获得偏流角跟踪误差以及偏流角角速度跟踪误差，设计PD型反馈控制器为：

式中，P_i为比例增益，e(t)为偏流角跟踪误差，P_d为微分增益，为偏流角角速度跟踪误差，u(t)为控制器输出。