专利名称：一种航空遥感三轴惯性稳定平台工作模式监控方法
技术领域：
本发明涉及ー种航空遥感三轴惯性稳定平台工作模式监控方法，可用于各类航空遥感惯性稳定平台的工作模式监测与控制。
背景技术：
高分辨率对地观测是航空遥感系统发展的重要方向，但是受大气紊流和载机自身因素的影响，载机机体无法保持平稳匀速飞行，造成安装在载机上的成像载荷视轴摇晃，成像质量下降。航空遥感惯性稳定平台(I nertially Stabilized Platform, ISP)可隔离载机角运动，跟踪当地地理水平，消除干扰カ矩对成像载荷的影响，保证成像载荷稳定成像。三轴惯性稳定平台的工作模式主要分为航摄模式和框架锁紧模式。当工作在航摄模式时，三轴惯性稳定平台控制系统利用高精度位置姿态测量系统(position andorientation system, POS)提供姿态基准,利用光纤陀螺测量的框架相对于惯性空间角速度信息，实现框架位置环和速率环闭环控制，保证遥感载荷相对当地地理系稳定。但当飞机在起飞、降落、变更测绘航线时，平台不再保持相对当地地理系稳定，而是锁定在安全位置，以保护成像载荷和平台自身。并且，当航摄过程中遇到的扰动超过遥感载荷的承受范围或设备发生故障时，ISP应能够发出相应报警。目前，三轴惯性稳定平台利用POS提供的姿态信息监测飞机是否变更测绘航线；利用框架相对角位置信息监测框架是否达到限位。由于现有技术仅依靠姿态和位置信息对ISP运动状态进行监测，无法监测作用在遥感载荷上的扰动大小，不能对ISP的所有运动状态进行监测。因此，需要引入POS测量的遥感载荷三轴角速度，对平台的运动模式进行监测和控制。并且当ISP框架运行在锁紧模式时，需要使用框架相对角速度信息实现速率环闭环。由于ISP中没有专门的角速度传感器，需要基于框架相对角位置信息进行相对角速度计算。通常采用的方法有差分法、卡尔曼滤波法、状态观测器法和非线性跟踪微分器等。其中，差分法是最常用的由位置信息计算速度方法，该方法原理简单，但其噪声放大效应与采样时间成反比，噪声抑制能力较差。并且，由于三轴惯性稳定平台模型參数很难精确測量，卡尔曼滤波或状态观测器法等不适于在ISP中应用。非线性跟踪微分器可以从不连续或者带随机噪声的被测信号中检测出连续信号及其微分信号，能够很好的抑制微分噪声，其计算不依赖于对象模型，跟踪和微分精度随采样频率的増大而提高。非线性跟踪微分器主要应用在自抗扰控制器中，为控制输入安排过渡过程，也可应用在惯性导航领域，提供导航信号的高精度微分。虽然其输出微分的精度很高，但相比于差分法，其运算量较大。并且，非线性跟踪微分器的參数通常凭经验设计，没有统ー的方法。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服常规惯性稳定平台工作模式监控方法的不足，提供一种基于POS提供ISP三轴姿态和速度信息、框架相对角度信息以及非线性跟踪微分器的航空遥感惯性稳定平台工作模式监测与控制方法，提高航空遥感惯性稳定平台的安全性和可靠性。本发明的技术解决方案为ー种航空遥感三轴惯性稳定平台工作模式监控方法，具体步骤如下(I)系统上电，控制系统开始工作；(2) ISP进入框架锁紧模式，使用非线性跟踪微分器输出的框架相对角度Xli和相对角速度X2i信息完成位置环和速率环闭环，其中非线性跟踪微分器參数设计方法如下①对平台航摄过程中框架位置数据进行离线频谱分析，在频谱图中取幅值接近框架角位置传感器精度的信号对应频率，作为非线性跟踪微分器的最、跟踪带宽％，进而得到非线性跟踪微分器“速度因子” r的最小值な。速度因子”！在Γ(ι 5Γ(Ι之间取值，对最小r值进行估计，使非线性跟踪微分器能够快速跟踪位置输入信号；②在步骤①确定r的基础上，令非线性跟踪微分器“滤波因子”Iitl在3h IOh之间取值，对ん进行估计，使非线性跟踪微分器输出的微分信号在延时小于采样步长h的情况下，精度达到最高。(3)使用POS测量ISP各框架相对当地地理系姿态角信息；(4)监测POS测量的ISP各框架相对当地地理系姿态与设定值的偏差I Qi-Qsi |，其中ei*pos测量的ISP框架相对地理系姿态角，esi表示框架相对当地地理系姿态角设定值。若I> σ，σ为3 5倍POS姿态测量精度，清零ISP中的计时器το，转至步骤(3);若I 0i-0si| ( σ，转至步骤(5);(5) ISP中的计时器TO计时，若时间T < τ，其中τ为判断ISP运行平稳的时间标志，取为5 10s，转至步骤(3) ;—T≤τ，ISP中的计时器TO清零，转至步骤(6)；(6) ISP进入航摄模式；(7)使用POS測量遥感载荷相对地理系姿态和相对惯性空间角速度信息；(8)使用非线性跟踪微分器跟踪框架角位置传感器输出并计算框架相对角速度信息；(9)监测POS测量的ISP各框架相对当地地理系姿态与设定值的偏差I Qi-Qsi |，若 I Qi-QsiI ( O，转至步骤(7);若 I Qi-QsiI > O，转至步骤(10)；(10)监测POS测量的ISP相对惯性空间角速度Oi，若| ω」> δ，δ为遥感载荷能够承受的最大角速度，说明此时ISP框架扰动过大，向平台控制系统发出报警，由其调整ISP航摄模式控制參数，转至步骤(7);若IcoiI彡δ，转至步骤(11);(11)监测非线性跟踪微分器输出框架相对角度Xli，若IlXliI-I 0Li|彡ε，其中Θじ为框架最大限位角度，ε为3 5倍框架相对角位置測量精度，转至步骤(2);若
XliI- 0Li I > ε，转至步骤(12)；(12)系统故障，控制系统停止工作。本发明的原理是通过框架位置响应频谱分析和实际框架位置伺服实验设计航空遥感惯性稳定平台用非线性跟踪微分器。然后使用POS測量遥感载荷三轴姿态信息、三轴角速度信息与非线性跟踪微分输出的各框架相对角位置、角速度信息，对ISP的工作模式进行监测和控制。首先，设计ISP用非线性跟踪微分器，ニ阶非线性跟踪微分器的离散形式为
权利要求
1.一种航空遥感三轴惯性稳定平台工作模式监控方法，具体步骤如下 (1)系统上电，控制系统开始工作； (2)ISP进入框架锁紧模式，使用非线性跟踪微分器输出的框架相对角度Xli和相对角速度X2i信息完成位置环和速率环闭环，框架运行至安全位置并锁定； (3)使用POS测量ISP各框架相对当地地理系姿态信息； (4)监测POS测量的ISP各框架相对当地地理系姿态角与设定值的偏差IΘ r Θ si I，其中Θ i SPOS测量的ISP框架相对地理系姿态角，esi为框架相对当地地理系姿态角设定值，若I θ「θ」> O，O为3 5倍POS姿态测量精度，则清零ISP中的计时器Τ0，转至步骤(3);若I 0i-0si| ( σ，转至步骤(5); (5)ISP中的计时器TO计时，若时间！1< τ，其中τ为判断ISP运行平稳的时间标志，取为5 10s，转至步骤(3) ;gT彡τ，ISP中的计时器TO清零，转至步骤(6)； (6)ISP进入航摄模式； (7)使用POS测量遥感载荷相对地理系姿态和相对惯性空间角速度信息； (8)使用非线性跟踪微分器跟踪框架角位置传感器输出并计算框架相对角速度信息； (9)监测POS测量的ISP各框架相对当地地理系姿态与设定值的偏差IΘ r Θ si I，若Θ i- 9 Si I ^ 0，转至步骤(7);若 I Qi-QsiI > O，转至步骤(10); (10)监测POS测量的ISP相对惯性空间角速度Coi，若ICoiI > δ，δ为遥感载荷能够承受的最大角速度，向平台控制系统发出框架扰动过大报警，由其调整ISP航摄模式控制参数，转至步骤(7);若I ω」(δ，转至步骤(11)； (11)监测非线性跟踪微分器输出框架相对角度Xli，若IIxJ-I 0Li ^ ε，其中Θ。为框架最大限位角度，ε为3 5倍框架相对角位置测量精度，转至步骤(2);若XliI- 0Li I > ε，转至步骤(12)； (12)系统故障，控制系统停止工作。
2.根据权利要求I所述的一种航空遥感三轴惯性稳定平台工作模式监控方法，所述步骤(2)中非线性跟踪微分器参数设计方法，其特征在于步骤如下 ①对平台航摄过程中框架位置数据进行离线频谱分析，取幅值接近框架角位置传感器精度的信号对应频率，作为非线性跟踪微分器的最小跟踪带宽％，进而得到非线性跟踪微分器“速度因子” r的最小值为</1.M2 ;速度因子” r在Γ(Τ5Γ(Ι之间取值，对最小r值进行估计，使非线性跟踪微分器能够快速跟踪位置输入信号； ②在步骤①确定r的基础上，令非线性跟踪微分器“滤波因子”Iitl在3h IOh之间取值，对&进行估计，使非线性跟踪微分器输出的微分信号在延时小于采样步长h的情况下，精度达到最闻。
全文摘要
一种航空遥感三轴惯性稳定平台工作模式监控方法。利用基于频谱分析的方法设计航空遥感惯性稳定平台用非线性跟踪微分器，令其实时跟踪框架相对角位置，并计算相对角速度。在此基础上，结合高精度位置姿态测量系统(position and orientation system，POS)输出的载荷姿态和角速度信息，实现航空遥感惯性稳定平台工作模式监测和控制。本发明可实时监测航空遥感惯性稳定平台的工作模式，并在航摄出现异常时及时切换平台工作模式并报警，保证航空遥感惯性稳定平台的安全性和可靠性。
文档编号G01C21/18GK102679979SQ201210155380
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月18日 优先权日2012年5月18日
发明者房建成, 李树胜, 白长瑞, 穆全起, 赵岩, 钟麦英 申请人:北京航空航天大学