CN105511482A - 自主成像任务规划的模式调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自主成像任务规划的模式调控方法，本发明通过合理的、精简的、准确的信息定义和交互设计，规定了卫星成像工作的三种工作模式，包括精修模式、粗修模式、机动模式，针对三种模式规定了五个工作模式调控因子，包括滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角、基准摆镜摆角、摆镜摆角控制量，给出了对应三种工作模式的五种因子产生机制，为最有效、高可靠的完成自主成像任务规划任务，奠定了技术基础。

Description

自主成像任务规划的模式调控方法

技术领域

本发明涉及航天空间遥感成像任务技术领域，尤其涉及一种自主成像任务规划的模式调控方法，其用于对多个地面点目标连续成像时的卫星工作模式切换，以适应不同的成像任务要求。

背景技术

推扫成像相机采用线阵延时积分作为接收器，通过多次曝光解决传统面阵相机通光量不足的问题。由于相机视场角的限制，要对地面特定目标成像，根据星地相对关系，往往需要通过姿态或相机摆镜，实现对相机指向的调整。使得调整后的视场，随着卫星飞行，将在某时刻恰好能够拍摄到特定地面目标。

传统的对地遥感卫星要完成对特定区域成像，通常是通过星地联合控制完成的，在地面预先获取目标位置信息，并由地面解算成像任务参数后，如卫星姿态、成像载荷指向调整、成像时刻等，生成程控作业，在卫星过境时上注星上。由于星地链路无法做到全时互通，因此传统做法无法应对新发现的目标。因此一种星上实时自主获知地面目标坐标，并能够在轨自主解算成像任务参数的卫星需求应运而生，当成像参数求解后，还需根据卫星的任务需求，适时调整星上相机、姿轨控的工作状态，本发明就是为了解决其中面临的问题。

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自主成像任务规划的模式调控方法。

根据本发明提供的一种自主成像任务规划的模式调控方法，包括如下步骤：

步骤A，定义自主成像工作模式；

步骤B，针对自主成像工作模式确定模式调控因子；

步骤C：针对自主成像工作模式确定模式调控因子的产生方式。

优选地，定义三种自主成像工作模式：精修模式、粗修模式、机动模式；

所述精修模式，定义为实时进行偏流角修正，由相机的滚动轴摆镜机构完成成像视场调整；

所述粗修模式，定义为仅修正星下点偏流角，由相机的滚动轴摆镜机构完成成像视场调整；

所述机动模式，定义为实时进行偏流角修正，相机摆镜锁定，仅由姿控完成视场调整。

优选地，针对所述三种自主成像工作模式，确定五个模式调控因子：滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角、基准摆镜摆角、摆镜摆角控制量。

优选地，所述滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角、基准摆镜摆角，用于偏流角计算与偏流角修正控制，在机动模式时，所述滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角还用于相机视场调整控制；

所述摆镜摆角控制量，用于实际驱动摆镜摆动的视场调整。

优选地，所述滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角、基准摆镜摆角初始时为固定值，在对每一个地面目标进行成像任务时，进行更新。

优选地，模式调控因子的产生方式包括：

在精修模式下：

-滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角：分别等于解算地面目标成像任务参数时依据的三轴实时滚动姿态角、俯仰姿态角、偏航姿态角，在下一个地面目标到来前，保持不变；

在粗修模式下：

-滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角：任务期间始终维持上一节拍固定值，不随地面目标变化而变化；

-基准摆镜摆角：任务期间始终维持上一节拍固定值，不随地面目标变化而变化；

-摆镜摆角控制量：等于解算地面目标成像任务参数时解算出的摆角需调整角度；

在机动模式下：

-滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角：需分别在当前节拍实时滚动姿态角、俯仰姿态角、偏航姿态角的基础上叠加摆镜需调整的角度；

-基准摆镜摆角：等于摆镜锁定位置角度；

-摆镜摆角控制量：等于摆镜锁定位置角度。

优选地，滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角、基准摆镜摆角以及偏流角同时更新，以避免因为偏流角延时导致的姿态抖动。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明用于对多个地面点目标连续成像时的卫星工作模式切换，以适应不同的成像任务要求。自主成像任务规划涉及到很多信息交互，如姿态角、摆镜摆角、偏流角等，本发明通过合理的、精简的、准确的信息定义和交互设计，规定了卫星成像工作的三种工作模式，包括精修模式、粗修模式、机动模式，针对三种模式规定了五个工作模式调控因子，包括滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角、基准摆镜摆角、摆镜摆角控制量，给出了对应三种工作模式的五种因子产生机制，为最有效、高可靠的完成自主成像任务规划任务，奠定了技术基础。

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为自主成像任务规划信息交互图。

图2为多目标连续成像示意图。

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。

本发明涉及航天空间遥感成像任务技术领域，尤其涉及一种自主成像任务规划的模式调控方法。本发明用于对多个地面点目标连续成像时的卫星工作模式切换，以适应不同的成像任务要求。当卫星在遇到第一个、第二个、…、第n个目标时，视场的扩展通常仅依靠绕卫星滚动轴的姿态偏置或依靠滚动轴的摆镜摆动完成。确保能正确的执行指向调整与成像任务。

以上任务参数的求解和控制实施，主要涉及到两个方面，一是平台姿轨控，提供稳定的姿态用于参数求解，跟踪控制偏流角，二是相机，直接驱动摆镜调整视场并成像。其中涉及到很多信息交互，如姿态角、摆镜摆角、偏流角等，如何能够通过合理的、精简的、准确的信息定义和交互，最有效并高可靠的完成自主成像任务规划任务，成为需要解决的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种自主成像任务规划的模式调控方法，该方法包括如下步骤：

步骤A，自主成像工作模式定义

该步骤中，一种自主成像任务规划的模式调控方法，主要针对三种模式：精修模式、粗修模式、机动模式。

在步骤A中，精修模式，定义为实时进行偏流角修正，由相机的滚动轴摆镜机构完成成像视场调整；

在步骤A中，粗修模式，定义为仅修正星下点偏流角，由相机的滚动轴摆镜机构完成成像视场调整；

在步骤A中，机动模式，定义为实时进行偏流角修正，相机摆镜锁定，仅由姿控完成视场调整。

步骤B，确定模式调控因子

该步骤中，定义了五个调控因子：滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角、基准摆镜摆角、摆镜摆角控制量。

自主成像任务规划信息交互如图1所示。

在步骤A中，基准姿态角(滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角)、基准摆镜摆角，用于偏流角计算与偏流角修正控制，在机动模式时，基准姿态角还兼顾相机视场调整作用。

在步骤A中，摆镜摆角控制量用于实际驱动摆镜摆动的视场调整。

步骤C，模式调控因子的产生方式

该步骤中，成像任务参数求解程序根据卫星当前轨道位置、地面目标坐标、三轴实时姿态角等，求得成像任务参数，主要包括摆角需调整角度、成像时刻等，根据以上结果，根据不同模式需要，进行调控因子处理，生成各模式对应的基准姿态角、基准摆镜摆角、摆角控制量。

在步骤C中，基准姿态角、基准摆镜摆角初始时为固定值。在对每一个地面目标进行成像任务时，进行更新。

在步骤C中，精修模式处理如下：

基准姿态角：等于解算对应的地面目标成像任务参数时依据的三轴实时姿态角，在下一个地面目标到来前，保持不变；

基准摆镜摆角：等于解算出的摆角需调整角度；

摆角控制量：等于解算出的摆角需调整角度。

在步骤C中，粗修模式处理如下：

基准姿态角：任务期间始终维持上一节拍固定值，不随地面目标变化而变化；

基准摆镜摆角：任务期间始终维持上一节拍固定值，不随地面目标变化而变化；

摆角控制量：等于解算出的摆角需调整角度。

在步骤C中，机动模式处理如下

基准姿态角：需在当前节拍实时姿态角的基础上叠加摆镜需调整的角度，计算方法如下：

当姿态转序为3-1-2时，3-1-2代表坐标变换的旋转顺序，1代表绕x轴正转，2代表绕y轴正转，3代表绕z轴正转。取以实时三轴姿态角(φ_{SH_X}，θ_{SH_Y}，ψ_{SH_Z})计算转换矩阵A_bo：

其中，φ_{SH_X}表示卫星本体系相对于轨道系的滚动实时姿态角，θ_{SH_Y}表示卫星本体系相对于轨道系的俯仰实时姿态角，ψ_{SH_Z}表示卫星本体系相对于轨道系的偏航实时姿态角；设φ_B为摆角需调整角度，φ_KZB为摆镜锁定位置角度，计算转移矩阵A_b’o：

其中，中间量aa、ab、ac、ba、bb、bc、ca、cb、cc分别表示A_bo矩阵中不同行列位置处的项；

计算三轴基准姿态角(φ_{JZ_X}，θ_{JZ_Y}，ψ_{JZ_Z})：

${\mathrm{\θ}}_{JZ\_Y}=\arctan \left(\frac{-ac}{cc}\right)$

${\mathrm{\ψ}}_{JZ\_Z}=\arctan \left(\frac{-ba}{bb}\right)$

其中，φ_{JZ_X}表示滚动基准姿态角，θ_{JZ_Y}表示俯仰基准姿态角，ψ_{JZ_Z}表示偏航基准姿态角；

基准摆镜摆角：等于摆镜锁定位置角度；

摆角控制量：等于摆镜锁定位置角度。

步骤D，用于偏流角计算与控制的更新时机

该步骤中，基准姿态角、基准摆镜摆角与偏流角是用于偏流角控制补偿的三个要素，其中偏流角是根据基准姿态角和基准摆镜摆角计算得出的，可能存在计算得时延。

为了确保偏流角补偿控制能够有效，规定用于姿轨控的这三个控制量(基准姿态角、基准摆镜摆角与偏流角)必须同时更新，以避免因为偏流角延时导致的姿态抖动。

在一个具体实施方式中，对于线阵推扫相机，其推扫方向一般与卫星飞行方向相同，视场的扩展通常仅依靠绕卫星滚动轴的姿态偏置或依靠滚动轴的摆镜摆动完成。如图2所示.

图2中，OXYZ为卫星轨道坐标系，标称状态下，卫星三轴姿态为0，相机对地视场较窄，视轴正对地。在t0时刻，获知地面目标Target1的坐标，星上综合可成像光照约束、卫星当前位置速度参数、目标坐标、成像前准备时间多少等，解算出在Δt时间后，侧摆角为φ时，相机推扫阵列在地面投影的推扫线中心，恰好遇到地面点目标。类似的，在遇到第二个、第三个、…、第n个目标时，也能正确的执行指向调整成像任务。

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)

1.一种自主成像任务规划的模式调控方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A，定义自主成像工作模式；

步骤B，针对自主成像工作模式确定模式调控因子；

步骤C：针对自主成像工作模式确定模式调控因子的产生方式。

2.根据权利要求1所述的自主成像任务规划的模式调控方法，其特征在于，定义三种自主成像工作模式：精修模式、粗修模式、机动模式；

所述精修模式，定义为实时进行偏流角修正，由相机的滚动轴摆镜机构完成成像视场调整；

所述粗修模式，定义为仅修正星下点偏流角，由相机的滚动轴摆镜机构完成成像视场调整；

所述机动模式，定义为实时进行偏流角修正，相机摆镜锁定，仅由姿控完成视场调整。

3.根据权利要求2所述的自主成像任务规划的模式调控方法，其特征在于，针对所述三种自主成像工作模式，确定五个模式调控因子：滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角、基准摆镜摆角、摆镜摆角控制量。

4.根据权利要求3所述的自主成像任务规划的模式调控方法，其特征在于，所述滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角、基准摆镜摆角，用于偏流角计算与偏流角修正控制，在机动模式时，所述滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角还用于相机视场调整控制；

所述摆镜摆角控制量，用于实际驱动摆镜摆动的视场调整。

5.根据权利要求3所述的自主成像任务规划的模式调控方法，其特征在于，所述滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角、基准摆镜摆角初始时为固定值，在对每一个地面目标进行成像任务时，进行更新。

6.根据权利要求3所述的自主成像任务规划的模式调控方法，其特征在于，模式调控因子的产生方式包括：

在精修模式下：

-滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角：分别等于解算地面目标成像任务参数时依据的三轴实时滚动姿态角、俯仰姿态角、偏航姿态角，在下一个地面目标到来前，保持不变；

在粗修模式下：

-滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角：任务期间始终维持上一节拍固定值，不随地面目标变化而变化；

-基准摆镜摆角：任务期间始终维持上一节拍固定值，不随地面目标变化而变化；

-摆镜摆角控制量：等于解算地面目标成像任务参数时解算出的摆角需调整角度；

在机动模式下：

-滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角：需分别在当前节拍实时滚动姿态角、俯仰姿态角、偏航姿态角的基础上叠加摆镜需调整的角度；

-基准摆镜摆角：等于摆镜锁定位置角度；

-摆镜摆角控制量：等于摆镜锁定位置角度。

7.根据权利要求3所述的自主成像任务规划的模式调控方法，其特征在于，滚动基准姿态角、俯仰基准姿态角、偏航基准姿态角、基准摆镜摆角以及偏流角同时更新，以避免因为偏流角延时导致的姿态抖动。