一種衛(wèi)星光學(xué)載荷的平穩(wěn)指向機(jī)動(dòng)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星光學(xué)載荷的平穩(wěn)指向機(jī)動(dòng)控制方法，其包括以下步驟：(1)、穩(wěn)定衛(wèi)星本體的姿態(tài)；(2)、控制光學(xué)載荷的指向機(jī)構(gòu)，使該指向機(jī)構(gòu)指向按既定軌跡機(jī)動(dòng)到目標(biāo)方位；(3)、控制穩(wěn)像機(jī)構(gòu)對(duì)光軸抖動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)目標(biāo)方位穩(wěn)定成像。本發(fā)明公開(kāi)的一種衛(wèi)星光學(xué)載荷的平穩(wěn)指向機(jī)動(dòng)控制方法具有以下有益效果：1、相對(duì)衛(wèi)星本體，指向機(jī)構(gòu)質(zhì)量體積小，機(jī)動(dòng)速度快，能源消耗少，穩(wěn)像機(jī)構(gòu)由壓電材料驅(qū)動(dòng)，帶寬大，可有效補(bǔ)償指向機(jī)構(gòu)控制誤差，抑制光軸抖動(dòng)。并且載荷光軸的機(jī)動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定度高，指向抖動(dòng)小，軌跡光滑，對(duì)目標(biāo)定向精度和穩(wěn)定度高；2、為光學(xué)載荷提供平穩(wěn)指向機(jī)動(dòng)，保證其動(dòng)中成像精度。
【專利說(shuō)明】
一種衛(wèi)星光學(xué)載荷的平穩(wěn)指向機(jī)動(dòng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域，具體涉及一種衛(wèi)星光學(xué)載荷的平穩(wěn)指向機(jī)動(dòng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)遙感衛(wèi)星廣泛應(yīng)用在國(guó)土勘察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、天文觀測(cè)等領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用。
[0003]光學(xué)載荷指向穩(wěn)定度是影響衛(wèi)星對(duì)地成像質(zhì)量的重要因素，如果光學(xué)載荷的指向穩(wěn)定度低，光軸抖動(dòng)嚴(yán)重，特別是在載荷機(jī)動(dòng)過(guò)程中，衛(wèi)星觀測(cè)的圖像極易模糊不清。實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星高分辨率成像的關(guān)鍵就是提高載荷光軸的指向穩(wěn)定度。
[0004]通常對(duì)光學(xué)載荷的指向控制是通過(guò)對(duì)衛(wèi)星本體的姿態(tài)機(jī)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是，一方面由于衛(wèi)星本體的質(zhì)量通常較大，姿態(tài)機(jī)動(dòng)速度很慢，難以實(shí)現(xiàn)載荷的快速指向機(jī)動(dòng)控制；另一方面，衛(wèi)星本體姿態(tài)機(jī)動(dòng)容易引發(fā)光學(xué)載荷抖動(dòng)，對(duì)于需要高穩(wěn)定度指向的遙感衛(wèi)星載荷，衛(wèi)星本體機(jī)動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響載荷光軸的指向穩(wěn)定度，導(dǎo)致其很難清晰成像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題做出改進(jìn)，即本發(fā)明公開(kāi)了一種衛(wèi)星光學(xué)載荷的平穩(wěn)指向機(jī)動(dòng)控制方法。該方法在對(duì)衛(wèi)星本體穩(wěn)定控制時(shí)通過(guò)光學(xué)載荷內(nèi)部指向機(jī)構(gòu)和穩(wěn)像機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)來(lái)控制光軸指向，在指向機(jī)構(gòu)對(duì)光學(xué)載荷指向機(jī)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)穩(wěn)像機(jī)構(gòu)補(bǔ)償?shù)粜l(wèi)星本體傳遞給光學(xué)載荷的抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)星上載荷的高穩(wěn)定指向。
[0006]技術(shù)方案:一種衛(wèi)星光學(xué)載荷的平穩(wěn)指向機(jī)動(dòng)控制方法，包括以下步驟:
[0007](I)、穩(wěn)定衛(wèi)星本體的姿態(tài)；
[0008](2)、控制光學(xué)載荷的指向機(jī)構(gòu)，使該指向機(jī)構(gòu)指向按既定軌跡機(jī)動(dòng)到目標(biāo)方位；
[0009](3)、控制穩(wěn)像機(jī)構(gòu)對(duì)光軸抖動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)目標(biāo)方位穩(wěn)定成像。
[0010]進(jìn)一步地，步驟(I)中通過(guò)比例-微分控制穩(wěn)定衛(wèi)星本體的姿態(tài)。
[0011]進(jìn)一步地，步驟(2)所述的光學(xué)載荷包括指向機(jī)構(gòu)、反射鏡、穩(wěn)像機(jī)構(gòu)和成像面陣，
[0012]所述反射鏡通過(guò)螺栓與鏡筒固定連接，
[0013]所述成像面陣通過(guò)螺栓與鏡筒固定連接，
[0014]所述指向機(jī)構(gòu)通過(guò)螺栓與鏡筒固定連接，力矩電機(jī)與所述指向機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連接，
[0015]所述穩(wěn)像機(jī)構(gòu)通過(guò)螺栓與鏡筒固定連接，壓電驅(qū)動(dòng)器與所述穩(wěn)像機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連接。
[0016]有益效果:本發(fā)明公開(kāi)的一種衛(wèi)星光學(xué)載荷的平穩(wěn)指向機(jī)動(dòng)控制方法具有以下有益效果:
[0017]1、相對(duì)衛(wèi)星本體，指向機(jī)構(gòu)質(zhì)量體積小，機(jī)動(dòng)速度快，能源消耗少，穩(wěn)像機(jī)構(gòu)由壓電材料驅(qū)動(dòng)，帶寬大，可有效補(bǔ)償指向機(jī)構(gòu)控制誤差，抑制光軸抖動(dòng)。并且載荷光軸的機(jī)動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定度高，指向抖動(dòng)小，軌跡光滑，對(duì)目標(biāo)定向精度和穩(wěn)定度高；
[0018]2、可以為光學(xué)載荷提供平穩(wěn)指向機(jī)動(dòng)，保證其動(dòng)中成像精度。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明公開(kāi)的一種衛(wèi)星光學(xué)載荷的平穩(wěn)指向機(jī)動(dòng)控制方法的流程圖；
[0020]圖2是衛(wèi)星的基本結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖3是光學(xué)載荷的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4是光學(xué)載荷的平穩(wěn)指向機(jī)動(dòng)控制策略圖；
[0023]圖5為穩(wěn)像機(jī)構(gòu)啟動(dòng)邏輯判斷流程圖；
[0024]其中:
[0025]1-光學(xué)載荷2-柔性附件
[0026]3-衛(wèi)星本體11-指向機(jī)構(gòu)
[0027]12-力矩電機(jī)13-反射鏡
[0028]14-壓電驅(qū)動(dòng)器15-成像面陣
[0029]16-鏡筒17-穩(wěn)像機(jī)構(gòu)
【具體實(shí)施方式】
:
[0030]下面對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】詳細(xì)說(shuō)明。
[0031]如圖1所示，一種衛(wèi)星光學(xué)載荷的平穩(wěn)指向機(jī)動(dòng)控制方法，包括以下步驟:
[0032](I)、穩(wěn)定衛(wèi)星本體的姿態(tài)；
[0033](2)、控制光學(xué)載荷的指向機(jī)構(gòu)，使該指向機(jī)構(gòu)指向按既定軌跡機(jī)動(dòng)到目標(biāo)方位；
[0034](3)、控制穩(wěn)像機(jī)構(gòu)對(duì)光軸抖動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)目標(biāo)方位穩(wěn)定成像。
[0035]進(jìn)一步地，步驟(I)中通過(guò)比例-微分控制穩(wěn)定衛(wèi)星本體的姿態(tài)。
[0036]進(jìn)一步地，步驟(2)所述的光學(xué)載荷包括指向機(jī)構(gòu)11、反射鏡13、穩(wěn)像機(jī)構(gòu)17和成像面陣15，
[0037]反射鏡13通過(guò)螺栓與鏡筒16固定連接，
[0038]成像面陣15通過(guò)螺栓與鏡筒16固定連接，
[0039 ]指向機(jī)構(gòu)11通過(guò)螺栓與鏡筒16固定連接，力矩電機(jī)12與指向機(jī)構(gòu)11傳動(dòng)連接，
[0040]穩(wěn)像機(jī)構(gòu)17通過(guò)螺栓與鏡筒16固定連接，壓電驅(qū)動(dòng)器14與穩(wěn)像機(jī)構(gòu)17傳動(dòng)連接。
[0041]步驟(I)中，搭載有光學(xué)載荷的衛(wèi)星的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由衛(wèi)星本體3，柔性附件2以及光學(xué)載荷I三部分組成，光學(xué)載荷I和衛(wèi)星本體3固連，衛(wèi)星本體3處于穩(wěn)定狀態(tài)并且擾源較少，其姿態(tài)角抖動(dòng)幅值小，對(duì)星上載荷的光軸指向穩(wěn)定度影響也小。若衛(wèi)星本體3的姿態(tài)不處于穩(wěn)態(tài)，如衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)，此時(shí)衛(wèi)星本體3的姿態(tài)角抖動(dòng)幅值通常很大，極易誘發(fā)各種擾動(dòng)，對(duì)載荷光軸的穩(wěn)定度影響劇烈，在這種情況下，光學(xué)載荷I是難以在運(yùn)動(dòng)中穩(wěn)定成像的。因此，穩(wěn)定衛(wèi)星本體3的姿態(tài)是星上光學(xué)載荷I穩(wěn)定成像的前提條件。
[0042]步驟(I)中，衛(wèi)星本體處于穩(wěn)定狀態(tài)是圖4所示系統(tǒng)工作的必要條件。如果衛(wèi)星本體不處于穩(wěn)定狀態(tài)，那么此時(shí)指向機(jī)構(gòu)的輸出端擾動(dòng)比較劇烈，指向機(jī)構(gòu)是難以準(zhǔn)確跟蹤參考信號(hào)的。
[0043]步驟(2)中，在衛(wèi)星處于穩(wěn)定狀態(tài)這個(gè)前提條件下，圖4所示系統(tǒng)可以開(kāi)始工作。載荷指向機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)角度的控制框圖如圖4中上部分虛線框圖所示，其是一個(gè)以指向機(jī)構(gòu)輸出角度為反饋量的閉環(huán)系統(tǒng)，指向機(jī)構(gòu)的輸出角通過(guò)碼盤(pán)傳感器測(cè)量?？刂葡到y(tǒng)中r是參考信號(hào)，即需要的指向機(jī)構(gòu)輸出的角度，控制器I是一個(gè)比例-積分-微分控制器，輸出端的輸出擾動(dòng)來(lái)源于衛(wèi)星本體的姿態(tài)干擾等干擾因素。
[0044]指向機(jī)構(gòu)工作時(shí)，控制器將傳感器測(cè)得的輸出角度和預(yù)設(shè)的參考值r相比較，根據(jù)比較結(jié)果生成相應(yīng)的控制命令并發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)再根據(jù)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)指向機(jī)構(gòu)的鏡面偏轉(zhuǎn)以獲得需要的輸出角度。
[0045]驅(qū)動(dòng)指向機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是力矩電機(jī)，其工作時(shí)會(huì)作用給衛(wèi)星本體一個(gè)驅(qū)動(dòng)力矩的反作用力矩(如圖4所示)，由于該反作用力矩的值較大，衛(wèi)星本體的姿態(tài)會(huì)因?yàn)樵摿氐挠绊懚霈F(xiàn)較大的抖動(dòng)，并最終成為指向機(jī)構(gòu)控制回路中的輸出端擾動(dòng)，影響指向機(jī)構(gòu)的控制精度。因此，為了消除力矩電機(jī)反作用力矩對(duì)衛(wèi)星本體的姿態(tài)影響，在控制指向機(jī)構(gòu)時(shí)，衛(wèi)星本體的姿控執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要給衛(wèi)星本體一個(gè)反作用力矩的前饋?lái)?xiàng)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。
[0046]步驟(2)中指向機(jī)構(gòu)是通過(guò)力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，力矩電機(jī)行程大但是控制精度有限，且力矩電機(jī)帶寬小，無(wú)法補(bǔ)償?shù)艄廨S的寬頻域抖動(dòng)量，因此需要采用穩(wěn)像機(jī)構(gòu)對(duì)光軸的抖動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0047]步驟(2)中的光學(xué)載荷的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要由指向機(jī)構(gòu)、反射鏡、穩(wěn)像機(jī)構(gòu)以及成像面陣組成，其中指向機(jī)構(gòu)和穩(wěn)像機(jī)構(gòu)的鏡面可偏轉(zhuǎn)。當(dāng)光學(xué)載荷對(duì)目標(biāo)區(qū)域成像時(shí)，入射光光路如圖3所示，其經(jīng)由指向機(jī)構(gòu)、反射鏡和穩(wěn)像機(jī)構(gòu)最終反射到成像面陣上。通過(guò)偏轉(zhuǎn)指向機(jī)構(gòu)的鏡面角度即可改變?nèi)肷涔獾姆轿唬瑥亩构鈱W(xué)載荷對(duì)目標(biāo)方位成像。指向機(jī)構(gòu)鏡面角度的偏轉(zhuǎn)是通過(guò)力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，力矩電機(jī)行程大，可確保指向機(jī)構(gòu)的鏡面偏轉(zhuǎn)角度足夠大從而覆蓋需要觀測(cè)的目標(biāo)區(qū)域。當(dāng)衛(wèi)星本體處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，只需控制指向機(jī)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)方位入射光的接收。
[0048]步驟(3)中，當(dāng)指向機(jī)構(gòu)的角度控制誤差e小于設(shè)定的閾值ε時(shí)穩(wěn)像機(jī)構(gòu)才開(kāi)始工作(如圖5所示)。穩(wěn)像機(jī)構(gòu)的角度控制框圖如圖4中下部分虛線內(nèi)框圖所示。穩(wěn)像機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)角度的控制系統(tǒng)也是一個(gè)以穩(wěn)向機(jī)構(gòu)輸出角度為負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。控制系統(tǒng)中角度參考值設(shè)為O，控制器2是一個(gè)比例-積分控制器。
[0049]穩(wěn)像機(jī)構(gòu)的作用是補(bǔ)償指向機(jī)構(gòu)指向控制后光軸中的抖動(dòng)量，為達(dá)到這一目的，需將指向機(jī)構(gòu)的角度控制誤差引入到穩(wěn)像機(jī)構(gòu)的控制回路中作為控制系統(tǒng)的輸出端擾動(dòng)以對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。由于指向機(jī)構(gòu)的角度控制誤差的頻帶廣，既有高頻抖動(dòng)又有低頻抖動(dòng)，因此圖4中輸出端擾動(dòng)由兩部分組成，一部分是通過(guò)步驟2中碼盤(pán)傳感器直接測(cè)量得到的指向機(jī)構(gòu)控制的角度誤差e，由于直接測(cè)量的角度誤差通常只能測(cè)得低頻信號(hào)，因此這部分輸出端擾動(dòng)只包含有指向機(jī)構(gòu)角度控制誤差中的低頻抖動(dòng)量。輸出端擾動(dòng)的另一部分是高頻抖動(dòng)量，其獲取方法是首先通過(guò)角速度陀螺測(cè)得指向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，測(cè)量得到的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度包含有高頻信號(hào)，然后將測(cè)得的角速度通過(guò)一個(gè)高通濾波器以濾掉無(wú)效的低頻信號(hào)，再通過(guò)一次積分就可得到高頻部分的抖動(dòng)角度。
[0050]穩(wěn)像機(jī)構(gòu)工作時(shí)，控制器將傳感器測(cè)得的輸出角度和參考值O相比較，根據(jù)比較結(jié)果生成相應(yīng)的控制命令并發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)再根據(jù)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)穩(wěn)像機(jī)構(gòu)的鏡面偏轉(zhuǎn)將其保持在O附近。
[0051 ]驅(qū)動(dòng)穩(wěn)像機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是壓電材料作動(dòng)器，同指向機(jī)構(gòu)類似，壓電材料作動(dòng)器也會(huì)對(duì)星體產(chǎn)生一個(gè)反作用力矩，但由于穩(wěn)像機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力矩小，該力矩的值相對(duì)星體而言可以忽略不計(jì)。穩(wěn)像機(jī)構(gòu)控制回路的輸出即為抖動(dòng)量補(bǔ)償后的載荷光軸指向。
[0052]本發(fā)明的光學(xué)載荷的穩(wěn)定指向機(jī)動(dòng)控制方法包含對(duì)載荷光軸的兩級(jí)控制，第一級(jí)為通過(guò)指向機(jī)構(gòu)對(duì)光軸指向機(jī)動(dòng)進(jìn)行控制，指向機(jī)構(gòu)控制相對(duì)衛(wèi)星本體姿態(tài)機(jī)動(dòng)速度快，因此可以實(shí)現(xiàn)光軸指向的大幅值快速機(jī)動(dòng);第二級(jí)為通過(guò)穩(wěn)像機(jī)構(gòu)對(duì)光軸指向控制以補(bǔ)償其抖動(dòng)量，穩(wěn)像機(jī)構(gòu)通過(guò)壓電材料驅(qū)動(dòng)快速控制，可以補(bǔ)償光軸抖動(dòng)，光學(xué)載荷的光軸在指向機(jī)動(dòng)過(guò)程中穩(wěn)定度高，抖動(dòng)量小，保證光學(xué)載荷動(dòng)中成像精度。
[0053]上面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做了詳細(xì)說(shuō)明。但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在所屬技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種衛(wèi)星光學(xué)載荷的平穩(wěn)指向機(jī)動(dòng)控制方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)、穩(wěn)定衛(wèi)星本體的姿態(tài)； (2)、控制光學(xué)載荷的指向機(jī)構(gòu)，使該指向機(jī)構(gòu)指向按既定軌跡機(jī)動(dòng)到目標(biāo)方位； (3)、控制穩(wěn)像機(jī)構(gòu)對(duì)光軸抖動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)目標(biāo)方位穩(wěn)定成像。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種衛(wèi)星光學(xué)載荷的平穩(wěn)指向機(jī)動(dòng)控制方法，其特征在于，步驟(I)中通過(guò)比例-微分控制穩(wěn)定衛(wèi)星本體的姿態(tài)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種衛(wèi)星光學(xué)載荷的平穩(wěn)指向機(jī)動(dòng)控制方法，其特征在于，步驟(2)所述的光學(xué)載荷包括指向機(jī)構(gòu)、反射鏡、穩(wěn)像機(jī)構(gòu)和成像面陣， 所述反射鏡通過(guò)螺栓與鏡筒固定連接， 所述成像面陣通過(guò)螺栓與鏡筒固定連接， 所述指向機(jī)構(gòu)通過(guò)螺栓與鏡筒固定連接，力矩電機(jī)與所述指向機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連接， 所述穩(wěn)像機(jī)構(gòu)通過(guò)螺栓與鏡筒固定連接，壓電驅(qū)動(dòng)器與所述穩(wěn)像機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連接。
【文檔編號(hào)】G05D3/12GK105867435SQ201610309061
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月11日
【發(fā)明人】劉磊, 李靜, 李青
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)