敏捷SAR卫星聚束模式姿态机动策略研究

提出了敏捷SAR卫星聚束模式姿态机动参数计算方法,充分考虑了相位中心位置和离轴角的影响,通过矢量计算方法得到敏捷SAR卫星聚束模式成像所需的初始姿态角,通过迭代计算消除相位中心位置影响,得到准确姿态角。文章通过Matlab和STK软件联合仿真,验证了上述计算方法的有效性。     

敏捷遥感卫星新型姿态控制精度评估方法

针对新型敏捷遥感卫星地面测试缺乏验证手段问题,文章提出一种针对敏捷机动成像过程的新型姿态控制精度评估方法,通过设计星地模型算法,根据卫星的定轨数据和高精度姿态数据计算,可得到星载相机成像点在地固坐标系(ECF)的坐标,并引入地表高程数据以提高计算精度,进行成像点位置精度评估,即姿态指向精度评估;通过计算地表镜下点运动速度等衍生参数,进行载荷成像质量评估。与同条件下地面任务规划数据比对,算法精度误差在10米量级,远小于卫星姿态指向误差导致的成像位置偏离,满足地面分析验证精度需求。该套算法已应用于遥感公用平台、某卫星姿态敏捷机动技术地面验证工作。     

敏捷卫星立体成像覆盖能力分析

成像幅宽确定时,敏捷卫星的覆盖能力仅取决于成像条带长度。根据敏捷卫星的立体成像过程,推导出基于圆形地球模型星下点轨迹下的立体成像条带长度通用公式,分析了敏捷卫星实现立体成像的最小机动能力需求,并推导出立体成像条带长度所对应的姿态机动能力需求通用公式。基于某卫星典型姿态机动能力进行实际应用分析,得到轨道高度、俯仰预置角、立体观测视角数量等因素对其影响规律。分析结果表明:在其他条件相同时,轨道高度增加或俯仰预置角增大,均会带来立体成像条带长度增加,双视立体成像获取的条带长度也大于三视立体成像。文章采用的分析方法和推导出的相关公式,可为敏捷卫星的总体分析设计提供参考。     

敏捷卫星偏流角计算模型研究

TDICCD相机成像时为保证图像品质,要求对偏流角进行修正。文章针对敏捷卫星任意姿态角建立了在星下点成像、俯仰姿态机动后成像、滚动姿态机动后成像,以及滚动加俯仰姿态机动后成像几种情况下偏流角计算模型,并对模型进行了仿真计算。结果表明,敏捷卫星姿态目标计算当中,有必要考虑姿态机动带来的偏流角控制目标变化,以保证姿态控制精度。文章对敏捷卫星的偏流角控制设计、计算和测试验证工作有参考价值。     

采用斜装金字塔构型CMGs的敏捷遥感卫星姿态控制

研究了敏捷遥感卫星侧摆过程中的姿态控制问题。针对敏捷遥感卫星需要进行大角度侧摆完成成像的姿态机动任务,采用控制力矩陀螺(CMG)作为姿态控制的执行机构,提出了一种面向侧摆机动的无显奇异斜装金字塔构型方案,设计了基于参考轨迹法规划的侧摆机动控制律,结合带零运动的伪逆操纵律进行侧摆机动,消除了显奇异对侧摆机动的不利影响。最后进行了仿真验证,结果表明斜装金字塔构型方案在预设参考轨迹的约束下能够完全回避内部显奇异,实现了遥感卫星敏捷姿态机动,有利于遥感数据的高效获取。     

高分多模卫星敏捷遥感技术研究及应用

敏捷机动技术是提升高分辨率遥感卫星成像能力的一项核心技术。文章分析了高分辨率遥感卫星发展趋势,提出了基于多种敏捷成像模式的新型观测需求,进而提出卫星平台敏捷机动技术的系统要求。结合中型敏捷遥感卫星公用平台(ZY2000 Remote Sensing Satellite Platform)研制,定义敏捷成像模式,分析平台机动能力,提出了卫星敏捷机动指标要求。针对敏捷机动技术的实现,系统性开展了工作,设计了小惯量的星体结构,开发了基于控制力矩陀螺(CMG)的控制系统和控制算法,采用了敏捷任务规划和管理方案,研制了高刚度太阳翼、大量程陀螺、125 Nms控制力矩陀螺等核心产品,开展了数学和半物理仿真验证。高分多模卫星(GFDM-1)作为中型敏捷遥感卫星公用平台的首发星,实现了敏捷机动技术的应用,验证了多种敏捷成像模式下成像质量满足需求。在轨结果表明:高分多模卫星的敏捷机动能力和成像质量满足设计要求,达到国际先进水平。     

敏捷SAR卫星平台载荷一体化控制方法研究

面向具备波束指向捷变能力的小型化敏捷合成孔径雷达(SAR)卫星成像需求,提出了通过平台姿态敏捷机动和载荷波束捷变扫描一体化控制实现条带成像、多条带拼接成像、滑动聚束成像等传统成像模式的方法。针对配合成像过程提出的大角度机动和高精度高稳定度连续指向跟踪控制要求,采用5个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)组成的"五面锥"构形控制力矩陀螺群作为执行机构,设计了基于姿态四元数和角速度反馈的改进型递阶饱和控制器,实现了平台的敏捷机动和对目标的稳定跟踪指向。数学仿真结果表明:该控制系统有效可行。     

荧火一号火星探测器姿控平台验证演示技术

设计了一种基于STK轨道动力学的萤火一号(YH-1)火星探测器姿控仿真平台.介绍了平台的组成和信息交互、STK场景建模及接口设计.平台结合火星环境和探测器轨道特点,利用STK轨道计算功能,实时输出探测器环火轨道参数至动力学计算机,并接收动力学软件产生的探测器姿态信息,以此为基础进行姿控分系统半物理仿真试验及整器闭环试验,在STK动态场景中对探测器各姿控模式进行验证及演示.     

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。     

高分多模卫星高分相机优化设计

针对敏捷卫星机动过程中,卫星平台的姿态实时变化及平台微振动对高分辨率相机成像质量的影响,文章提出了适用于敏捷遥感卫星高分相机的3项优化设计技术:一是通过相机与星敏感器一体化设计提高相机的光轴指向精度;二是增加柔性适配装置设计,减少卫星微振动及载荷适配结构的热变形到相机的传递;三是提出了积分时间同速/异速设置及插值/不插值设置策略。经高分多模卫星高分相机在轨多模式成像的验证,结果表明:提出的优化设计技术可以减小或消除卫星敏捷成像机动过程中卫星的微振动及姿态指向精度及积分时间设置精度对高分辨率相机像质的影响,能适应敏捷卫星成像,并获得高质量图像,可为后续敏捷卫星的高分辨率相机设计提供参考。     

敏捷卫星动中成像自主任务规划算法

针对敏捷卫星动中成像（APBI）自主任务规划所涉及的关键算法进行了研究。首先,基于载荷幅宽和卫星轨道设计了区域目标斜条带拼幅成像垂轨条带划分算法;其次,建立了描述观测点位置与成像时间关系的连续可导的斜条带成像轨迹模型,进而推导出了敏捷卫星动中成像的三轴姿态规划算法;再次,为了发挥出卫星的最大机动能力,提出了一种基于六阶多项式姿态机动模型的动中成像任务间最短姿态机动时间求解算法;然后,设计了兼顾观测效率与质量的两级任务优化调度算法,包括基于分支定界算法与两种裁剪枝规则的及早观测搜索和观测队列最佳窗口倒序平移,在最大化观测目标数量的基础上将成像质量调整到最优;最后,在星载处理器上进行了仿真实验,仿真结果证明了本文所提算法的正确性和有效性。     

应用多普勒牵引的高分辨率星载SAR滑动聚束模式设计方法

高分辨率星载合成孔径雷达(SAR)通常采用滑动聚束模式完成成像任务,当分辨率提高到一定程度后,卫星轨道弯曲问题无法忽略,因此需要与之相适应的模式设计方法。为此,文章提出一种应用多普勒牵引的滑动聚束模式设计方法,通过姿态校正的方式保证在合成孔径时间内多普勒中心呈线性分布,使回波可以利用传统的非线性调频变标(NCS)算法完成成像。利用STK和Matlab软件的联合仿真平台,通过建模及仿真成像的方式对设计方法进行验证,结果表明:该设计方法在降低工程实现复杂度和图像后处理的难度上都具有很大的优势,可为我国高分辨星载SAR成像模式设计提供参考。     

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。     

一种遥感卫星宽幅无盲区拼接成像路径自主规划方法研究

为解决低幅宽卫星载荷因幅宽小而导致成像覆盖物面窄、效率低、使用复杂的缺陷,提出了一种多条带拼接成像路径自主规划方法。先完成单次侧摆成像规划:通过卫星、目标相对位置关系判断成像时机,规划包括姿态机动开始时刻、成像开始时刻、成像结束时刻、滚动目标姿态角,以及可成像总时长的成像时域确定。再进行多条带拼接成像规划:由成像开始时刻及姿态偏置要求确定条带拼接方向,计算图像拼接点位置参数;根据满足载荷成像最大允许俯仰姿态机动角和姿态机动速度,确定相邻次成像开始时刻卫星位置与姿态机动开始时间;由成像时刻的轨道位置、前后摆俯仰姿态角、图像拼接点位置及侧摆成像偏流角计算相邻次成像滚动目标姿态;根据确定的滚动、俯仰目标姿态角和成像位置迭代计算偏流角,确定偏航目标姿态。给出了相应的单次侧摆成像路径和最大面积多条带拼接成像路径的自主规划计算流程。仿真结果表明:该方法能根据卫星姿态机动能力、轨道参数及载荷视场角自主完成成像条件分析及路径规划,实现载荷对目标区域无盲区最大幅宽成像,提高成像效率及卫星在轨任务自主规划执行能力。     

气象卫星地面测试成像终端软件设计与实现

根据气象卫星地面测试对成像终端软件的要求，对成像终端软件的设计与工程实现进行了研究。给出了成像终端软件的接口要求、设计思想、实现方法和可靠性设计等。整星测试结果表明，成像终端软件的设计原理和实现方法合理可行。     

基于远程实时数据的导弹虚拟飞行仿真

以基于远程实时数据的导弹虚拟飞行仿真为例,着重探讨了三维模型、虚拟场景的建立以及实时数据在视景仿真中应用的方法.通过仿真实现了基于实时数据的导弹虚拟飞行的三维可视化显示.可用于实时、直观地监测导弹飞行中的姿态及轨迹,提高了导弹虚拟场景的逼真度和实时性.     

多臂空间机器人的视觉伺服与协调控制

针对多臂空间机器人自主目标抓捕任务,首先建立多臂空间机器人的运动模型和其与目标的相对运动模型,采用Kane方法建立多臂空间机器人的动力学模型;其次,研究基于视觉伺服的机械臂在线轨迹规划算法,并引入零反作用机动,消除机械臂运动对平台姿态的扰动;再次,在不使用零反作用机动功能时,分别使用基于角动量前馈补偿的协调控制算法和逆动力学方法设计了协调控制器,在机械臂运动时保持平台姿态和相对目标的位置。最后,开发了基于Matlab的仿真软件MASS（多臂空间机器人仿真）,仿真结果校验了上述方法的有效性。     

敏捷遥感卫星工作模式研究

综述了国外商业遥感卫星发展情况,归纳总结了高分辨率商业卫星的主要技术指标和特点。在充分调研国外敏捷遥感卫星的基础上,从成像目标需求、分辨率与幅宽关系、立体成像三方面总结出此类卫星的技术特点,阐述了发展敏捷遥感卫星的重要意义和作用,并深入分析了实现姿态敏捷控制的技术途径。利用姿态的敏捷控制能力,研究提出了多点目标成像、立体成像、宽幅拼接成像、动态扫描成像等4种典型工作模式,完成了敏捷卫星主要工作模式的分析与设计,并基于此工作模式要求,提出了敏捷卫星工程实现的技术途径。     

北京三号A/B卫星沿斜条带成像姿态机动规划方法

针对沿着与星下点轨迹成一定夹角的条带成像姿态机动问题,提出沿斜条带成像的3轴姿态机动规划方法。建立斜条带的几何模型,提出摄影点沿斜条带以恒定地速滑动的规划方法,建立带偏航补偿的成像姿态机动模型,并推导得出3轴姿态及姿态跟踪角速度的计算公式。该方法在北京三号A/B卫星上进行了应用验证,卫星成像能力得到大幅提升,在轨成像质量良好。沿斜条带机动中成像模式成为北京三号A/B卫星常规任务运行模式,可为遥感卫星开展新的业务应用提供参考。     

线阵CCD倾斜布置敏捷卫星辐射定标的姿态计算方法

针对搭载倾斜布置的多片线阵CCD相机的敏捷卫星上所有探测器对同一区域成像的相对辐射定标,提出了基于地面成像轨迹重合的偏航角速度计算模型与方法,充分利用敏捷卫星对偏航角速度的控制潜力。建立了地面物点到相机焦平面的空间坐标变换关系;推导了斜视成像时地心角的计算公式;给出了对同一区域成像的敏捷卫星偏航角速度计算方法。以5片线阵CCD共30 000个探测器、相邻两片倾斜0.3°的敏捷卫星作为仿真对象,给出了所有探测器在约30s的定标成像过程中的地面轨迹间隔宽度,结果表明:为了实现所有探测器对同一区域成像,需要间隔一定周期调整偏航角速度,当调整周期为0.36s时,对应的地面轨迹宽度在赤道附近优于1个像元、在纬度50°附近优于6个像元。文章对敏捷卫星基于同一区域成像的相对辐射定标可提供一定的参考价值。