49] 在姿态角为三轴零姿态情况下，设摆镜摆角为15°、7.5°、0°、-7.5°、-15°时， 偏流角如图4所示。
[0150] 图4中，卫星初始时刻处于轨道升交点，仿真了先升轨再降轨的一个轨道周期，可 以看出，偏流角全球成正弦规律变化。由于摆镜的动作引起了同一个位置偏流角的改变。表 1给出了不同摆角下的偏流角的极值。
[0151] 表1不同摆角时的偏流角极值
[0152]
[0153] 2、多目标连续成像工况
[0154] 选取上一节仿真周期中北炜30°附近（25.26° N~35.93° N，对应过升交点 38min~41min期间）这一典型区域，作为本节的仿真区间，用以验证偏差四元数补偿方法 的有效性。
[0155] 作为对比，首先给出摆镜锁定在0°时，卫星正对星下点成像模式的仿真结果，卫 星摆镜工作时序如表2所示，其中"姿轨控是否跟踪偏流角"一项，"否"代表姿态控制目标 是三轴0姿态，未跟踪偏流角偏差，"是"代表引入了偏流角偏差补偿四元数，姿态控制目标 是期望姿态角。
[0156] 表2摆镜工作时序
[0157]
[0158] 图5给出了偏流角偏差随摆镜工作时序变化情况，可以看出未修正偏流角时，偏 流角偏差在3°~3. 5°之间，修正偏流角偏差后，在期望姿态角状态下，偏流角为0°。
[0159] 图6给出了期望姿态角的变化情况，在不跟踪偏流角时，三轴期望姿态角为均为 0°，卫星本体系的控制目标为与轨道坐标系重合的正对地姿态。第21s开始跟踪偏流角 后，卫星产生了偏航轴的偏流角跟踪补偿量。
[0160] 下面给出对多目标连续成像模式下的仿真验证，为确保仿真一般性，在-15°~ 15°内，每20s随机产生一个摆镜指令摆角，对应相应的地面目标，卫星摆镜工作时序如表 3和图7。
[0161] 表3摆镜工作时序
[0162]
[0163] 图8给出了偏流角偏差随摆镜工作时序变化情况，可以看出未修正偏流角时，偏 流角偏差在3°~3. 5°之间，在开始跟踪偏流角后，每次摆镜动作时，引起了 0.5°内的偏 流角偏差突变量，随着期望姿态角对偏流角偏差的补偿，2个节拍内偏流角偏差已接近为 0° 〇
[0164] 图9、图10给出了期望姿态角的变化情况，在不跟踪偏流角时，三轴期望姿态角为 均为0°，卫星本体系的控制目标为与轨道坐标系重合的正对地姿态。第21s开始跟踪偏流 角后，卫星期望姿态角随着摆角变化而变化。由于虚拟光轴因摆镜摆角而改变，此时的期望 姿态角控制目标在三个轴都有分量，卫星进行了绕虚拟光轴的偏流角偏差修正。
[0165] 卫星姿态控制系统需要在一定时间内完成偏流角的跟踪，由图10可以看出，典型 工况下姿态角控制的突变量在〇. 5°以内，有利于卫星平台控制系统在较短的时间内跟踪 到位。
[0166] 综上所述，本发明为了解决含摆镜的TDICCD推扫相机多目标成像时的偏流角补 偿问题，本文对任务特点和等效光路进行了分析，推导了像移速度矢量和偏流角的计算过 程，并以期望姿态角作为偏流角解算的输入量，提出了基于偏差四元数的偏流角补偿方法： 得到如下结论：
[0167] 1)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；
[0168] 2)引入偏流角偏差四元数，可以有效的解决含摆镜的TDICCD推扫相机对多目标 连续成像的偏流角补偿问题，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个节拍内将偏流角偏差修正到0° ;
[0169] 3)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。
[0170] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述 特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影 响本发明的实质内容。
【主权项】
1. 一种多目标连续成像偏流角补偿方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤A、建立含摆镜相机的等效光路； 步骤B、计算像移速度与偏流角； 步骤C、计算用于姿态补偿的偏流角偏差四元数。2. 根据权利要求1所述的多目标连续成像偏流角补偿方法，其特征在于，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IDICCD推扫相机等 同于对地相机，带摆镜的IDICCD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。3. 根据权利要求1所述的多目标连续成像偏流角补偿方法，其特征在于，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OJ1Y1Z1，原点为地心Oe，OJ1轴在地 球赤道平面内，指向GPS时刻的地固系X轴方向；OJ1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；。，,与OJpCIZ1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<，速度@ :式中，w^为地球自转角速度； 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Alci为： Aio=[exeyej,Aoi=Aio 式中Acil为A1C]的转置，表示从惯性系到轨道系的转移矩阵，exeyez分别为三个单位列向 量，产生方式如下：设Cx(a)，Cy(a)，Cz (a)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：式中，0、供、it分别为绕被转动的坐标系的X轴、Y轴、Z轴的旋转角度，AcibS本体系 到轨道系转移矩阵； 从卫星本体系到虚拟相机系的转换矩阵兄,为：式中，2识6?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； 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：其中，f为焦距，h为物距； 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iSg,从卫星指向地面成像点目标，在相机坐标系矢量为/?:,，关系式为：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:?和及| 目标在相机坐标系的变化率#为其中，1^为@卫星在轨道系的位置矢量变化率皮!=[〇 〇 ,左^为随时其中，为目标在相机坐标系的变化率，為为在Z轴分量，VplVp2分别为像平面沿迹 向和法向的速度分量标量，T为转置； 则偏流角P表达式为： 0. arctan (Vp2/Vpl)〇4. 根据权利要求1所述的多目标连续成像偏流角补偿方法，其特征在于，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。5. 根据权利要求4所述的多目标连续成像偏流角补偿方法，其特征在于，所述步骤C具 体为：其中，夕为X轴期望姿态角，0为Y轴期望姿态角，也为叾轴期望姿态角； 根据收到的偏流角0和摆镜指令摆角计算当前控制周期的偏流角修正四元数qT 为：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 亥IJ，得到平稳的姿轨控姿态控制目标值。
【专利摘要】本发明提供了一种多目标连续成像偏流角补偿方法，包括如下步骤：步骤A、建立含摆镜相机的等效光路；步骤B、计算像移速度与偏流角；步骤C、计算用于姿态补偿的偏流角偏差四元数。本发明解决了搭载含摆镜的TDICCD相机执行多目标连续成像任务时，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，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。
【IPC分类】G01C25/00
【公开号】CN105043417
【申请号】CN201510466171
【发明人】崔本杰, 成飞, 陈锋, 范凯, 张健
【申请人】上海卫星工程研究所
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年7月31日