CN106097397A - 一种对非合作运动目标跟踪成像的视频卫星姿态控制方法 - Google Patents

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Abstract

针对视频卫星对非合作运动目标的跟踪成像问题，本发明提供了一种对非合作运动目标跟踪成像的视频卫星姿态控制方法，首先给出了视频卫星跟踪成像时姿态调整对图像的影响公式，基于此提出了一种考虑了执行机构滞后性的跟踪成像反馈控制策略，并设计了控制器。实际应用中，将由该方法计算得到的控制量传输至执行机构即可实现对非合作运动目标跟踪成像的姿态控制功能。实践表明，由该方法控制的闭环***能够实现对非合作运动目标的跟踪成像。

Description

一种对非合作运动目标跟踪成像的视频卫星姿态控制方法
技术领域
本发明涉及一种航天航空领域的卫星姿态控制方法，它为视频卫星对非合作运动目标跟踪成像提供了一种姿态控制方法，属于自动控制技术领域。
背景技术
视频卫星是一种采用视频成像、视频数据实时传输、人在回路交互式操作工作方式的新型天基信息获取类微小卫星。与传统卫星相比，视频卫星可提供实时视频图像，与静止单幅图像相比增加了时域信息，可获取目标的动态过程信息，能够探测到动态事件的发生，并可以基于视频图像中的序列图像进行图像重构获得更高分辨率的图像，为抗灾救灾、战时监控、计划决策提供第一手资料。
虽然目前已通过人在回路的方式基于视频图像信息实现了对运动动目标的连续跟踪成像，但人的参与增加了反应时间，对于高速运动目标无能为力。实现对非合作运动目标的自动跟踪成像，需要能够实时检测到目标，之后根据检测结果实时生成控制策略，传递给控制器，控制器控制执行机构完成姿态调整，使目标保持在视野中。已有文献对视频卫星对地面固定目标的凝视成像姿态控制方法进行了较为深入的研究，然而对于非合作运动目标，其运动方程是完全未知的，无法由目标的位置实时计算期望姿态，只能由目标与视频中心的偏差进行反馈控制，同时执行机构的作用也存在滞后问题。
发明内容
针对视频卫星对非合作运动目标的跟踪成像问题，本发明提供了一种对非合作运动目标跟踪成像的视频卫星姿态控制方法，其是使目标处于视野中的姿态控制方法。假设在图像中能够实时检测到目标(专利201510507109.9提供了一种基于运动信息的空间目标检测方法)，本发明针对视频卫星对非合作运动目标的跟踪成像控制问题，给出了视频卫星跟踪成像时姿态调整对图像的影响公式，基于此提出了一种考虑了执行机构滞后性的跟踪成像反馈控制策略，并设计了控制器。实践表明，由该方法控制的闭环***能够实现对非合作运动目标的跟踪成像。
一种对非合作运动目标跟踪成像的视频卫星姿态控制方法，首先给出了视频卫星跟踪成像时姿态调整对图像的影响公式，基于此提出了一种考虑了执行机构滞后性的跟踪成像反馈控制策略，并设计了控制器。实际应用中，将由该方法计算得到的控制量传输至执行机构即可实现对非合作运动目标跟踪成像的姿态控制功能。
一种对非合作运动目标跟踪成像的视频卫星姿态控制方法，包括以下步骤：
步骤一：确定视频图像中的中心区域与警戒线
定义像素坐标系O-xy，其以视频图像中心为坐标系原点，以像素为坐标单位，x,y分别表示该像素点在视频图像中的列数与行数。
设视频图像的分辨率为m×n，设m≥n，中心区域S由(-m/4,n/4),(m/4,n/4),(m/4,-n/4),(-m/4,-n/4)围成，警戒线由(-m/2+n/8,3n/8),(m/2-n/8,3n/8),(m/2-n/8,-3n/8),(-m/2+n/8,-3n/8)连接而成。如图1所示。
步骤二：推导视频卫星跟踪成像时姿态调整对视频图像的影响公式
设相机光轴与卫星体坐标系Z轴重合，卫星体坐标系的X轴与Y轴与像素坐标系O-xy的X轴与Y轴平行且方向相反。
视频卫星姿态调整前目标坐标为(u1,v1)，调整后目标坐标为(u2,v2)，视频卫星相对于调整前的3-2-1姿态欧拉角为Δψ设为0，而与Δθ小于1°，可以认为是小量，于是得到由视频卫星跟踪成像时的姿态调整确定的像素坐标系变换公式
其中d为视频卫星上的星载相机的像元大小。
步骤三：跟踪成像反馈控制策略
由式(1)可以得到
设已检测出目标坐标为(u,v)，则欲让目标回到画面中心，需要调整的3-2-1姿态欧拉角为(0,du,-dv)。
在视频卫星姿态调整时首先视频卫星绕卫星体坐标系Y轴旋转du，然后绕卫星体坐标系X轴旋转-dv，然而因为执行机构(本发明中的执行机构为反作用飞轮)的滞后性，当视频卫星绕卫星体坐标系Y轴旋转时，可能在X方向离开了视野。这样的反馈控制没有考虑执行机构的滞后性，无法保持目标始终位于视野中。
因此，本发明提出如下跟踪成像反馈控制策略。
Step 1.当目标脱离画面中心区域，即时，比较大小，若i＝1，否则i＝2。
Step 2.若i＝1，调整视频卫星姿态使|v|→0，即将绕卫星体坐标系X轴旋转-dv传递给控制器；若i＝2，调整姿态使|u|→0，即将绕体坐标系Y轴旋转du传递给控制器。
Step 3.在控制器控制执行机构(反作用飞轮)调整视频卫星姿态过程中，视频卫星持续检测并跟踪目标，若目标到达警戒线，即或回到Step 1。
Step 4.视频卫星姿态调整完成后，若(u,v)∈S，则反馈控制结束，视频卫星保持姿态稳定状态观测目标，否则回到Step 1。
这样就通过反馈控制实现了对目标的跟踪成像。反馈控制策略的流程图如图2所示。
步骤四：控制器设计
按照跟踪成像反馈控制策略，视频卫星姿态调整时仅需绕X轴(i＝1)或Y轴(i＝2)旋转角度θ，忽略外部干扰力矩，可得PD控制器为：
ui＝-kp(θi-θ0-θ)-kdωi (3)
其中下标ui表示第i轴(i＝1时为X轴，i＝2时为Y轴)上的执行机构(本发明是指反作用飞轮)产生的控制力矩，ωi是视频卫星本体坐标系角速度的第i个分量，θi是卫星相对惯性系的i轴欧拉角，θ0是卫星姿态调整前相对惯性系的i轴欧拉角，kp和kd为正常数。
本发明的有益效果是：
1)该方法算法简单，运算量小，易于工程实现。
2)该方法可以实现视频卫星对非合作运动目标的跟踪成像。
附图说明
图1为本发明所述的像素坐标系及其中心区域与警戒线。
图2为本发明所述的反馈控制策略流程图。
图3为实施例中对目标跟踪成像的结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明一种对非合作运动目标跟踪成像的视频卫星姿态控制方法做详细的描述，其具体步骤如下：
步骤一：确定视频区域的中心区域与警戒线
图像分辨率为960×576，中心区域S由(-240,144),(240,144),(240,-144),(-240,-144)围成，警戒线由(-408,216),(408,216),(408,-216),(-408,-216)连接而成。
步骤二：初始化各参数
卫星的转动惯量为J＝diag(2.2021,3.2358,2.1760)kg·m2，控制器的参数选为kp＝0.5,kd＝5,星载相机像元尺寸为8.33μm，目标坐标为(-295,153)，脱离中心区域。假设目标在像素坐标系下的速度为(-3.42,2.37)，该速度仅用于仿真，对于视频卫星而言是未知的。
步骤三：跟踪成像反馈控制
(1)则i＝1，向控制器传达控制指令：绕X轴旋转-dv＝-4.38’；
(2)当旋转了-4.23’时，目标已到达警戒线，此时目标坐标为(-408,83)，向控制器传达控制指令，绕Y轴旋转du＝-11.68’；
(3)旋转完成后目标坐标为(-143,178)，仍然脱离中心区域，向控制器传达控制指令，绕X轴旋转-dv＝-5.09’；
(4)旋转完成后目标坐标为(-280,97)，仍然脱离中心区域，向控制器传达控制指令，绕Y轴旋转du＝-8.02’；
(5)旋转完成后目标坐标为(-115,168)，仍然脱离中心区域，向控制器传达控制指令，绕X轴旋转-dv＝-4.8’；
(6)旋转完成后目标坐标为(-217,78)，位于中心区域内，反馈控制结束。
目标在像素坐标系左下区域的运动轨迹如图3所示，其中虚线框表示中心区域，红色实线表示警戒线。可见通过跟踪成像反馈控制策略实现了视频卫星对目标的跟踪成像。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (5)

1.一种对非合作运动目标跟踪成像的视频卫星姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定视频图像中的中心区域与警戒线；
S2、推导视频卫星跟踪成像时姿态调整对视频图像的影响公式；
S3、确定跟踪成像反馈控制策略；
S4、设计控制器。
2.根据权利要求1所述的对非合作运动目标跟踪成像的视频卫星姿态控制方法，其特征在于，步骤S1中，定义像素坐标系O-xy，其以视频图像中心为坐标系原点，以像素为坐标单位，x,y分别表示该像素点在视频图像中的列数与行数；
设视频图像的分辨率为m×n，设m≥n，画面中心区域S由(-m/4,n/4),(m/4,n/4),(m/4,-n/4),(-m/4,-n/4)围成，警戒线由(-m/2+n/8,3n/8),(m/2-n/8,3n/8),(m/2-n/8,-3n/8),(-m/2+n/8,-3n/8)连接而成。
3.根据权利要求2所述的对非合作运动目标跟踪成像的视频卫星姿态控制方法，其特征在于，步骤S2中，设相机光轴与卫星体坐标系Z轴重合，卫星体坐标系的X轴与Y轴与像素坐标系O-xy的X轴与Y轴平行且方向相反；
视频卫星姿态调整前目标坐标为(u1,v1)，调整后目标坐标为(u2,v2)，视频卫星相对于调整前的3-2-1姿态欧拉角为Δψ设为0，而与Δθ均为小于1°的小量，于是得到由视频卫星跟踪成像时的姿态调整确定的像素坐标系变换公式
其中d为视频卫星上的星载相机的像元大小。
4.根据权利要求3所述的对非合作运动目标跟踪成像的视频卫星姿态控制方法，其特征在于，步骤S3中，
由步骤S2中的式(1)可以得到
设已检测出目标坐标为(u,v)，则欲让目标回到画面中心区域，需要调整的3-2-1姿态欧拉角为(0,du,-dv)，在此确定跟踪成像反馈控制策略如下：
Step 1.当目标脱离画面中心区域，即时，比较大小，若i＝1，否则i＝2；
Step 2.若i＝1，调整视频卫星姿态使|v|→0，即将绕卫星体坐标系X轴旋转-dv传递给控制器；若i＝2，调整姿态使|u|→0，即将绕体坐标系Y轴旋转du传递给控制器；
Step 3.在控制器控制执行机构调整视频卫星姿态过程中，视频卫星持续检测并跟踪目标，若目标到达警戒线，即或回到Step 1；
Step 4.视频卫星姿态调整完成后，若(u，v)∈S，则反馈控制结束，视频卫星保持姿态稳定状态观测目标，否则回到Step 1。
5.根据权利要求3所述的对非合作运动目标跟踪成像的视频卫星姿态控制方法，其特征在于，步骤S4中，按照步骤S3中确定的跟踪成像反馈控制策略，视频卫星姿态调整时仅需绕X轴(i＝1)或Y轴(i＝2)旋转角度θ，忽略外部干扰力矩，可得PD控制器为：
ui＝-kp(θi-θ0-θ)-kdωi (3)
其中下标ui表示第i轴上的执行机构产生的控制力矩，ωi是视频卫星本体坐标系角速度的第i个分量，θi是卫星相对惯性系的i轴欧拉角，θ0是卫星姿态调整前相对惯性系的i轴欧拉角，kp和kd为正常数。
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