本发明属于遥感器控制领域，涉及一种空间遥感扫描成像系统小惯量自消旋控制方法和系统。
背景技术：
随着空间遥感相机观测范围的扩展及指标要求的提高，扫描成像系统的结构尺寸也随之不断增加，进而导致扫描成像系统对卫星的扰动相应增大。对于卫星平台来说，来自载荷的干扰力矩属于外部干扰源。为了保证卫星平台的姿态稳定性，需要深入剖析外部干扰的特性及变化规律，才能进行有效地抑制。考虑面向载荷产品的整体性设计思路，以及载荷内部特性分析的全面性和自消旋处理可行性，对于大惯量遥感相机扫描成像系统，载荷内部进行自消旋处理成为减少对卫星平台干扰力矩的有效途径。针对空间扫描成像系统的消旋问题，在专利《一种用于扫描成像系统消除像旋的双向控制方法》(田大鹏，王德江.申请(专利)号：cn201310254033.4，公开(公告)号：cn103309363a)中通过等效力矩估计器获得两系统的输出力矩，并作为四通道双向控制器的输入，最终协调消旋系统和扫描成像系统伺服电机的转动，实现消除像旋的目的。其重点在于设计两个系统之间的协调控制器，消除了遥感器图像的旋转，但其中没有具体分析消旋系统转动惯量对整个系统空间体积和重量的影响，因此，未对消旋系统转动惯量进行优化设计。在《微小卫星姿态消旋稳定算法研究》(李立哲，刘勇，潘泉，冯乾，樊丁.电光与控制,2014,21(10):33-36)中，采用磁力矩器作为执行器的姿态稳定控制方法，旨在通过卫星平台的自主控制消除载荷对卫星的干扰。该文献涉及的卫星为微小卫星，而对于微小卫星来说，载荷的干扰可以作为卫星的一个外部扰动源，只需要卫星对外部扰动进行综合考虑来设计姿态控制器即可。因此，不适用于大惯量载荷系统的设计。与其他的外部扰动相比，大惯量扫描系统的干扰量级较大，若仍简单地将载荷的干扰力矩与其他扰动一同引入姿态控制系统，势必造成姿态稳定性控制的困难及控制精度的下降。从所检索的文献和专利可以看出，对于大惯量扫描成像载荷系统的消旋控制来说，从消旋系统转动惯量优化角度开展的工作没有明确的开展。本发明提出了在大惯量扫描成像系统载荷内部完成自消旋控制的方法，使得整个载荷对卫星的干扰与其他扰动源具有近似的量级，便于卫星平台的姿态控制。由此，针对大惯量扫描成像载荷内部的有效自消旋控制方法需要进行更深一步的研究与探索。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：针对大惯量空间遥感器对卫星平台的力矩干扰问题，提出了一种空间遥感扫描成像系统小惯量自消旋控制方法和系统，以减小遥感器载荷的空间体积与重量，在误差补偿过程中引入时间对准器实现同步控制，结合驱动机构设计，保证小惯量消旋系统与扫描成像系统在对应时刻保持力矩的大小相同、方向相反，使得载荷整体作用在卫星平台上的综合干扰力矩满足指标要求。
本发明的技术方案是：一种空间遥感扫描成像系统小惯量自消旋控制方法，步骤如下：
1)规划消旋系统的运动曲线；
2)优化消旋系统的转动惯量；
3)设定时间对准器，获得与扫描成像系统同一时刻的消旋系统角位置
4)设定误差补偿器输出tse；
5)以消旋系统转动惯量最小化为目标，规划消旋系统运动曲线，利用时间对准器校准的消旋系统
所述步骤1)的具体规划方法为：
以扫描成像系统的转动惯量和运动曲线为依据，配置消旋系统转动惯量和运动曲线，消旋系统的运动曲线分为线性段和变速段，消旋系统线性段为匀速运动形式，变速段采用正弦加减速曲线运动形式。
所述步骤2)的具体优化方法为：设扫描成像系统惯量js和变速段运动曲线θs，配置消旋系统的转动惯量je和变速段运动曲线θe，使得满足消旋系统转动惯量最小化的要求。
所述步骤3)中设定时间对准器的具体方法为：
31)预置扫描成像系统角位置指令
32)以扫描成像系统角位置指令
33)根据实际软硬件设计方案，估计反推时间δte，且δte远小于控制周期，与扫描成像系统角位置指令
34)根据步骤1)获得的运动曲线，提取ta时刻的消旋系统角位置指令
所述步骤4)误差补偿器输出tse的具体公式为：
式中，t表示时刻，σ表示控制系数(取σ＝js/je)，δθs表示扫描系统的实际角位置与角位置指令的误差，δθe表示消旋系统的实际角位置与角位置指令的误差，δθse解释表示扫描成像系统实际角位置误差δθs与消旋系统实际角位置误差δθe之间的偏差，
一种空间遥感扫描成像系统小惯量自消旋控制系统，包括扫描成像系统控制器、扫描成像系统、消旋系统控制器、消旋系统、误差补偿器和时间对准器。
扫描成像系统控制器是用于对扫描成像系统进行运动控制。其输入为扫描成像系统角位置指令
时间对准器用于消除扫描系统与消旋系统规划曲线之间的时间误差导致的位置偏差。其输入为扫描成像系统的角位置指令
消旋系统控制器是用于消旋系统的运动控制。其输入为时间对准器获得的消旋系统角位置指令
误差补偿器用于检测扫描成像系统位置误差和消旋系统位置误差的偏差，以此偏差作为基准，对消旋系统进行力矩补偿。其输入为扫描成像系统角位置误差δθs与消旋系统角位置误差δθe之间的偏差δθse，输出为对消旋系统的控制量tse，与消旋系统控制器输出量共同作用，驱动消旋系统运动。
所述扫描成像系统控制器的具体过程为：已知扫描成像系统的转动惯量js和运动曲线角位置指令
所述消旋系统运动曲线规划的具体过程为：以扫描成像系统的转动惯量和运动曲线(注：运动曲线分为线性段和变速段)为依据，配置消旋系统转动惯量和运动曲线，消旋系统的运动曲线分为线性段和变速段，消旋系统线性段为匀速运动形式，变速段采用正弦加减速曲线运动形式。
所述消旋系统转动惯量的具体过程为：设扫描成像系统惯量js和变速段运动曲线θs，配置消旋系统的转动惯量je和变速段运动曲线θe，使得满足消旋系统转动惯量最小化的要求。
所述时间对准器的具体过程为：
1)预置扫描成像系统角位置指令
2)以扫描成像系统角位置指令
3)根据实际软硬件设计方案，估计反推时间δte，且δte远小于控制周期，，与扫描成像系统角位置指令
4)根据步骤1)获得的运动曲线，提取ta时刻的消旋系统角位置指令
所述消旋系统控制器的具体过程为：将时间对准器输出
所述误差补偿器的具体过程为：将扫描成像系统角位置误差δθs和消旋系统角位置误差δθe之间的偏差δθse作为输入，获得控制量tse。
式中，t表示时刻，σ表示控制系数(取σ＝js/je)，δθs表示扫描系统的实际角位置与角位置指令的误差，δθe表示消旋系统的实际角位置与角位置指令的误差，δθse解释表示扫描成像系统实际角位置误差δθs与消旋系统实际角位置误差δθe之间的偏差，
tse作为消旋系统驱动的另一部分，与消旋系统控制器输出量共同作用，实现消旋系统的闭环控制。
本发明相对于现有技术的有益效果：
(1)通过配置消旋系统变速段运动曲线等运动特性，使得扫描系统和消旋系统在变速运动段内的同一时刻力矩大小相同、方向相反，保证了消旋系统和扫描成像系统的驱动形式多样化，提高了机构设计的灵活性与载荷的空间利用率；
(2)优化了消旋系统的转动惯量，使整个遥感载荷配置更加紧凑，进而减小卫星整体空间体积与重量，减轻发射阶段对运载火箭带来的负担，保证了卫星设计对载荷空间体积与重量严格限制的需求；
(3)在误差补偿过程中引入时间对准器实现两系统的同步控制，使得消旋系统和扫描成像系统的力矩大小相同，且保证消旋系统和扫描成像系统输出力矩的时间同步性。
附图说明
图1为本发明设计的扫描成像系统与消旋系统力矩大小相同、方向相同的运动特性示意图，其中实线表示扫描成像系统运动曲线，虚线表示消旋系统运动曲线；子图(a)表示扫描成像系统和消旋系统运动角位置随时间的变化关系；子图(b)表示扫描成像系统和消旋系统速度随时间变化关系；子图(c)扫描成像系统和消旋系统运动加速度随时间的变化关系；子图(d)扫描成像系统和消旋系统对卫星平台输出的干扰力矩随时间的变化关系。
图2为本发明设计的扫描成像系统与消旋系统力矩大小相同、方向相反的运动特性示意图，其中实线表示扫描成像系统运动曲线，虚线表示消旋系统运动曲线；子图(a)表示扫描成像系统和消旋系统运动角位置随时间的变化关系；子图(b)表示扫描成像系统和消旋系统速度随时间变化关系；子图(c)扫描成像系统和消旋系统运动加速度随时间的变化关系；子图(d)扫描成像系统和消旋系统对卫星平台输出的干扰力矩随时间的变化关系。
图3为本发明同步控制系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的工作原理和工作过程做进一步的解释和说明。
已知扫描成像系统的运动特性，包括角位置指令曲线和转动惯量。其中，角位置指令曲线包括：匀速段运动曲线、变速段运动曲线、匀速段时间、变速段时间和变速段运动形式。在扫描成像系统运动过程中，只有变速段会对卫星产生力矩干扰，因此，消旋系统需要在扫描成像系统的变速运动段保证与其在各个时刻的力矩大小相同、力矩方向相反。根据扫描成像系统的特性，设计小惯量消旋系统的运动特性，最终要求保证扫描成像系统和消旋系统同时运动时，载荷整体对卫星平台的干扰力矩满足要求。
具体实施步骤如下：
1、规划消旋系统的运动曲线。本发明通过优化设计消旋系统的变速段运动曲线和转动惯量来实现对扫描成像系统的干扰力矩抵消。消旋系统线性段为匀速运动形式；为了保证匀速段和变速段的运动平滑性，消旋系统变速段采用正弦加减速曲线运动形式。保证消旋系统运动周期与扫描成像系统的运动同步性，匀速段与变速段的总时间为确定项。
综上所述，对于特定扫描成像系统的消旋系统设计，最终可调整项为变速段运动曲线。
2、优化消旋系统的转动惯量。
对于360°旋转型扫描成像系统，一个周期内的匀速段和变速段总运动曲线为确定项，因此，消旋系统设计的最终可调整项为变速段运动曲线。不同转动惯量的消旋系统，其在整个运动周期内的运动形式不同，能够分别进行与扫描成像系统一致的360°旋转运动或者摆扫运动。需根据具体的需求和约束进行选择与优化。
假设扫描成像系统惯量js和变速段运动曲线θs，配置消旋系统的转动惯量je和变速段运动曲线θe，使得满足以下条件：
p＝min{je}，且je≥0,θe≥0
附图1-2描述了消旋系统选取不同的转动惯量和变速段运动曲线时的消旋结果。下面分别阐述消旋系统与扫描成像系统力矩相同和相反时的设计方法，两者的区别在于通过不同的驱动机构设计，使得驱动方向相同或相反。
(1)消旋系统与扫描成像系统力矩方向相反
定义σ为消旋系统转动惯量je和扫描成像系统转动惯量js之比，即σ＝je/js。附图1中，取σ＝1/4，变速段运动曲线设置为-175°～175°，由图1中“时间-角度”关系图可知，所设计的消旋系统运动形式不是360°旋转运动，而是按照左上角图所示，进行摆扫运动。此时，干扰力矩的大小与扫描成像系统相同，方向相反。机构设计时，保证扫描成像系统和消旋系统的驱动方向相同，即当两个系统为同轴设计时，给两系统的电机提供同一信号时，电机的驱动方向相同。
(2)消旋系统与扫描成像系统力矩方向相同
附图2中，取σ＝1/4，变速段运动曲线设置为360°，匀速段运动曲线设置为0，则消旋系统按照附图2左上角图所示，进行360°旋转运动。此时，干扰力矩的大小与扫描成像系统相同，方向相同。机构设计时，保证扫描成像系统和消旋系统的驱动方向相反，即当两个系统为同轴设计时，给两系统的电机提供同一信号时，电机的驱动方向相反。
如上所述，不同转动惯量的消旋系统，其在整个运动周期内的运动形式不同，能够分别进行与扫描成像系统一致的360°旋转运动或者摆扫运动。需根据具体的需求和约束进行选择与优化。
3、设计消旋系统与扫描成像系统的同步控制方法。引入时间对准器，保证消旋系统和扫描成像系统在时间上的同步性。
附图3描述了消旋系统与扫描成像系统的同步控制方法。其中，θs(t)表示t时刻扫描系统的实际输出角位置，θe(t)表示t时刻消旋系统的实际输出角位置，时间对准器具体设计如下：
(1)预置扫描成像系统角位置
(2)以扫描成像系统角位置
(3)估计反推时间δte，与基准角位置对应时刻
(3)根据消旋系统的角位置指令曲线，提取ta时刻的消旋系统角位置
只有保证两系统运动时刻的同步性，才能使得消旋系统充分发挥作用。因此，在时间对准器作用下，两个系统的角位置指令曲线运动得以同步，并分别按照预设的指令曲线完成旋转或摆扫运动。
4、针对消旋系统与扫描成像系统的同步控制，引入误差补偿，对消旋系统的力矩进行补偿。
误差补偿器的作用是将消旋系统与扫描成像系统的误差引入、且仅引入到消旋系统的控制中，这样既不影响扫描成像系统的运动，又可以充分发挥两系统角位置误差在同步控制中的作用。在误差补偿器中，引入的消旋系统与扫描成像系统角位置误差的差值δθse，该偏差项同时隐含了两个系统的位置偏差，与两系统的转动惯量比值相关。设计误差补偿器输出tse如下：
式中，t为时刻，σ表示控制系数，δθs表示扫描系统的实际角位置与角位置指令的误差，δθe表示消旋系统的实际角位置与角位置指令的误差，
为了避免消旋系统的引入对扫描成像系统造成影响，误差补偿器的输出tse仅作为消旋系统的补偿力矩。通过在误差补偿过程中引入时间对准器实现同步控制方法，保证消旋系统和扫描成像系统的输出力矩具有时间同步性，最终实现载荷内部的自消旋控制。
5、建立自消旋控制最小子系统，该子系统包括扫描成像系统控制器、扫描成像系统、消旋系统控制器、消旋系统、误差补偿器和时间对准器。
扫描控制系统控制器是用于对扫描成像系统进行运动控制。其输入为扫描成像系统预置角位置与实际输出角位置的误差δθs，输出为控制扫描系统的控制量θs(t)。
消旋系统控制器是用于消旋系统的运动控制。其输入为消旋系统预置角位置与实际输出角位置的误差δθe，输出为控制消旋系统的控制量θe(t)。
误差补偿器用于检测扫描成像系统位置误差和消旋系统位置误差的偏差，以此偏差作为基准，对消旋系统进行力矩补偿。其输入为扫描成像系统角位置误差δθs与消旋系统角位置误差δθe之间的偏差δθse，输出为对消旋系统的控制量tse。
时间对准器用于消除扫描系统与消旋系统规划曲线之间的时间误差带来的位置偏差。其输入为扫描成像系统的预置角位置
本发明未公开的部分为公知常识。