光学遥感卫星对月定标时姿态机动补偿方法

对月定标具有不依赖地面定标场、不受天气影响、定标效率高等优势,但需要解决对月姿态控制及成像参数匹配性设计问题。文章针对光学遥感卫星推扫成像,提出一种姿态机动补偿方法,用于解决星载相机对月成像过程中积分时间与推扫速度失配的问题,并以一颗太阳同步轨道卫星作为分析对象,研究了卫星对月成像时的补偿角速度,经过对姿态机动补偿过程进行仿真分析,结果表明:使用该方法可以使相机推扫速度与积分时间匹配,达到正常对月成像的目的。     

姿态对地指向不断变化成像时的偏流角分析

 针对敏捷卫星在三轴姿态机动过程中同时进行推扫成像的偏流角问题,基于线阵TDICCD推扫成像原理,分析了动态成像过程中的偏流原理,通过速度矢量法推导出动态成像方式下的偏流角数学解析表达式。数值仿真分析表明：当相机推扫速度方向与星下点速度方向的夹角η为0°（沿航迹方向推扫成像）或180°（沿航迹反方向推扫成像）,偏流是由地球自转产生的,数值较小;当夹角为0°＜η＜180°时,偏流是地球自转和轨道运动共同产生的,偏流角数值较大;当夹角η=90°（垂直于航迹方向推扫成像）时,偏流角随地理纬度的增大而增大。基于以上结论,采用姿态偏航控制对偏流角进行调整,可以实现在三轴姿态机动过程中开启光学有效载荷进行推扫成像的动态成像技术。     

敏捷卫星一般轨迹主动推扫成像模式设计

相比于传统对地观测卫星,敏捷卫星可沿滚动、俯仰、偏航三轴进行快速机动,理论上可以实现对地面任意走向条带目标的成像。针对该成像需求,文章设计了敏捷卫星一般轨迹主动推扫成像模式。在一般轨迹主动推扫过程中,卫星三轴姿态均连续变化,文章给出了适用于主动推扫成像过程的姿态规划算法。对于一轨内多个条带目标的成像时序规划问题,建立成像开始时刻规划模型,采用序列二次规划算法对该模型进行求解。针对典型应用场景的仿真算例表明,成像过程规划算法是合理的。从成像质量保障的角度出发,分析了主动推扫成像过程的卫星姿态控制精度、姿态稳定度等影响因素的影响链路,并提出了工程控制要求,可为卫星工作模式设计提供参考。     

敏捷卫星主动推扫成像积分时间设置研究

针对敏捷卫星的新型工作方式——主动推扫成像过程中的积分时间设置开展了研究。通过建立敏捷卫星主动推扫成像典型场景和积分时间模型,仿真了敏捷卫星主动推扫成像过程中相机TDICCD的积分时间变化情况,并给出了设置建议。文章对两种典型工况进行了仿真计算,均为卫星对垂轨条带进行扫描,条带长度分别为170km和1520km,仿真结果表明:积分时间在主动推扫成像过程中实时变化,同时在大角度机动下,边缘和中心视场的积分时间有较大差异。积分时间的实时变化需要进行积分时间的实时设置,并仿真给出了设置频率的需求;而积分时间边缘和中心视场的不一致,需要进行积分时间的分片设置。分析表明采用这些措施后,主动推扫过程中由于积分时间设置引起的图像MTF下降能得到有效控制。文章的仿真结果可以为我国敏捷卫星总体的设计和相机的设计提供参考。     

推扫CCD相机对地观测卫星的轨道设计

针对推扫电荷耦合器件（CCD）相机成像特点,根据太阳同步回归轨道卫星轨道设计方法,给出了CCD光学对地观测卫星的轨道高度设计方案,并分析了所设计轨道的地面光照条件。结果表明设计方案合理可行。     

光学卫星等比降地速的地影区主动推扫姿态规划

针对光学推扫卫星在地影区进行夜间推扫成像时,卫星相机成像区域地速过快导致传感器积分时间不足而难以获取高质量夜间影像的情况,设计了一种卫星等比降地速主动推扫的姿态规划方法。首先,根据卫星推扫成像任务的机动时间、成像起始时刻与降速比例等参数计算出卫星等比降地速成像时的等效轨道初始位置;其次,根据卫星等效轨道初始位置与卫星侧摆角,通过轨道递推计算出卫星光轴实时指向的地面目标点坐标;然后,根据卫星实际的轨道位置与姿态解算出卫星指向地面目标点的实时期望姿态;最后,基于吉林一号高分04A卫星的参数对所设计方法进行数值仿真与在轨试验,结果表明了所提出的方法具有可行性与有效性。     

基于四元数的偏流角跟踪与条带拼接成像研究

根据小卫星星载相机存在后视角或安装相机摆镜导致相机实际光轴无法与星体主轴平行的状况,为避免用欧拉角时的姿态解算与转序问题,提出了一种基于四元数的卫星偏流角跟踪与条带拼接成像姿态控制方法。用四元数描述卫星姿态,根据相对轨道系目标四元数,绕相机光轴转动偏流角,以此作为成像模式目标四元数,实现绕空间轴的偏流角跟踪控制。给出了姿态规划算法:固定偏置姿态确定偏流角跟踪后的目标姿态和目标角速度,用迭代法提高偏流角控制精度,并在姿态机动过程开始即进行偏流角跟踪,保证姿态机动到位和高精度偏流角跟踪的同时实现。基于内干扰力矩前馈方法设计了姿态机动控制律。以同轨双条带拼接成像为例,给出了成像控制方法:在对日或对地定向基础上,计算偏置目标姿态和目标角速度,并调用姿态机动控制算法;姿态机动到位后,若需当轨完成多目标姿态机动,则用姿态机动控制算法保持姿态偏置飞行和偏流角跟踪控制。数学仿真结果验证了该算法的有效性和高精度。     

含固定转速驱动电机的挠性卫星自旋稳定性分析

分析一类含驱动电机挠性卫星的自旋稳定性,应用不变集定理证明了系统轨迹收敛于系统平衡点集,并通过构造正定的单调递减的类能量函数来判断各平衡点的稳定性质。获得的结论包括：由于挠性振动阻尼特性,在无外扰力矩作用时,含固定转速驱动电机的挠性卫星存在稳定的自旋;不含驱动电机的挠性卫星,稳定的自旋轴为其最大主惯量轴;驱动电机可改变挠性卫星的自旋轴,给出了稳定的自旋轴与电机转速方向夹角公式,该夹角为锐角;当电机转动角动量幅值远小于系统角动量时,稳定自旋轴接近最大主惯量轴;电机转动角动量幅值越接近系统角动量,稳定自旋轴越接近电机转动方向。文中也给出了稳定自旋轴平行电机转轴的条件。     

飞轮微振动的组合隔振装置设计及实验研究

针对光学遥感卫星飞轮微振动引起的成像质量下降问题，设计了一种组合隔振装置，并采用仿真分析与实验测试相结合的方法对隔振方案设计的合理性进行验证。首先，将测量的飞轮扰振数据引入光学卫星的有限元模型中，计算出飞轮扰振对光学相机的像素偏移影响；其次，设计了组合隔振方案并基于有限元方法对其隔振效果进行验证；最后，搭建了光学成像微振动实验测试平台，对不同转速下飞轮微振动造成的像素偏移影响进行精确测量。实验结果表明，组合隔振装置对300 Hz以上高频段飞轮扰振有较大衰减作用，最大像素偏移降到0.01个像素以下，隔振效率达到80%以上；通过对比可知，实验测试与仿真计算得到的像素偏移结果在低频段一次谐波响应及模态响应表现出较好一致性，但在高频段二者存在一定偏差。     

卫星机动过程成像的姿态规划与控制研究

对有星载相机的卫星机动过程成像的姿态规划与控制进行了研究。为避免目标姿态的任意性产生的控制转序问题,用四元数描述偏流角跟踪控制。从用户角度出发,提出了两种适于机动过程成像的姿态规划模式:一是指定星体相对轨道系摆扫角速度,通过设定摆扫方向与卫星飞行方向成任意角度,可实现任意方向摆扫成像,另一是指定成像点经纬度条带,可实现海岸线等地面目标成像。在摆扫规划姿态的基础上,将绕相机光轴转过经迭代计算的偏流角作为最终的姿态控制基准,给出了高动态姿态机动控制算法。引入陀螺角速度信息以提高滚动姿态机动过程中的动态特性;将星体当前姿态与目标姿态偏差四元数作为姿态控制基准以实现任意姿态最短路径机动;以飞轮作为姿态控制执行机构,设计PD控制律,在机动过程中对内干扰力矩进行前馈控制。仿真结果验证了所提算法的有效性和工程可操作性,可用于对地成像小卫星机动过程成像的姿态规划与控制。     

空间相机离轴角引起的积分时间误差分析

光学遥感卫星中空间相机常用的离轴三反光学系统,离轴三反系统能扩大光学系统视场、提高系统调制传递函数（MTF）,但是离轴角会带来积分时间不同步的问题,文章对离轴角引起的积分时间不同步而产生的成像品质影响进行了分析。首先对离轴三反光学系统的离轴角建立数学模型后,应用STK软件仿真空间TDICCD相机在不同级数下离轴角带来的摄影点积分时间和星下点积分时间的差异,然后用Matlab编写程序处理得到的不同积分时间的采样点得出结论,离轴角越大,光学系统的传递函数越小,光学相机成像品质越差。在工程应用中,对一个确定离轴角的离轴三反光学系统,通过仿真,对积分时间调整给出了相应设计建议。     

基于机械飞轮干扰补偿的小卫星自适应滑模变结构姿态控制

针对机械飞轮内干扰可能导致小卫星姿态控制系统性能下降问题,提出了一种加入机械飞轮干扰补偿的自适应滑模变结构姿态控制方法.本文针对基于机械飞轮的三轴稳定卫星姿态控制系统,首先建立系统详细的数学模型,包括基于机械飞轮的三轴稳定卫星姿态动力学方程和机械飞轮控制系统模型,然后针对此系统设计了一种基于机械飞轮干扰补偿的自适应滑模变结构控制器,其中通过设计一种状态观测器得到机械飞轮摩擦干扰的估计值,用于对机械飞轮摩擦干扰的补偿,并通过Lyapunov定理证明了此控制律能保证系统的渐近稳定性.最后仿真结果显示,此方法缩短了飞轮转速过零时间,降低了最大的姿态扰动量且提高了卫星姿态控制的精度和稳定度.     

基于星载合成孔径雷达的环扫成像模式设计

针对星载合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)在广域范围内进行目标搜索的应用需求,设计了环扫SAR成像的模式,主要目的是解决海上广域范围内的目标搜索问题。文中首先分析了环扫SAR成像的基本原理,建立了环扫SAR成像的几何模型,分析了波束的最优覆盖设计。重点对环扫SAR成像的二维空间分辨率与成像幅宽等关键指标参数进行了分析,并通过计算机实例开展了仿真,证明了成像模式设计的正确性。最后给出了某卫星的环扫SAR成像的在轨验证结果,通过不同的数据处理方法得到的处理结果证明了该成像模式对于海上广域范围内的目标检测具有较好的应用。     

敏捷卫星宽幅动态成像姿态调整技术研究

针对敏捷卫星在三轴姿态机动过程中"动中拍"的成像任务,分析了推扫条带与星下点轨迹成90°夹角的宽幅动态成像模式,提出了这种成像模式下的姿态调整技术。数值仿真分析了该成像模式对姿态控制精度的要求,并通过卫星工具包(STK)仿真验证了数学模型的正确性。数值仿真结果表明:在10Hz的控制周期下,姿态角的控制精度需求是0.01°,角加速度的控制精度为0.003 0～0.000 1(°)/s2。针对上述指标要求,提出采用小角度内分段匀角速度进行控制的宽幅动态成像姿态调整方法。     

敏捷型遥感卫星相机热防护门应用研究

针对敏捷型遥感卫星相机变化的外热流,以及热防护门(简称热门)对相机热设计产生的影响,建立带热门的相机热模型,采用Thermal Desktop软件对带热门相机在轨飞行期间的温度变化进行仿真。仿真结果表明,使用热门将大幅降低相机的主动加热功率。对热门开启后相机的最长成像时间进行分析,热门开启后6min,相机次镜支撑组件无法满足相机热设计要求,可在次镜安装板背部包覆多层隔热材料解决这一问题。文章的研究结果,对遥感卫星热门与热控系统的耦合设计具有一定的参考价值。     

卫星TDICCD相机非沿轨成像仿真方法

传统的TDICCD相机沿轨成像模式只需要调整偏流角和卫星飞行速度决定的积分时间,而TDICCD相机非沿轨成像则需要更加复杂的姿态和积分时间控制。对TDICCD相机非沿轨成像进行仿真,有助于了解其工作原理,并有针对性地研发数据处理方案。文章实现了卫星TDICCD相机对非沿星下点轨迹方向条带目标成像的两种仿真方法。一是"南北方向"成像仿真方法,另一种是"摆扫"成像仿真方法。推导了这两种成像在星下点成像和偏离星下点成像两种条件下TDI积分时间和姿态运动的计算方法。通过多级积分条件下的靶标成像效果和成像范围验证了所述方法的正确性和通用性。     

一种适用于大场景圆迹环扫SAR的改进CS成像算法

在宽测绘带圆迹环扫合成孔径雷达(CSSAR)中,目标斜距表示形式复杂,测绘带内距离徙动(RCM)变化剧烈均给成像处理引入难点。针对上述问题,根据圆迹环扫SAR平台的运动特性,使用高阶逼近的方法建立圆弧曲线模型下的回波信号斜距方程,并以导出的二维频谱高阶近似解析表达式为基础,考虑大场景下的距离徙动空变问题,对空变的斜距历程进行详细的分析,并提出了一种适用于大场景圆迹环扫SAR的改进线性调频变标(CS)成像算法。仿真结果说明,曲线模型的斜距方程精度较高,该算法能够精确校正空变的距离徙动,对较大场景取得了较好的成像效果。     

敏捷卫星姿态对像移速度与偏流角的影响

针对敏捷卫星需要具备在复杂姿态下推扫成像的能力,建立了卫星在不同姿态下的像移速度和偏流角的数学模型,并进行了仿真分析,讨论了姿态改变对卫星成像带来的影响。仿真分析表明:姿态改变是影响像移速度和偏流角的最大因素,敏捷卫星从一个姿态变化到另一个姿态成像时,需要根据预期的姿态调整相机的积分时间以满足成像质量要求,同时偏流角也需要做相应调整以补偿姿态改变带来的偏流角变化。     

一种用于遥感卫星中稳像相机设计和实现

遥感相机凝视的积分时间较长,为了在较长的积分时间内能够稳定成像,需要设计稳像控制系统,消除成像积分时间内由于卫星的残余抖动引起的图像模糊.稳像相机是稳像控制系统中的核心设备,任何光学稳像系统都需要根据稳像相机的图像数据完成运算.在遥感卫星中稳像相机和遥感相机使用同一光路,因此稳像相机可使用的有效面积较小.为了获得较高的稳像控制带宽,要求稳像相机必须具备千赫兹量级的成像帧频,这就要求相机具备高灵敏度、低噪声的特点,并可以在极短曝光条件下获取图像信息;同时相机需要具备大面阵成像能力,以期拍摄获得足够大的地物场景,为寻找细节丰富的区域开展帧间关联提供可能.将稳像相机电子学设计成焦平面电路、信号处理电路和接口板三种电路,并使用柔版代替板间连接器将三种电路连接,极大的减小了稳像相机的体积和质量.实际测试得稳像相机最大外包落为114 mm×58 mm×69 mm、质量697 g、功耗小于6 W;该稳像相机具有1280×1024@50 fps全画幅搜索模式和32×32@2000 fps闭环控制模式.试验结果表明,稳像相机在全画幅模式下成像清晰;遥感相机在闭环控制模式下的成像分辨率得到大幅度提升,达到设计指标.     

空间飞行器大角度机动递阶饱和控制律设计

针对以飞轮为执行机构的空间飞行器进行姿态大角度机动递阶饱和控制。在初始状念任意，反作用轮输出力矩受限、速率饱和约束条件下，提出递阶饱和的变结构机动策略，即针对飞行器的运动学模型，利用飞行器的误差四元数和角速度，通过绕瞬时欧拉轴旋转，引入误差凹元数限幅器，对姿态偏差进行逐次消除，提出了不需事先规划轨迹的绕欧拉轴逐次逼近控制算法。并且引入模糊推理规则来改进递阶饱和变结构控制设计，使得系统轨迹既能快速趋近滑动面又能降低抖振，有效减弱了一般变结构控制律中抖振问题，从而提高了变结构控制律的品质。