1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所， 吉林长春30033
2 中国科学院大学， 北京100049
3 中国科学院 天基动态快速光学成像技术重点实验室， 吉林长春100
针对现有算法卫星姿态确定中模型参数估计不准确，系统存在外界干扰下稳定性差和跟踪精度不足的问题，提出一种自适应无迹卡尔曼滤波算法，对卫星三轴姿态进行估计。首先分析了陀螺和星敏组合定姿的工作原理，然后推导了以误差四元数为状态变量的卫星姿态运动学方程。滤波过程中，该算法引入自适应矩阵，对量测噪声协方差矩阵进行调整；依据滤波发散判别准则，对系统噪声协方差矩阵进行自适应修正，抑制滤波过程中可能的发散情形，获得了良好的自适应性能。实验结果表明，在参数估计不准确时，自适应无迹卡尔曼滤波相比鲁棒自适应UKF算法，三轴估计精度的均方根误差（RMSE）分别提升了30.0%，34.1%，22.4%。该算法基本满足卫星姿态确定的高精度、强鲁棒性等要求。
卫星姿态确定 自适应滤波 误差四元数 鲁棒性 satellite attitude determination adaptive filtering error quaternion robustness
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，杭州 310027
针对敏捷成像中的多条带拼接成像模型，对条带图像的拼接重叠度进行仿真分析。建立多条带拼接成像的任务模型和几何退化模型，提出重叠区域宽度阈值的判别准则。针对星下点条带，分析不同场景类型遥感图像的重叠区域宽度阈值，探究了地面分辨率变化对重叠区域宽度阈值的影响。针对敏捷条带，分析了俯仰、横滚等敏捷特性对于重叠阈值的影响。仿真结果表明，在0.46 m地面分辨率下，6类场景类型重叠宽度阈值均在28 pixels以上，其中军港机场、海岛阈值较大，超过31 pixels。阈值统计符合正态分布的3σ原则，证明了阈值求解方式的可信度。星下点成像时地面分辨率变化对像面重叠像素阈值无太大影响，但对地面实际重叠宽度阈值影响较大。而敏捷条带成像时，卫星的俯仰和横滚将会增大条带的重叠宽度阈值，几何变形对阈值的影响超过星下点时地面分辨率的变化。通过对条带拼接重叠度的仿真分析，为敏捷卫星的高分辨率光学成像任务规划提供了有意义的参考。
敏捷卫星 多条带拼接 敏捷成像 重叠区域宽度阈值 场景类型 地面分辨率 卫星姿态 agile satellite multi-strip stitching agile imaging overlap region width threshold scene type ground sample distance satellite attitude
北京理工大学 光电学院 光电成像技术与系统教育部重点实验室, 北京 100081
结合双三次插值处理和基于方向滤波的图像维去模糊算法, 提出了基于波段选择估计图像点扩散函数的高光谱图像盲校正方法, 以降低光谱维冗余信息对复原精度的影响.校正实验结果表明, 提出的方法能够对不同卫星振动模式引入的运动模糊进行有效校正, 能够同时提高高光谱图像空间维质量、减小光谱维失真.
卫星姿态 高光谱成像 盲校正 波段选择 satellite attitudes hyperspectral imaging blind correction band selection
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 航天东方红卫星有限公司, 北京 100094
针对大视场空间相机的像移补偿, 建立了基于坐标变换和姿态动力学的离轴三反大视场空间相机通用像移速度场模型。建模过程中考虑了离轴三反光学系统的离轴角对像移模型的影响, 推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例, 分析了3种典型成像姿态下焦面像移速度和偏流角的分布特点, 研究了卫星姿态稳定度对相机成像质量的影响。分析表明, 卫星三轴姿态稳定度的降低会导致相机焦面动态传递函数(MTF)下降, 其中俯仰姿态稳定度对焦面动态MTF的影响最大; 并且随着积分级数增加, 下降会愈发明显。相机侧摆姿态成像时, 对卫星姿态稳定度的要求更高。以传递函数下降5%为限, 积分级数为96级的大视场空间相机, 要求卫星姿态稳定度控制在0.001(°)/s以内。实验结果验证了文中对卫星姿态稳定度的分析, 证明了像移速度场模型的准确性, 为大视场空间相机像移补偿提供了可靠依据。
空间相机 离轴三反光学系统 像移补偿 像移速度场 卫星姿态稳定度 调制传递函数 space camera off-axis three mirror anastigmat system image motion compensation image motion velocity field satellite attitude stability Modulation Transfer Function(MTF)
1 北京信息科技大学电子信息与控制实验教学中心，北京 100101
2 北京控制工程研究所，北京 100190
为了得到更高分辨率的对地观测图像，就得获得比现阶段更高精度的卫星姿态，因此必须解决卫星高频抖动的测量与处理问题。四频差动激光陀螺具有测量卫星高频抖动和低频抖动的全频带测量能力。结合星敏感器测量精度高的优点，提出了四频差动激光陀螺与星敏感器的联合定姿方案。推导了联合定姿方案中的卡尔曼滤波模型，并使用该模型，对四频差动激光陀螺和星敏感器测量的数据进行融合滤波。仿真结果表明，该联合定姿方案实现了宽频带的卫星微振动测量，从而能获得更高精度的卫星姿态。
四频差动激光陀螺 星敏感器 卫星姿态 高频抖动 卡尔曼滤波 four-mode differential laser gyro star sensor satellite attitude high frequency jitter Kalman filter
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为解决卫星平台振动造成的图像质量下降问题, 提高TDI CCD相机成像质量, 分析了卫星姿态稳定度的范围及影响。讨论了卫星平台振动与TDI CCD成像质量的相关性, 推导了卫星平台姿态稳定度和像移的关系公式, 得出TDI CCD相机对卫星姿态稳定度的要求与轨道高度以及积分级数有关。实验验证了公式推导, 结果显示: 轨道高度越高, 积分级数越大, 对卫星姿态稳定度的要求就越严格。数据表明: 轨道高度在200~1 000 km变化时, 对卫星姿态稳定度的要求从0.037 7 rad/s提升至0.006 35 rad/s; TDI CCD相机的积分级数在1~100间变化时, 对卫星姿态稳定度的要求从0.014 rad/s提升到0.000 14 rad/s。本文工作确定了卫星姿态稳定度和轨道高度以及积分级数的关系, 有助于TDI CCD成像质量的提升。
平台振动 TDICCD相机 卫星姿态 像质 platform vibration TDI CCD camera satellite attitude image quality
1 中国科学院 西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100039
3 西安应用光学研究所, 陕西 西安 710065
研制了空间光电跟踪系统的输出力矩(角动量)和动量自补偿的平衡轮,用于降低光电跟踪系统运动对卫星平台姿态的影响。根据光电跟踪系统对目标捕获和跟踪成像的指标要求, 针对其频繁启动、速度和加速度变化范围大、速度频繁过零等区别于卫星姿态控制用平衡轮的特点, 基于角动量平衡原理设计了一种平衡轮。通过有限元法完成了平衡轮的模态分析和结构优化, 建立了包含平衡轮的光电跟踪系统的机电动力学数学模型, 利用Matlab/Simulink对光电跟踪系统的方位轴系进行了模型的仿真计算。为验证其可行性, 研制了一套平衡轮原理样机, 提出了基于单轴气浮平台的平衡轮性能测试方法, 并完成了模拟方位轴系的残余角动量检测。仿真和试验结果显示, 平衡轮的使用将光电跟踪系统对平台的残余角动量输出减小了96%, 表明所设计的平衡轮结构和控制系统合理可行, 能够满足空间应用的需求。
卫星姿态 光电跟踪转台 动量平衡 平衡轮 气浮台 satellite attitude optoelectronic tracking gimbal momentum balance balance wheel air bearing table
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室,吉林 长春 130033
2 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院,北京 100083
给出了一种应用于小卫星的集成化单轴姿态控制及储能系统。用同轴反转安装的双飞轮进行必要的解耦控制,能够实现卫星在日阳期及日阴期能量的储存与释放,同时对卫星的姿态进行稳定或按照要求调整。通过仿真分析,证明了集成化单轴姿态控制与储能系统方案的正确性,分析了系统参数对控制精度的影响,给出了参数优化途径。搭建了单轴姿态控制与储能实验演示系统并进行了实验,在0～20 000 r/min转速下进行了储能实验,该过程模拟卫星单自由度旋转气浮转台的控制精度优于1.5°,折算到百公斤量级卫星的姿态角波动量为1.8′;以20 000～10 000 r/min的转速进行了放能实验,该过程转台的控制精度优于1.2′,折算到百公斤量级卫星的角度波动量为1.6″,总线电压24 V,电压波动量<1.8%。实验结果表明:单轴姿态控制与储能系统应用于卫星及其它空间飞行器上能够同时完姿态控制和能量需求。
卫星姿态控制 储能与姿态控制一体化系统 双功能飞轮 计算机仿真 satellite attitude control integrated energy storage and attitude control sys double flywheels in single axis computer simulation
1 中国航天科技集团五院513所,山东,烟台,264000
2 中国科学院光电技术研究所,四川,成都,610209
对于卫星姿态滑模变结构控制问题,文献[1]提出了反馈线性化方法,但在病态情形中给出的确定逆矩阵方法涉及一个参数,如果参数过大,则控制精度较差;如果参数过小,则控制能量消耗较大.针对这一问题本文提出了利用广义逆矩阵求解控制律的方法,这种方法不仅控制精度高,而且能够大幅度地节约控制能量.
卫星姿态控制 变结构控制 广义逆矩阵 线性化
1 清华大学电子工程系,北京100084
2 中国科学院西安光学精密机械研究所,西安,710068
由于卫星姿态抖动(俯仰、侧滚和偏航)使得LASIS(大孔径静态干涉成像光谱仪)干涉图产生了非正常的像素偏移量,相邻干涉图之间的非正常偏移量在0.1像素量级或更小,但累积偏移量最多可达上百个像素,必须对干涉图进行校正处理.研究结论为设计正确有效的LASIS图像校正算法提供了参考依据,同时也为卫星平台设计提供了参考.
大孔径静态干涉成像光谱仪 横向剪切干涉仪 干涉图 卫星姿态抖动
