多目标连续成像偏流角补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航天空间遥感成像任务技术领域，尤其涉及一种依靠航天飞行器进行 同轨道多目标连续成像时的多目标连续成像偏流角补偿方法。
【背景技术】
[0002] TDICCD相机采用延时积分作为接收器，通过多次曝光解决传统面阵相机通光量不 足的问题，相机光学系统可采用小相对孔径的折返式或全反射式光学系统，直接降低了光 学载荷的体积。相机工作时，需要保证线阵推扫方向与目标像移速度方向保持一致，并实现 光生电荷包转移速度与目标像移速度匹配以确保成像质量，当存在偏差时，像移速度方向 与推扫方向的夹角，即为偏流角。偏流角主要受地球自转和飞行器运动位置、速度、姿态参 数、相机安装、大气折射等、平台振动的影响，若成像时偏流角存在大的计算误差或补偿不 到位，将导致相机MTF传递函数的下降，直接导致图像质量的下降。因此，随着对地卫星遥 感任务带来的TDICCD相机应用的增多，偏流角补偿问题一直是业界的研究热点。
[0003] 传统的偏流角补偿问题，一般研究相机固定安装于卫星，光轴沿本体系Z轴，且不 含摆镜的情况。对地面目标的成像时偏流角补偿依靠卫星偏航轴的对偏流角的姿态导引， 对地面视场的扩展，通常依靠卫星姿态的滚动或俯仰偏置。目前，未见对含摆镜的相机偏流 角研究和多任务连续成像任务下的偏流角补偿方法的研究。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术中存在的搭载含摆镜的TDICCD相机执行多目标连续成像任 务时，相机通过摆镜实现对地视场的扩展，由于摆镜的连续运动导致了相机光轴的连续改 变，卫星不能按常规的方式，绕偏航轴进行偏流角的补偿的问题，提出了一种多目标连续成 像偏流角补偿方法，该方法结合工程应用的需求，以WGS84地固系的位置速度、期望姿态 角、摆镜摆角等作为偏流角计算输入量，以偏流角偏差四元数解算姿态控制目标姿态，给出 绕瞬时虚拟光轴旋转的偏流角补偿方法，可在不判断摆镜摆动标志的情况下，连续输出期 望姿态角。
[0005] 为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
[0006] -种多目标连续成像偏流角补偿方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤A、建立含摆镜相机的等效光路；
[0008] 步骤B、计算像移速度与偏流角；
[0009] 步骤C、计算用于姿态补偿的偏流角偏差四元数。
[0010] 优选地，所述步骤A中，将光学系统的反射光轴，简化为镜面反射后的虚拟光轴， 带摆镜的TDICCD推扫相机等同于对地相机，带摆镜的TDICCD推扫相机绕本体X轴以二倍 摆镜摆角偏置，进而扩展对地视场。
[0011] 优选地，所述步骤B中，以GPS给出的WGS84坐标系下的位置、速度作为偏流角 计算输入量，由GPS测得的当前时刻卫星地固系的位置R，速度V，建立瞬时惯性参考系 OeX1Y1Z1，原点为地心Oe，O eX1轴在地球赤道平面内，指向GPS时亥Ij的地固系X轴方向；O J1轴 垂直于地球真赤道平面，与地球自转角速度矢量方向一致；0，1与0 OJ1构成右手坐标 系；基于地球自转引起的牵连速度，得到瞬时惯性参考系I下的位置iC，速度匕：
[0013] 式中，Uf3为地球自转角速度；
[0014] 计算相关的坐标变换矩阵的表达式，卫星轨道系到瞬时惯性系的相互转换矩阵 为：
[0015] A10= [e x ey ej，A01= A J
[0016] 式中Acil为Alci的转置，表示从惯性系到轨道系的转移矩阵，e x ey ez分别为三个单 位列向量，产生方式如下：
[0021] 设Cx ( α )，Cy ( α )，Cz ( α )分别为绕被转动的坐标系的X轴、Y轴、Z轴的旋转矩阵， 从卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系的变换矩阵Abci为：
[0022]
[0023] 式中，Θ、识、φ分别为绕被转动的坐标系的X轴、Y轴、Z轴的旋转角度，Acib为本 体系到轨道系转移矩阵；
[0024] 从卫星本体系到虚拟相机系的转换矩阵^为：
[0025]
[0026] 式中，为带摆镜的TDICCD推扫相机摆过的角度，Mbe为相机系到本体系转移矩 阵；
[0027] 设Rpi为目标在虚拟像平面矢量，为目标在相机系下的矢量，则有如下关系：
[0029] 其中，f为焦距，h为物距；
[0030] 计算经光学系统折反射后，在像平面点在地球上的位置坐标，设瞬时惯性系下目 标位置矢量，从卫星指向地面成像点目标，在相机坐标系矢量为尺，，关系式为：
[0032] 及二为从地心指向卫星的矢量在轨道系表示，目标对应的虚拟相平面下的坐标为 Rpi，联合地球椭球模型求解矢量及^和及纟；
[0033] 目标在相机坐标系的变化率为
[0035] 其中，及I为卫星在轨道系的位置矢量变化率
为 随时间的变化率，
[0036] 求解像移速度矢量:
[0038] 其中，及5.为目标在相机坐标系的变化率，力为笔在Z轴分量，Vpl Vp2分别为像平 面沿迹向和法向的速度分量标量，T为转置。
[0039] 则偏流角β表达式为：
[0040] β = arctan (Vp2/Vpl) 〇
[0041] 优选地，所述步骤C中，为了适应摆镜的连续摆动，进行控制期望姿态角与偏流角 偏差的迭代计算；在一个运算周期完成当前期望姿态角、当前摆镜摆角下的偏流角偏差值 解算，并经过四元数运算，得到下一运算周期的偏流角偏差补偿后期的望姿态角，此时若摆 镜摆角有更新，进行自适应补偿。
[0042] 优选地，所述步骤C具体为：
[0043] 当前k时刻的期望姿态角炉* θ，φ，对应的相对轨道坐标系的控制四元数：被为：
[0044]
[0045] 其中，炉为X轴期望姿态角，Θ为Y轴期望姿态角，φ为Z轴期望姿态角；
[0046] 根据收到的偏流角β和摆镜指令摆角卿，计算当前控制周期的偏流角修正四元 数qT为：
[0047]
[0048] 根据四元数乘法计算k+1周期的期望姿态四元数<+1为：
[0049]
[0050] 其中，?为四元数乘法，遵循以下计算关系：
[0051]
[0052] q。、qi、q2、qj别为四元数的四项，T为转置；
[0053] 根据期望姿态四元数计算期望姿态角识、θ、φ分别为：
[0057] 通过引入偏差四元数和控制期望姿态迭代的方式，能够不必判断星上摆镜的摆动 时刻，得到平稳的姿轨控姿态控制目标值。
[0058] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0059] 1、随着卫星向前飞行，卫星对地视场依靠摆镜横向扩展，沿航迹向前推扫，在将要 遇到目标之前，通过摆镜调整视场对准目标方向，同时依靠姿态调整实时修正偏流角，单次 成像完成后，可继续对多个地面目标进行成像。
[0060] 2、将光学系统的反射光轴，简化为镜面反射后的虚拟光轴，采用带摆镜的TDICCD 相机等同于对地相机，可绕本体X轴以二倍摆镜摆角偏置，以扩展对地视场。
[0061 ] 3、以GPS给出的WGS84坐标系下的位置、速度作为偏流角计算输入量，更接近工程 应用，并且易于地面点目标建立联系，更方便成像任务的设计与仿真验证。
[0062] 4、引入偏流角偏差四元数，可以有效的解决含摆镜的TDIC⑶推扫相机对多目标 连续成像的偏流角补偿问题。
[0063] 5、在多目标成像的典型工况下，通过前后两节拍的期望姿态角与偏差四元数的迭 代计算，可在不判断摆镜摆动标志的情况下，连续输出期望姿态角，摆镜摆角改变后，产生 的期望姿态角控制量可在2个控制节拍内将偏流角偏差修正到0°。
[0064] 6、以期望姿态角作为偏流角计算输入量和偏流角修正姿态基准，可以得到相对平 稳的姿态控制目标值，在多目标成像的典型工况下，偏流角偏差引起的三轴姿态突变量小 于〇. 5°，有利于控制系统在较短的时间内跟踪到位。
[0065] 7、结合工程应用的需求，以WGS84地固系的位置速度、期望姿态角、摆镜摆角等作 为偏流角计算输入量，以偏流角偏差四元数解算姿态控制目标姿态，给出绕瞬时虚拟光轴 旋转的偏流角补偿方法，可在不判断摆镜摆动标志的情况下，连续输出期望姿态角。
【附图说明】
[0066] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0067] 图1为多目标连续成像示意图；
[0068] 图2为含摆镜光学系统光路图；
[0069] 图3为镜面反射