專利名稱：：一種衛(wèi)星側擺機動圖像實時傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星圖像實時傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法，尤其涉及一種衛(wèi)星側擺機動圖像實時傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法。技術背景目前低軌衛(wèi)星攜帶的高分辨率輕小型相機幅寬一般為幾十公里，回歸周期高達幾十天，無法保證對地觀察及偵察的時效性，為了使得對全球任意地區(qū)重訪周期縮短為幾天，需要考慮采取某種方式擴大相機的可視范圍。目前我國在軌衛(wèi)星均不具備整星側擺的功能，為了擴大相機的可視范圍，均采用相機擺動或增加擺鏡的方式，比如ZY-1衛(wèi)星采用擺鏡擺動方式，XX-3衛(wèi)星采用相機整機擺動方式，這些方式都需要增加轉動機構，工作不靈活，同時轉動部件會給整星帶來干擾，引起衛(wèi)星姿態(tài)的變化，需要控制分系統(tǒng)來抵消這些干擾，這些工作方式均增加了相機和控制分系統(tǒng)的復雜度。隨著大力矩動量輪、控制分系統(tǒng)理論、現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，整星側擺機動成像技術成為目前傳輸型光學小衛(wèi)星擴大可視范圍最為靈活、有效的手段。衛(wèi)星側擺機動圖像實時傳輸涉及到整星多個分系統(tǒng)，具體技術難點如下(1)如何融合星上敏感器信息和執(zhí)行機構技術，來實現(xiàn)大角度快速側擺機動及機動到位后的穩(wěn)定；(2)在相機成像前，如何保證相機獲得正確的積分時間，以確保曝光時間與飛行速度相匹配，保證圖像清晰；(3)如何配置數(shù)傳天線，保證衛(wèi)星側擺機動后成像數(shù)據(jù)實時下傳至地面站；(4)如何配置測控天線，減小衛(wèi)星大角度側擺對測控弧段的影響，保證實現(xiàn)全階段、全姿態(tài)的衛(wèi)星測控。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術解決問題克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種衛(wèi)星側擺機動圖像實時傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法，降低了相機研制難度，實現(xiàn)了圖像實時傳輸，提高了圖像清晰度和系統(tǒng)可靠性。本發(fā)明的技術解決方案一種衛(wèi)星側擺機動圖像實時傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法，整星采用四副測控天線收發(fā)共用，兩副測控天線對天安裝，另外兩副測控天線對地安裝，使衛(wèi)星側擺后測控天線波束全向覆蓋，其特征在于包括以下步驟(1)采用動量輪控制整星大角度連續(xù)快速側擺機動，側擺機動過程中利用四元數(shù)描述衛(wèi)星姿態(tài)，采用陀螺測量衛(wèi)星姿態(tài)，根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)實時計算衛(wèi)星的偏流角同時對偏航角進行控制，最終使衛(wèi)星側擺機動到設定的側擺角范圍內(nèi)并穩(wěn)定；(2)在衛(wèi)星側擺到位后的偏置飛行階段，采用星敏感器和陀螺對衛(wèi)星進行聯(lián)合定姿，星上控制分系統(tǒng)通過總線將側擺角廣播給GPS接收機，GPS接收機收到側擺角后，根據(jù)衛(wèi)星軌道和綿度實時計算出相機積分時間并通過總線廣播給相才幾，相積4姿此積分時間進行曝光成像；(3)衛(wèi)星采用六根數(shù)傳天線組陣，地面沖艮據(jù)不同側擺角選擇相對應的數(shù)傳天線，將衛(wèi)星側擺到位后成像數(shù)據(jù)實時傳輸至地面站。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明使用動量輪實現(xiàn)了整星的側擺機動，避免了由于相機轉動或相機擺鏡擺動對衛(wèi)星姿態(tài)的干擾，降低了相機研制的難度，在衛(wèi)星側擺機動過程中采用四元數(shù)描述衛(wèi)星姿態(tài)，避免采用歐拉角描述帶來的奇異性問題，實現(xiàn)更為簡單，在側擺到位后的穩(wěn)定過程中進行偏流角控制，保證了側擺飛行時整星三軸姿態(tài)控制精度優(yōu)于o.r、整星三軸姿態(tài)穩(wěn)定度優(yōu)于o.ooi7s。(2)本發(fā)明采用現(xiàn)場總線控制技術將衛(wèi)星側擺角、積分時間廣播至相關分系統(tǒng)，實現(xiàn)星上數(shù)據(jù)共享，采用GPS接收機實時自主計算相機積分時間，確保相機曝光時間與飛行速度相匹配，保證圖像清晰。(3)本發(fā)明采用六根數(shù)傳天線組陣方案實現(xiàn)了整星不同側擺角度的實時圖像傳輸，提高了系統(tǒng)可靠性，采用四副測控天線收發(fā)共用，避免了衛(wèi)星側擺后對測控弧段的影響。圖1為本發(fā)明的工作過程原理圖；圖2為本發(fā)明衛(wèi)星側擺20。三軸姿態(tài)角曲線圖；圖3為本發(fā)明衛(wèi)星側擺20。三軸姿態(tài)角速度曲線圖；圖4為本發(fā)明數(shù)傳天線和測控天線組陣圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細地描述如圖1所示，本發(fā)明的工作過程如下(1)用戶根據(jù)觀測目標計算出整星需要側擺的角度，例如衛(wèi)星當前姿態(tài)角為0°(即滾動角、俯仰角、偏航角均為0°)，要求衛(wèi)星向東側擺20。(即滾動角為20°,俯仰角、偏航角均為0。，即目標姿態(tài))。接到側擺指令后星上控制計算機利用四元數(shù)描述衛(wèi)星姿態(tài)，其中衛(wèi)星姿態(tài)角按照如下公式來轉換成四元數(shù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中p、0、^分別為衛(wèi)星的滾動角(即側擺角)、俯仰角和偏航角。在側擺機動過程中，采用陀螺測量衛(wèi)星的當前姿態(tài)f，，當前姿態(tài)f，和目標姿態(tài)f,作為PD控制律的輸入進行負反饋控制，星上控制計算機根據(jù)PD控制率的輸出按下式實時計算衛(wèi)星的偏流角式中:^=tan-p為衛(wèi)星側擺角；z'為衛(wèi)星傾角；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>化為地球自轉角速度；化為衛(wèi)星轉動角速度；"為軌道半長軸；i^為地球平均半徑；/為真近點角。星上安有4個機電一體化動量輪對整星進行側擺機動，其中三個機電一體化動量輪沿衛(wèi)星的三個主軸以正交結構安裝在衛(wèi)星的星體上，另外一個機電一體化動量輪與衛(wèi)星的三個主軸均成等角度傾斜安裝，機電一體化的動量輪的最大輸出力矩為0.11Nm，如可以采用德國Teldix公司等的機電一體化動量輪。在側擺過程中，控制安裝在滾動方向即X軸的動量輪快速減速，從標稱轉速1450rpm減小到約1050rpm,并輸出最大為0.11Nm的控制力矩，控制整星繞滾動軸正向轉動，當側擺機動快到位時，X動量輪從1050rpm加速到1450rpm,回到標稱轉速，同時其他3個動量輪相互配合控制保證整星的穩(wěn)定度，最終使衛(wèi)星向東側擺20°,側擺到位時間約90秒。側擺到位至衛(wèi)星穩(wěn)定約為90秒，在衛(wèi)星側擺到位后的穩(wěn)定過程中，星上控制計算機根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)按下式實時計算衛(wèi)星的偏流角^，由控制計算才幾根據(jù)實時計算的衛(wèi)星偏流角^，輸出控制電壓至動量輪對偏航角進行控制從而確保衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定，即衛(wèi)星航跡方向與相機CCD線陣垂直。—0esin/cos(o+/)cossin-1(丄'sin、"K+0ecos/)cossin-1'sin式中A為地5求平均半徑；f為衛(wèi)星傾角；^為為地球自轉角速度;化為為衛(wèi)星轉動角速度;fl為為軌道半長軸；/為真近點角。側擺機動過程中三軸姿態(tài)角和角速度曲線如圖2、圖3所示，從圖中可見，在90s內(nèi)衛(wèi)星側擺機動到位，在90s180s,衛(wèi)星穩(wěn)定到位，滿足姿態(tài)控制精度優(yōu)于0.1°、三軸姿態(tài)穩(wěn)定度優(yōu)于0.0017s的要求。(2)在側擺到位后的偏置飛行階段，采用高精度星敏感器輸出數(shù)據(jù)修正陀螺常值漂移，從而確保在側擺飛行時整星姿態(tài)確定精度優(yōu)于0.03。、控制精度優(yōu)于O.T、整星姿態(tài)穩(wěn)定度優(yōu)于0.0017s。在衛(wèi)星側擺到位后的偏置飛行階段，星上控制計算機通過CAN總線按照總線通信協(xié)議將衛(wèi)星姿態(tài)，即側擺角20°廣播給GPS接收機，GPS接收機收到衛(wèi)星的側擺角后，根據(jù)高精度衛(wèi)星軌道和緯度實時計算出衛(wèi)星速度F:式中=398600.5km3/s2;凡為地球平均半徑；H為衛(wèi)星高度；①為綿度；;為衛(wèi)星傾角；化為地球自轉角速度。根據(jù)衛(wèi)星速度r,GPS接收機計算出相機積分時間。計算公式如下—游式中d為相機像元尺寸；/為相才幾焦距。GPS接收機將計算出的積分時間向CAN總線廣播，避免以往地面上注積分時間控制精度不高、實時性不強的缺點。相機開機后，收到廣播的相機積分時間，相機積分時間電路按照此積分時間調(diào)整進行成^f象，確保曝光時間與飛行速度相匹配，保證圖像清晰。(3)為了實現(xiàn)側擺后實時數(shù)傳，滿足用戶對實時數(shù)據(jù)下傳的需求，在數(shù)傳天線構型上，采用多天線組陣方案，可根據(jù)衛(wèi)星側擺不同角度實時數(shù)傳的要求，將數(shù)傳天線按不同角度擺放，將衛(wèi)星側擺到位后成傳_數(shù)據(jù)實時傳輸至地面站。。如圖4所示，衛(wèi)星數(shù)傳天線采用六根數(shù)傳天線組陣，三根天線一組，其中一組(三根)數(shù)傳天線與衛(wèi)星+Z方向分別呈0。、+12°、+24°擺放，另一組(三根)數(shù)傳天線與衛(wèi)星的+Z方向呈0°、-12°、-24°擺放，衛(wèi)星側擺不同角度時選擇不同數(shù)傳天線，以保證衛(wèi)星側擺照相實時數(shù)傳時地面站能夠接收到數(shù)據(jù)，其中TX10為備份天線。衛(wèi)星在不同側擺角下應用的數(shù)傳天線如表1所示。表1衛(wèi)星不同側擺角下對應的數(shù)傳天線<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>衛(wèi)星側擺后，在某一特定的邊界條件下(低仰角測控、衛(wèi)星側擺大角度、在邊境東部向東側擺及西部邊境向西側擺)會小量地減少某一測控弧段，對星地測控產(chǎn)生一定的影響。為了減小衛(wèi)星側擺后對測控弧段的影響，在測控天線的配置上，采用四副同頻圓極化測控天線收發(fā)共用，其中2副測控天線安裝在對天面，2副測控天線安裝在對地面，波束的準全向覆蓋實現(xiàn)全階段、全姿態(tài)的衛(wèi)星測控，地面測控站通過星上應答機、遙控單元和星務計算機與星上測控天線進行通信完成對衛(wèi)星側擺機動地測控任務。本發(fā)明未詳細描述的內(nèi)容為本領域技術人員/^知4支術。權利要求1、一種衛(wèi)星側擺機動圖像實時傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法，整星采用四副測控天線收發(fā)共用，兩副測控天線對天安裝，另外兩副測控天線對地安裝，使衛(wèi)星側擺后測控天線波束全向覆蓋，其特征在于包括以下步驟(1)動量輪控制整星大角度連續(xù)快速側擺機動，側擺機動過程中利用四元數(shù)描述衛(wèi)星姿態(tài)，采用陀螺測量衛(wèi)星姿態(tài)，根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)實時計算衛(wèi)星的偏流角同時對偏航角進行控制，最后采用動量輪使衛(wèi)星側擺機動到設定的側擺角范圍內(nèi)并穩(wěn)定；(2)在衛(wèi)星側擺到位后的偏置飛行階段，采用星敏感器和陀螺對衛(wèi)星進行聯(lián)合定姿，星上控制分系統(tǒng)通過總線將側擺角廣播給GPS接收機，GPS接收機收到側擺角后，根據(jù)衛(wèi)星軌道和緯度實時計算出相機積分時間并通過總線廣播給相機，相機按此積分時間進行曝光成像；(3)衛(wèi)星采用六根數(shù)傳天線組陣，地面根據(jù)不同側擺角選擇相對應的數(shù)傳天線，將衛(wèi)星側擺到位后成像數(shù)據(jù)實時傳輸至地面站。2、根據(jù)權利要求的1所述的一種衛(wèi)星側擺機動圖像實時傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法，其特征在于所述步驟(1)中的動量輪為機電一體化動量輪，最大輸出力矩為0.11Nm。3、根據(jù)權利要求的1所述的一種衛(wèi)星側擺機動圖像實時傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法，其特征在于所述步驟(1)中偏流角的計算公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中p為衛(wèi)星側擺角；/為衛(wèi)星傾角；^為地球自轉角速度;w為衛(wèi)星轉動角速度；a為軌道半長軸；Re為地還應平均半徑；f為真近點角。4、根據(jù)權利要求的1所述的一種衛(wèi)星側擺機動圖像實時傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法，其特征在于所述步驟(2)中的總線為CAN總線。5、根據(jù)權利要求的1所述的一種衛(wèi)星側擺機動圖像實時傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法，其特征在于所述GPS接收機根據(jù)衛(wèi)星軌道和綿度實時計算相機積分時間的計算公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中=398600.5km3/s2;Re為地球平均半徑；H為衛(wèi)星高度；o為衛(wèi)星綿度；z為衛(wèi)星傾角；^為衛(wèi)星自轉角速度；r為衛(wèi)星速度；d為相沖幾像元尺寸；/為相才幾焦距。6、根據(jù)權利要求的1所述的一種衛(wèi)星側擺機動圖像實時傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法，其特征在于所述步驟(3)中的六根數(shù)傳天線，三根數(shù)傳天線為一組，第一組的三根數(shù)傳天線分別與衛(wèi)星的+Z方向呈0°、+12°、+24°，第二組的三根數(shù)傳天線分別與衛(wèi)星的+Z方向呈0。、-12°、-24°。全文摘要一種衛(wèi)星側擺機動圖像實時傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法，整星采用四副測控天線收發(fā)共用，使衛(wèi)星側擺后測控天線波束全向覆蓋，動量輪控制整星大角度連續(xù)快速側擺機動，側擺機動過程中采用陀螺測量衛(wèi)星姿態(tài)，并實時計算衛(wèi)星的偏流角同時對偏航角進行控制，使衛(wèi)星側擺機動到設定的側擺角范圍內(nèi)并穩(wěn)定；在衛(wèi)星偏置飛行階段，采用星敏感器和陀螺對衛(wèi)星進行聯(lián)合定姿，GPS接收機根據(jù)衛(wèi)星軌道和緯度實時計算相機積分時間，相機按此積分時間進行曝光成像，衛(wèi)星通過組陣數(shù)傳天線將側擺到位后的成像數(shù)據(jù)實時傳輸至地面站。本發(fā)明實現(xiàn)了衛(wèi)星大角度側擺機動，從而降低了由于相機擺動或增加擺鏡而造成的相機研制難度增加，擴大了衛(wèi)星的可視范圍，提高了衛(wèi)星的重訪周期。文檔編號G01C11/00GK101226058SQ20081005733公開日2008年7月23日申請日期2008年1月31日優(yōu)先權日2008年1月31日發(fā)明者伍保峰,崔玉福,李琳琳,時鐘,陸春玲申請人:航天東方紅衛(wèi)星有限公司