一种卫星光学载荷的平稳指向机动控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种卫星光学载荷的平稳指向机动控制方法，其包括以下步骤：(1)、稳定卫星本体的姿态；(2)、控制光学载荷的指向机构，使该指向机构指向按既定轨迹机动到目标方位；(3)、控制稳像机构对光轴抖动进行补偿，对目标方位稳定成像。本发明公开的一种卫星光学载荷的平稳指向机动控制方法具有以下有益效果：1、相对卫星本体，指向机构质量体积小，机动速度快，能源消耗少，稳像机构由压电材料驱动，带宽大，可有效补偿指向机构控制误差，抑制光轴抖动。并且载荷光轴的机动过程稳定度高，指向抖动小，轨迹光滑，对目标定向精度和稳定度高；2、为光学载荷提供平稳指向机动，保证其动中成像精度。
【专利说明】
一种卫星光学载荷的平稳指向机动控制方法
技术领域
[0001]本发明属于通信领域，具体涉及一种卫星光学载荷的平稳指向机动控制方法。
【背景技术】
[0002]光学遥感卫星广泛应用在国土勘察、环境监测、抢险救灾、天文观测等领域，在国民经济建设中发挥了重要的作用。
[0003]光学载荷指向稳定度是影响卫星对地成像质量的重要因素，如果光学载荷的指向稳定度低，光轴抖动严重，特别是在载荷机动过程中，卫星观测的图像极易模糊不清。实现卫星高分辨率成像的关键就是提高载荷光轴的指向稳定度。
[0004]通常对光学载荷的指向控制是通过对卫星本体的姿态机动来实现的。但是，一方面由于卫星本体的质量通常较大，姿态机动速度很慢，难以实现载荷的快速指向机动控制；另一方面，卫星本体姿态机动容易引发光学载荷抖动，对于需要高稳定度指向的遥感卫星载荷，卫星本体机动会严重影响载荷光轴的指向稳定度，导致其很难清晰成像。
【发明内容】
[0005]发明目的:本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明公开了一种卫星光学载荷的平稳指向机动控制方法。该方法在对卫星本体稳定控制时通过光学载荷内部指向机构和稳像机构偏转来控制光轴指向，在指向机构对光学载荷指向机动过程中通过稳像机构补偿掉卫星本体传递给光学载荷的抖动，实现星上载荷的高稳定指向。
[0006]技术方案:一种卫星光学载荷的平稳指向机动控制方法，包括以下步骤:
[0007](I)、稳定卫星本体的姿态；
[0008](2)、控制光学载荷的指向机构，使该指向机构指向按既定轨迹机动到目标方位；
[0009](3)、控制稳像机构对光轴抖动进行补偿，对目标方位稳定成像。
[0010]进一步地，步骤(I)中通过比例-微分控制稳定卫星本体的姿态。
[0011]进一步地，步骤(2)所述的光学载荷包括指向机构、反射镜、稳像机构和成像面阵，
[0012]所述反射镜通过螺栓与镜筒固定连接，
[0013]所述成像面阵通过螺栓与镜筒固定连接，
[0014]所述指向机构通过螺栓与镜筒固定连接，力矩电机与所述指向机构传动连接，
[0015]所述稳像机构通过螺栓与镜筒固定连接，压电驱动器与所述稳像机构传动连接。
[0016]有益效果:本发明公开的一种卫星光学载荷的平稳指向机动控制方法具有以下有益效果:
[0017]1、相对卫星本体，指向机构质量体积小，机动速度快，能源消耗少，稳像机构由压电材料驱动，带宽大，可有效补偿指向机构控制误差，抑制光轴抖动。并且载荷光轴的机动过程稳定度高，指向抖动小，轨迹光滑，对目标定向精度和稳定度高；
[0018]2、可以为光学载荷提供平稳指向机动，保证其动中成像精度。
【附图说明】
[0019]图1是本发明公开的一种卫星光学载荷的平稳指向机动控制方法的流程图；
[0020]图2是卫星的基本结构示意图；
[0021 ]图3是光学载荷的结构示意图；
[0022]图4是光学载荷的平稳指向机动控制策略图；
[0023]图5为稳像机构启动逻辑判断流程图；
[0024]其中:
[0025]1-光学载荷2-柔性附件
[0026]3-卫星本体11-指向机构
[0027]12-力矩电机13-反射镜
[0028]14-压电驱动器15-成像面阵
[0029]16-镜筒17-稳像机构
【具体实施方式】
:
[0030]下面对本发明的【具体实施方式】详细说明。
[0031]如图1所示，一种卫星光学载荷的平稳指向机动控制方法，包括以下步骤:
[0032](I)、稳定卫星本体的姿态；
[0033](2)、控制光学载荷的指向机构，使该指向机构指向按既定轨迹机动到目标方位；
[0034](3)、控制稳像机构对光轴抖动进行补偿，对目标方位稳定成像。
[0035]进一步地，步骤(I)中通过比例-微分控制稳定卫星本体的姿态。
[0036]进一步地，步骤(2)所述的光学载荷包括指向机构11、反射镜13、稳像机构17和成像面阵15，
[0037]反射镜13通过螺栓与镜筒16固定连接，
[0038]成像面阵15通过螺栓与镜筒16固定连接，
[0039 ]指向机构11通过螺栓与镜筒16固定连接，力矩电机12与指向机构11传动连接，
[0040]稳像机构17通过螺栓与镜筒16固定连接，压电驱动器14与稳像机构17传动连接。
[0041]步骤(I)中，搭载有光学载荷的卫星的整体结构如图2所示，其主要由卫星本体3，柔性附件2以及光学载荷I三部分组成，光学载荷I和卫星本体3固连，卫星本体3处于稳定状态并且扰源较少，其姿态角抖动幅值小，对星上载荷的光轴指向稳定度影响也小。若卫星本体3的姿态不处于稳态，如卫星进行姿态机动时，此时卫星本体3的姿态角抖动幅值通常很大，极易诱发各种扰动，对载荷光轴的稳定度影响剧烈，在这种情况下，光学载荷I是难以在运动中稳定成像的。因此，稳定卫星本体3的姿态是星上光学载荷I稳定成像的前提条件。
[0042]步骤(I)中，卫星本体处于稳定状态是图4所示系统工作的必要条件。如果卫星本体不处于稳定状态，那么此时指向机构的输出端扰动比较剧烈，指向机构是难以准确跟踪参考信号的。
[0043]步骤(2)中，在卫星处于稳定状态这个前提条件下，图4所示系统可以开始工作。载荷指向机构偏转角度的控制框图如图4中上部分虚线框图所示，其是一个以指向机构输出角度为反馈量的闭环系统，指向机构的输出角通过码盘传感器测量。控制系统中r是参考信号，即需要的指向机构输出的角度，控制器I是一个比例-积分-微分控制器，输出端的输出扰动来源于卫星本体的姿态干扰等干扰因素。
[0044]指向机构工作时，控制器将传感器测得的输出角度和预设的参考值r相比较，根据比较结果生成相应的控制命令并发送给执行机构，执行机构再根据控制信号驱动指向机构的镜面偏转以获得需要的输出角度。
[0045]驱动指向机构偏转的执行机构是力矩电机，其工作时会作用给卫星本体一个驱动力矩的反作用力矩(如图4所示)，由于该反作用力矩的值较大，卫星本体的姿态会因为该力矩的影响而出现较大的抖动，并最终成为指向机构控制回路中的输出端扰动，影响指向机构的控制精度。因此，为了消除力矩电机反作用力矩对卫星本体的姿态影响，在控制指向机构时，卫星本体的姿控执行机构需要给卫星本体一个反作用力矩的前馈项对其进行补偿。
[0046]步骤(2)中指向机构是通过力矩电机驱动的，力矩电机行程大但是控制精度有限，且力矩电机带宽小，无法补偿掉光轴的宽频域抖动量，因此需要采用稳像机构对光轴的抖动进行补偿。
[0047]步骤(2)中的光学载荷的基本结构如图3所示，其主要由指向机构、反射镜、稳像机构以及成像面阵组成，其中指向机构和稳像机构的镜面可偏转。当光学载荷对目标区域成像时，入射光光路如图3所示，其经由指向机构、反射镜和稳像机构最终反射到成像面阵上。通过偏转指向机构的镜面角度即可改变入射光的方位，从而使光学载荷对目标方位成像。指向机构镜面角度的偏转是通过力矩电机驱动的，力矩电机行程大，可确保指向机构的镜面偏转角度足够大从而覆盖需要观测的目标区域。当卫星本体处于稳定状态时，只需控制指向机构的偏转就可实现对目标方位入射光的接收。
[0048]步骤(3)中，当指向机构的角度控制误差e小于设定的阈值ε时稳像机构才开始工作(如图5所示)。稳像机构的角度控制框图如图4中下部分虚线内框图所示。稳像机构偏转角度的控制系统也是一个以稳向机构输出角度为负反馈的闭环系统。控制系统中角度参考值设为O，控制器2是一个比例-积分控制器。
[0049]稳像机构的作用是补偿指向机构指向控制后光轴中的抖动量，为达到这一目的，需将指向机构的角度控制误差引入到稳像机构的控制回路中作为控制系统的输出端扰动以对其进行补偿。由于指向机构的角度控制误差的频带广，既有高频抖动又有低频抖动，因此图4中输出端扰动由两部分组成，一部分是通过步骤2中码盘传感器直接测量得到的指向机构控制的角度误差e，由于直接测量的角度误差通常只能测得低频信号，因此这部分输出端扰动只包含有指向机构角度控制误差中的低频抖动量。输出端扰动的另一部分是高频抖动量，其获取方法是首先通过角速度陀螺测得指向机构的转动角速度，测量得到的转动角速度包含有高频信号，然后将测得的角速度通过一个高通滤波器以滤掉无效的低频信号，再通过一次积分就可得到高频部分的抖动角度。
[0050]稳像机构工作时，控制器将传感器测得的输出角度和参考值O相比较，根据比较结果生成相应的控制命令并发送给执行机构，执行机构再根据控制信号驱动稳像机构的镜面偏转将其保持在O附近。
[0051 ]驱动稳像机构偏转的执行机构是压电材料作动器，同指向机构类似，压电材料作动器也会对星体产生一个反作用力矩，但由于稳像机构的驱动力矩小，该力矩的值相对星体而言可以忽略不计。稳像机构控制回路的输出即为抖动量补偿后的载荷光轴指向。
[0052]本发明的光学载荷的稳定指向机动控制方法包含对载荷光轴的两级控制，第一级为通过指向机构对光轴指向机动进行控制，指向机构控制相对卫星本体姿态机动速度快，因此可以实现光轴指向的大幅值快速机动;第二级为通过稳像机构对光轴指向控制以补偿其抖动量，稳像机构通过压电材料驱动快速控制，可以补偿光轴抖动，光学载荷的光轴在指向机动过程中稳定度高，抖动量小，保证光学载荷动中成像精度。
[0053]上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
【主权项】
1.一种卫星光学载荷的平稳指向机动控制方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)、稳定卫星本体的姿态； (2)、控制光学载荷的指向机构，使该指向机构指向按既定轨迹机动到目标方位； (3)、控制稳像机构对光轴抖动进行补偿，对目标方位稳定成像。2.根据权利要求1所述的一种卫星光学载荷的平稳指向机动控制方法，其特征在于，步骤(I)中通过比例-微分控制稳定卫星本体的姿态。3.根据权利要求1所述的一种卫星光学载荷的平稳指向机动控制方法，其特征在于，步骤(2)所述的光学载荷包括指向机构、反射镜、稳像机构和成像面阵， 所述反射镜通过螺栓与镜筒固定连接， 所述成像面阵通过螺栓与镜筒固定连接， 所述指向机构通过螺栓与镜筒固定连接，力矩电机与所述指向机构传动连接， 所述稳像机构通过螺栓与镜筒固定连接，压电驱动器与所述稳像机构传动连接。
【文档编号】G05D3/12GK105867435SQ201610309061
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】刘磊, 李静, 李青
【申请人】西北工业大学