CN106599479A - 一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法 - Google Patents

一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法 Download PDF

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Abstract

一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法，涉及光学遥感相机集成仿真领域，解决了现有技术误差大、难以模拟实际精密稳像过程的问题。本发明为：建立光学遥感相机光学模型，计算各光学反射镜和成像焦面刚***移对像点晃动位移的灵敏度矩阵；建立光机集成有限元模型，计算光学遥感相机在凝视成像时间段内的像点晃动位移；建立像点晃动位移到快摆镜和消像旋机构补偿角度的解算算法；建立光机动力学模型，计算快摆镜和消像旋机构传递函数，建立快摆镜和消像旋机构控制模型；将光机动力学模型与快摆镜和消像旋机构的控制模型集成在一起，对整个光学遥感相机精密稳像过程进行仿真。本发明将光、机、控三种学科集成在同一平台下，误差小。

Description

一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法
技术领域
本发明涉及光学遥感相机集成仿真技术领域，具体涉及一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法。
背景技术
光学遥感相机广泛应用于资源探测、国土勘察、天文观测等领域，在经济社会发展和科学研究中发挥了重要的作用。
精密稳像是实现光学遥感相机清晰稳定成像的关键途径与技术保证之一。光学载荷受到卫星平台姿态运动和太阳帆板等扰动源影响时视轴晃动严重，特别是在CMG、制冷机等高速运转过程中，由于抖动导致相机成像极易模糊，需要采用精密稳像技术才能消除扰动源对成像质量的影响。
国际上光学遥感相机通常采用两级稳像方式，指向跟踪由卫星平台自身的姿态控制***保证，属于粗级稳像；在粗级稳像的基础上，光学遥感相机1自身快摆镜2和消像旋机构3快速摆动以消除粗级稳像的残差，此过程属于精密稳像，如图1所示。如果相机稳像精度要求较高，通常还会采用振动抑制来隔离振动干扰源的高频影响。但是，这种精密稳像仿真过程中，通常采用单学科、理想化模型来实现，其存在误差大、无法模拟实际精密稳像过程的难题。
发明内容
为了解决现有精密稳像仿真过程中采用单学科、理想化模型带来的误差较大、难以模拟实际精密稳像过程的问题，本发明提供一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法，包括以下步骤：
步骤一、建立光学遥感相机光学模型，分别计算得到各光学反射镜和成像焦面刚***移对像点晃动位移的灵敏度矩阵；
步骤二、建立光学遥感相机及卫星平台的光机集成有限元模型，计算得到光学遥感相机在凝视成像时间段内姿态运动和扰动导致的像点晃动位移；
步骤三、建立像点晃动位移到快摆镜和消像旋机构补偿角度的解算算法；
步骤四、建立光学遥感相机及卫星平台的光机动力学模型，分别计算快摆镜和消像旋机构传递函数，根据传递函数频响曲线分别建立快摆镜和消像旋机构控制模型；
步骤五、将光学遥感相机及卫星平台的光机动力学模型与快摆镜和消像旋机构的控制模型集成在一起，进行精密稳像仿真。
进一步的，步骤一中，首先建立各光学反射镜镜面到成像焦面的光学全模型；然后在成像焦面上选择边缘视场两个导星所在位置为参考的像点a和像点b，在光学软件Code V或Zemax中通过移动、旋转各光学反射镜以及成像焦面单位位移，分别读取像点a和像点b的晃动位移得到其对应的灵敏度矩阵。
进一步的，步骤二中，分别采用MSC.Patran和MSC/NASTRAN建立和求解光学遥感相机及卫星平台的光机集成有限元模型。
进一步的，步骤二中，在光学遥感相机及卫星平台的光机集成有限元模型中，加入扰动源激励，通过MPC将像点a和像点b的灵敏度矩阵分别与各光学反射镜和成像焦面刚***移相乘，分别计算得到像点a和像点b在扰动源激励作用下的晃动位移变化，即像点a的晃动位移为(X1、Y1)，像点b的晃动位移为(X2、Y2)。
进一步的，步骤三中，在MATLAB/Simulink平台中，通过像点a的晃动位移(X1、Y1)及像点b的晃动位移(X1、Y1)解算得到快摆镜绕X轴旋转的角度RX、绕Y轴旋转的角度RY和消像旋机构绕Z轴旋转的角度RZ。
进一步的，步骤三中，按照快摆镜的补偿角度RX、RY旋转快摆镜，按照消像旋机构的补偿角度RZ旋转消像旋机构，实现对像点a和像点b晃动位移的实时补偿。
进一步的，步骤四中，通过Adams和MATLAB/Simulink平台建立光学遥感相机及卫星平台的刚柔耦合动力学模型；通过光学遥感相机及卫星平台的刚柔耦合动力学模型，分别计算快摆镜俯仰力矩、偏摆力矩以及消像旋机构绕焦面旋转力矩到快摆镜俯仰角、偏摆角和消像旋机构焦面旋转角的传递函数，根据传递函数频响曲线，分别建立快摆镜俯仰、偏摆和成像焦面绕中心旋转的控制模型。
进一步的，步骤五中，将光学遥感相机及卫星平台的光机动力学模型与快摆镜俯仰、偏摆和成像焦面绕中心旋转的控制模型集成在同一个软件平台下形成闭环模型；以快摆镜的补偿角度RX、RY和消像旋机构的补偿角度RZ为控制目标，计算像点a和像点b的精密稳像误差；判断闭环模型的计算结果是否满足指标要求。
更进一步的，所述的同一个软件平台为MATLAB/Simulink平台。
本发明的有益效果是：
1、本发明中，将光学反射镜和成像焦面的刚体运动对像点晃动的影响关系以灵敏度矩阵的形式加入到有限元模型和动力学模型中，建立光学、机械一体的仿真模型，实现从有限元模型和动力学模型直接输出光学像点晃动位移。
2、本发明中，将光学、机械一体动力学模型转化到MATLAB/Simulink平台下，很容易与控制模型进行数据交换，从而在MATLAB/Simulink平台下实现光学、机械、控制集成仿真分析。
3、本发明的一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法涵盖了光学、机械、控制三个学科，在此精密稳像集成仿真模型基础上开展全局优化比单学科优化更容易得到全局最优解。
4、本发明将光学相机精密稳像过程中涉及到的光学、机械、控制三种学科集成在同一平台下，相对于现有的单学科理想化简化模型，本发明所述仿真方法与实际过程更加接近，仿真结果对设计过程具有更强的指导意义。
5、本发明解决了光学遥感相机动态稳定成像过程中，由于平台姿态运动和各种扰动源导致图像晃动模糊的问题。
6、本发明能够综合考虑边缘视场像点晃动量测量、快摆镜和消像旋补偿角算法及其控制实现，实现光轴极高稳定性指向的过程模拟。
附图说明
图1为光学遥感相机精密稳像的原理示意图。
图2为本发明的一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法流程图。
图3为在扰动源激励下成像焦面上像点a和像点b晃动，并根据晃动位移解算得到快摆镜补偿角度RX、RY和消像旋机构补偿角度RZ的过程示意图。
图4为在MATLAB/Simulink环境下光学遥感相机精密稳像***仿真图。
图中：A为快摆镜补偿角RX、RY和消像旋机构补偿角RZ曲线；B为快摆镜绕X轴旋转的控制模型；C为快摆镜绕Y轴旋转的控制模型；D为消像旋机构绕Z轴旋转的控制模型；E为控制模型B输出快摆镜绕X轴旋转的力矩曲线；
F为控制模型C输出快摆镜绕Y轴旋转的力矩曲线；G为控制模型D输出消像旋机构绕Z轴旋转的力矩曲线；H为像点a在X方向精密稳像误差；I为像点a在Y方向精密稳像误差；J为像点b在X方向精密稳像误差；K为像点b在Y方向精密稳像误差；L为像点a和像点b分别在X方向和Y方向的位移曲线；M为光机动力学模型；1为光学遥感相机；2为快摆镜；3为消像旋机构；4为观测对象；5为扰动源；6为光机集成有限元模型；a为像点；b为像点。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，本发明的一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法，其具体过程如下：
一、建立光学遥感相机光学模型，分别计算得到各光学反射镜和成像焦面刚***移对像点晃动位移的灵敏度矩阵。
其具体过程为：
1、建立各光学反射镜镜面到成像焦面的光学全模型；
2、在成像焦面上选择边缘视场两个导星所在位置为参考的像点a和像点b，在光学软件Code V或Zemax中通过移动、旋转各光学反射镜以及成像焦面单位位移，分别读取像点a和像点b的晃动位移得到其对应的灵敏度矩阵。
二、建立光学遥感相机1及卫星平台的光机集成有限元模型6，计算得到光学遥感相机1在凝视成像时间段内姿态运动和扰动导致的像点晃动位移。
其具体过程为：
1、分别采用MSC.Patran和MSC/NASTRAN建立和求解光学遥感相机1及卫星平台的光机集成有限元模型6；
2、如图3所示，在光学遥感相机1及卫星平台的光机集成有限元模型6中，加入CMG、制冷机、太阳帆板驱动等扰动源5激励，通过MPC(Multi-Point Constraint，多点约束)将像点a和像点b的灵敏度矩阵分别与各光学反射镜和成像焦面刚***移相乘，分别计算得到像点a和像点b在扰动源5激励作用下的晃动位移变化，即像点a的晃动位移为(X1、Y1)，像点b的晃动位移为(X2、Y2)。可以将其转换成曲线形式，即像点a和像点b分别在X方向和Y方向的位移曲线L，用于后期的精密稳像仿真过程。
三、建立像点晃动位移到快摆镜2和消像旋机构3补偿角度的解算算法。
其具体过程为：
1、在MATLAB/Simulink平台中，通过上述计算得到的像点a的晃动位移(X1、Y1)以及像点b的晃动位移(X1、Y1)解算得到快摆镜2需要转动的角度RX(绕X轴旋转的角度)、RY(绕Y轴旋转的角度)和消像旋机构3需要转动的角度RZ(绕Z轴旋转的角度)，如图3所示。可以将其转换成曲线形式，即快摆镜2补偿角RX、RY和消像旋机构3补偿角RZ曲线A，用于后期的精密稳像仿真过程。
2、按照快摆镜2的补偿角度RX、RY旋转快摆镜2，按照消像旋机构3的补偿角度RZ旋转消像旋机构3，能够实现对像点a和像点b晃动位移的实时补偿。
四、建立光学遥感相机1及卫星平台的光机动力学模型M，分别计算快摆镜2和消像旋机构3传递函数，根据传递函数频响曲线分别建立快摆镜2和消像旋机构3控制模型。
其具体过程为：
1、通过Adams和MATLAB/Simulink平台建立光学遥感相机1及卫星平台的刚柔耦合动力学模型；
2、通过光学遥感相机1及卫星平台的刚柔耦合动力学模型，分别计算快摆镜2俯仰力矩、偏摆力矩以及消像旋机构3绕焦面旋转力矩到快摆镜2俯仰角、偏摆角和消像旋机构3焦面旋转角的传递函数，根据传递函数频响曲线，分别建立快摆镜2俯仰、偏摆和成像焦面绕中心旋转的控制模型，同时通过快摆镜2绕X轴旋转的控制模型B输出快摆镜绕X轴旋转的力矩曲线E、快摆镜2绕Y轴旋转的控制模型C输出快摆镜绕Y轴旋转的力矩曲线F、消像旋机构3绕Z轴旋转的控制模型D输出消像旋机构绕Z轴旋转的力矩曲线G，用于后期的精密稳像仿真过程。
五、将光学遥感相机1及卫星平台的光机动力学模型M与快摆镜2和消像旋机构3的控制模型集成在一起，对整个光学遥感相机1精密稳像过程进行仿真。
如图4所示，其具体过程为：
1、将光学遥感相机1及卫星平台的光机动力学模型M与快摆镜2绕X轴旋转的控制模型B、快摆镜2绕Y轴旋转的控制模型C、消像旋机构3绕Z轴旋转的控制模型D集成在同一个软件平台(MATLAB/Simulink平台)下形成闭环模型；将光学、机械一体动力学模型转化到MATLAB/Simulink平台下，很容易与控制模型进行数据交换，从而在MATLAB/Simulink平台下实现光学、机械、控制集成仿真分析。
2、以快摆镜2的补偿角度RX、RY和消像旋机构3的补偿角度RZ为控制目标，计算像点a和像点b的精密稳像误差，即像点a在X方向精密稳像误差H、像点a在Y方向精密稳像误差I、像点b在X方向精密稳像误差J、像点b在Y方向精密稳像误差K。
3、判断闭环模型的计算结果是否满足指标要求。
上述的整个光学遥感相机1精密稳像过程指的是光学遥感相机1凝视观测对象4并进行成像的整个过程，如图1所示，为了防止仿真结果不收敛，在满足计算效率的基础上仿真步长尽可能小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、建立光学遥感相机光学模型，分别计算得到各光学反射镜和成像焦面刚***移对像点晃动位移的灵敏度矩阵；
步骤二、建立光学遥感相机及卫星平台的光机集成有限元模型，计算得到光学遥感相机在凝视成像时间段内姿态运动和扰动导致的像点晃动位移；
步骤三、建立像点晃动位移到快摆镜和消像旋机构补偿角度的解算算法；
步骤四、建立光学遥感相机及卫星平台的光机动力学模型，分别计算快摆镜和消像旋机构传递函数，根据传递函数频响曲线分别建立快摆镜和消像旋机构控制模型；
步骤五、将光学遥感相机及卫星平台的光机动力学模型与快摆镜和消像旋机构的控制模型集成在一起，进行精密稳像仿真。
2.根据权利要求1所述的一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法，其特征在于，步骤一中，首先建立各光学反射镜镜面到成像焦面的光学全模型；然后在成像焦面上选择边缘视场两个导星所在位置为参考的像点a和像点b，在光学软件Code V或Zemax中通过移动、旋转各光学反射镜以及成像焦面单位位移，分别读取像点a和像点b的晃动位移得到其对应的灵敏度矩阵。
3.根据权利要求1所述的一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法，其特征在于，步骤二中，分别采用MSC.Patran和MSC/NASTRAN建立和求解光学遥感相机及卫星平台的光机集成有限元模型。
4.根据权利要求1或2所述的一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法，其特征在于，步骤二中，在光学遥感相机及卫星平台的光机集成有限元模型中，加入扰动源激励，通过MPC将像点a和像点b的灵敏度矩阵分别与各光学反射镜和成像焦面刚***移相乘，分别计算得到像点a和像点b在扰动源激励作用下的晃动位移变化，即像点a的晃动位移为(X1、Y1)，像点b的晃动位移为(X2、Y2)。
5.根据权利要求4所述的一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法，其特征在于，步骤三中，在MATLAB/Simulink平台中，通过像点a的晃动位移(X1、Y1)及像点b的晃动位移(X1、Y1)解算得到快摆镜绕X轴旋转的角度RX、绕Y轴旋转的角度RY和消像旋机构绕Z轴旋转的角度RZ。
6.根据权利要求5所述的一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法，其特征在于，步骤三中，按照快摆镜的补偿角度RX、RY旋转快摆镜，按照消像旋机构的补偿角度RZ旋转消像旋机构，实现对像点a和像点b晃动位移的实时补偿。
7.根据权利要求1所述的一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法，其特征在于，步骤四中，通过Adams和MATLAB/Simulink平台建立光学遥感相机及卫星平台的刚柔耦合动力学模型；通过光学遥感相机及卫星平台的刚柔耦合动力学模型，分别计算快摆镜俯仰力矩、偏摆力矩以及消像旋机构绕焦面旋转力矩到快摆镜俯仰角、偏摆角和消像旋机构焦面旋转角的传递函数，根据传递函数频响曲线，分别建立快摆镜俯仰、偏摆和成像焦面绕中心旋转的控制模型。
8.根据权利要求1或7所述的一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法，其特征在于，步骤五中，将光学遥感相机及卫星平台的光机动力学模型与快摆镜俯仰、偏摆和成像焦面绕中心旋转的控制模型集成在同一个软件平台下形成闭环模型；以快摆镜的补偿角度RX、RY和消像旋机构的补偿角度RZ为控制目标，计算像点a和像点b的精密稳像误差；判断闭环模型的计算结果是否满足指标要求。
9.根据权利要求8所述的一种光学遥感相机精密稳像***的仿真方法，其特征在于，所述的同一个软件平台为MATLAB/Simulink平台。
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