多目標(biāo)連續(xù)成像偏流角補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航天空間遙感成像任務(wù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種依靠航天飛行器進(jìn)行 同軌道多目標(biāo)連續(xù)成像時(shí)的多目標(biāo)連續(xù)成像偏流角補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] TDICCD相機(jī)采用延時(shí)積分作為接收器，通過(guò)多次曝光解決傳統(tǒng)面陣相機(jī)通光量不 足的問(wèn)題，相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)可采用小相對(duì)孔徑的折返式或全反射式光學(xué)系統(tǒng)，直接降低了光 學(xué)載荷的體積。相機(jī)工作時(shí)，需要保證線陣推掃方向與目標(biāo)像移速度方向保持一致，并實(shí)現(xiàn) 光生電荷包轉(zhuǎn)移速度與目標(biāo)像移速度匹配以確保成像質(zhì)量，當(dāng)存在偏差時(shí)，像移速度方向 與推掃方向的夾角，即為偏流角。偏流角主要受地球自轉(zhuǎn)和飛行器運(yùn)動(dòng)位置、速度、姿態(tài)參 數(shù)、相機(jī)安裝、大氣折射等、平臺(tái)振動(dòng)的影響，若成像時(shí)偏流角存在大的計(jì)算誤差或補(bǔ)償不 到位，將導(dǎo)致相機(jī)MTF傳遞函數(shù)的下降，直接導(dǎo)致圖像質(zhì)量的下降。因此，隨著對(duì)地衛(wèi)星遙 感任務(wù)帶來(lái)的TDICCD相機(jī)應(yīng)用的增多，偏流角補(bǔ)償問(wèn)題一直是業(yè)界的研究熱點(diǎn)。
[0003] 傳統(tǒng)的偏流角補(bǔ)償問(wèn)題，一般研究相機(jī)固定安裝于衛(wèi)星，光軸沿本體系Z軸，且不 含擺鏡的情況。對(duì)地面目標(biāo)的成像時(shí)偏流角補(bǔ)償依靠衛(wèi)星偏航軸的對(duì)偏流角的姿態(tài)導(dǎo)引， 對(duì)地面視場(chǎng)的擴(kuò)展，通常依靠衛(wèi)星姿態(tài)的滾動(dòng)或俯仰偏置。目前，未見(jiàn)對(duì)含擺鏡的相機(jī)偏流 角研究和多任務(wù)連續(xù)成像任務(wù)下的偏流角補(bǔ)償方法的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的搭載含擺鏡的TDICCD相機(jī)執(zhí)行多目標(biāo)連續(xù)成像任 務(wù)時(shí)，相機(jī)通過(guò)擺鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)地視場(chǎng)的擴(kuò)展，由于擺鏡的連續(xù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了相機(jī)光軸的連續(xù)改 變，衛(wèi)星不能按常規(guī)的方式，繞偏航軸進(jìn)行偏流角的補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，提出了一種多目標(biāo)連續(xù)成 像偏流角補(bǔ)償方法，該方法結(jié)合工程應(yīng)用的需求，以WGS84地固系的位置速度、期望姿態(tài) 角、擺鏡擺角等作為偏流角計(jì)算輸入量，以偏流角偏差四元數(shù)解算姿態(tài)控制目標(biāo)姿態(tài)，給出 繞瞬時(shí)虛擬光軸旋轉(zhuǎn)的偏流角補(bǔ)償方法，可在不判斷擺鏡擺動(dòng)標(biāo)志的情況下，連續(xù)輸出期 望姿態(tài)角。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0006] -種多目標(biāo)連續(xù)成像偏流角補(bǔ)償方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟A、建立含擺鏡相機(jī)的等效光路；
[0008] 步驟B、計(jì)算像移速度與偏流角；
[0009] 步驟C、計(jì)算用于姿態(tài)補(bǔ)償?shù)钠鹘瞧钏脑獢?shù)。
[0010] 優(yōu)選地，所述步驟A中，將光學(xué)系統(tǒng)的反射光軸，簡(jiǎn)化為鏡面反射后的虛擬光軸， 帶擺鏡的TDICCD推掃相機(jī)等同于對(duì)地相機(jī)，帶擺鏡的TDICCD推掃相機(jī)繞本體X軸以二倍 擺鏡擺角偏置，進(jìn)而擴(kuò)展對(duì)地視場(chǎng)。
[0011] 優(yōu)選地，所述步驟B中，以GPS給出的WGS84坐標(biāo)系下的位置、速度作為偏流角 計(jì)算輸入量，由GPS測(cè)得的當(dāng)前時(shí)刻衛(wèi)星地固系的位置R，速度V，建立瞬時(shí)慣性參考系 OeX1Y1Z1，原點(diǎn)為地心Oe，O eX1軸在地球赤道平面內(nèi)，指向GPS時(shí)亥Ij的地固系X軸方向；O J1軸 垂直于地球真赤道平面，與地球自轉(zhuǎn)角速度矢量方向一致；0，1與0 OJ1構(gòu)成右手坐標(biāo) 系；基于地球自轉(zhuǎn)引起的牽連速度，得到瞬時(shí)慣性參考系I下的位置iC，速度匕：
[0013] 式中，Uf3為地球自轉(zhuǎn)角速度；
[0014] 計(jì)算相關(guān)的坐標(biāo)變換矩陣的表達(dá)式，衛(wèi)星軌道系到瞬時(shí)慣性系的相互轉(zhuǎn)換矩陣 為：
[0015] A10= [e x ey ej，A01= A J
[0016] 式中Acil為Alci的轉(zhuǎn)置，表示從慣性系到軌道系的轉(zhuǎn)移矩陣，e x ey ez分別為三個(gè)單 位列向量，產(chǎn)生方式如下：
[0021] 設(shè)Cx ( α )，Cy ( α )，Cz ( α )分別為繞被轉(zhuǎn)動(dòng)的坐標(biāo)系的X軸、Y軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)矩陣， 從衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系到衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的變換矩陣Abci為：
[0022]
[0023] 式中，Θ、識(shí)、φ分別為繞被轉(zhuǎn)動(dòng)的坐標(biāo)系的X軸、Y軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)角度，Acib為本 體系到軌道系轉(zhuǎn)移矩陣；
[0024] 從衛(wèi)星本體系到虛擬相機(jī)系的轉(zhuǎn)換矩陣^為：
[0025]
[0026] 式中，為帶擺鏡的TDICCD推掃相機(jī)擺過(guò)的角度，Mbe為相機(jī)系到本體系轉(zhuǎn)移矩 陣；
[0027] 設(shè)Rpi為目標(biāo)在虛擬像平面矢量，為目標(biāo)在相機(jī)系下的矢量，則有如下關(guān)系：
[0029] 其中，f為焦距，h為物距；
[0030] 計(jì)算經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)折反射后，在像平面點(diǎn)在地球上的位置坐標(biāo)，設(shè)瞬時(shí)慣性系下目 標(biāo)位置矢量，從衛(wèi)星指向地面成像點(diǎn)目標(biāo)，在相機(jī)坐標(biāo)系矢量為尺，，關(guān)系式為：
[0032] 及二為從地心指向衛(wèi)星的矢量在軌道系表示，目標(biāo)對(duì)應(yīng)的虛擬相平面下的坐標(biāo)為 Rpi，聯(lián)合地球橢球模型求解矢量及^和及纟；
[0033] 目標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系的變化率為
[0035] 其中，及I為衛(wèi)星在軌道系的位置矢量變化率
為 隨時(shí)間的變化率，
[0036] 求解像移速度矢量:
[0038] 其中，及5.為目標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系的變化率，力為筆在Z軸分量，Vpl Vp2分別為像平 面沿跡向和法向的速度分量標(biāo)量，T為轉(zhuǎn)置。
[0039] 則偏流角β表達(dá)式為：
[0040] β = arctan (Vp2/Vpl) 〇
[0041] 優(yōu)選地，所述步驟C中，為了適應(yīng)擺鏡的連續(xù)擺動(dòng)，進(jìn)行控制期望姿態(tài)角與偏流角 偏差的迭代計(jì)算；在一個(gè)運(yùn)算周期完成當(dāng)前期望姿態(tài)角、當(dāng)前擺鏡擺角下的偏流角偏差值 解算，并經(jīng)過(guò)四元數(shù)運(yùn)算，得到下一運(yùn)算周期的偏流角偏差補(bǔ)償后期的望姿態(tài)角，此時(shí)若擺 鏡擺角有更新，進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償。
[0042] 優(yōu)選地，所述步驟C具體為：
[0043] 當(dāng)前k時(shí)刻的期望姿態(tài)角爐* θ，φ，對(duì)應(yīng)的相對(duì)軌道坐標(biāo)系的控制四元數(shù)：被為：
[0044]
[0045] 其中，爐為X軸期望姿態(tài)角，Θ為Y軸期望姿態(tài)角，φ為Z軸期望姿態(tài)角；
[0046] 根據(jù)收到的偏流角β和擺鏡指令擺角卿，計(jì)算當(dāng)前控制周期的偏流角修正四元 數(shù)qT為：
[0047]
[0048] 根據(jù)四元數(shù)乘法計(jì)算k+1周期的期望姿態(tài)四元數(shù)<+1為：
[0049]
[0050] 其中，?為四元數(shù)乘法，遵循以下計(jì)算關(guān)系：
[0051]
[0052] q。、qi、q2、qj別為四元數(shù)的四項(xiàng)，T為轉(zhuǎn)置；
[0053] 根據(jù)期望姿態(tài)四元數(shù)計(jì)算期望姿態(tài)角識(shí)、θ、φ分別為：
[0057] 通過(guò)引入偏差四元數(shù)和控制期望姿態(tài)迭代的方式，能夠不必判斷星上擺鏡的擺動(dòng) 時(shí)刻，得到平穩(wěn)的姿軌控姿態(tài)控制目標(biāo)值。
[0058] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0059] 1、隨著衛(wèi)星向前飛行，衛(wèi)星對(duì)地視場(chǎng)依靠擺鏡橫向擴(kuò)展，沿航跡向前推掃，在將要 遇到目標(biāo)之前，通過(guò)擺鏡調(diào)整視場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)方向，同時(shí)依靠姿態(tài)調(diào)整實(shí)時(shí)修正偏流角，單次 成像完成后，可繼續(xù)對(duì)多個(gè)地面目標(biāo)進(jìn)行成像。
[0060] 2、將光學(xué)系統(tǒng)的反射光軸，簡(jiǎn)化為鏡面反射后的虛擬光軸，采用帶擺鏡的TDICCD 相機(jī)等同于對(duì)地相機(jī)，可繞本體X軸以二倍擺鏡擺角偏置，以擴(kuò)展對(duì)地視場(chǎng)。
[0061 ] 3、以GPS給出的WGS84坐標(biāo)系下的位置、速度作為偏流角計(jì)算輸入量，更接近工程 應(yīng)用，并且易于地面點(diǎn)目標(biāo)建立聯(lián)系，更方便成像任務(wù)的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證。
[0062] 4、引入偏流角偏差四元數(shù)，可以有效的解決含擺鏡的TDIC⑶推掃相機(jī)對(duì)多目標(biāo) 連續(xù)成像的偏流角補(bǔ)償問(wèn)題。
[0063] 5、在多目標(biāo)成像的典型工況下，通過(guò)前后兩節(jié)拍的期望姿態(tài)角與偏差四元數(shù)的迭 代計(jì)算，可在不判斷擺鏡擺動(dòng)標(biāo)志的情況下，連續(xù)輸出期望姿態(tài)角，擺鏡擺角改變后，產(chǎn)生 的期望姿態(tài)角控制量可在2個(gè)控制節(jié)拍內(nèi)將偏流角偏差修正到0°。
[0064] 6、以期望姿態(tài)角作為偏流角計(jì)算輸入量和偏流角修正姿態(tài)基準(zhǔn)，可以得到相對(duì)平 穩(wěn)的姿態(tài)控制目標(biāo)值，在多目標(biāo)成像的典型工況下，偏流角偏差引起的三軸姿態(tài)突變量小 于〇. 5°，有利于控制系統(tǒng)在較短的時(shí)間內(nèi)跟蹤到位。
[0065] 7、結(jié)合工程應(yīng)用的需求，以WGS84地固系的位置速度、期望姿態(tài)角、擺鏡擺角等作 為偏流角計(jì)算輸入量，以偏流角偏差四元數(shù)解算姿態(tài)控制目標(biāo)姿態(tài)，給出繞瞬時(shí)虛擬光軸 旋轉(zhuǎn)的偏流角補(bǔ)償方法，可在不判斷擺鏡擺動(dòng)標(biāo)志的情況下，連續(xù)輸出期望姿態(tài)角。
【附圖說(shuō)明】
[0066] 通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0067] 圖1為多目標(biāo)連續(xù)成像示意圖；
[0068] 圖2為含擺鏡光學(xué)系統(tǒng)光路圖；
[0069] 圖3為鏡面反射