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技术方案

本发明专利技术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，方法为：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

A small inertia self rotation control method and system for space remote sensing scanning imaging system

A method and system of small inertia self raceming control for space remote sensing scanning imaging system, the method is: 1) planning the motion curve of the raceme system; 2) optimizing the rotational inertia of the raceme system; 3) setting the time aligner, obtaining the angular position of the raceme system at the same time with the scanning imaging system.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：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。本专利技术的技术方案是：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为控制输入，引入误差补偿Tse，对整个扫描成像系统进行消旋控制。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和消旋系统角位置指令32)以扫描成像系统角位置指令为基准，反推对应的时刻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对应时刻进行加权，获得准确的反推时间为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，表示Δθse对时间t求二次导。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与实际角位置θs(t)的误差Δθs，输出为控制扫描系统的控制量，用于驱动扫描系统运动；扫描成像系统控制器将采集的实际角位置θs(t)反馈到输入端参与系统闭环控制。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输出为与扫描成像系统同步时刻的消旋系统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与实际角位置θe(t)的误差Δθe，输出为控制消旋系统的控制量，用于驱动消旋系统运动；消旋系统控制器将采集的实际角位置θe(t)反馈到输入端参与系统闭环控制。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设计扫描成像系统控制器，以和反馈到扫描系统实际角位置θs(t)之间的误差Δθs为输入，获得系统控制量，实现扫描成像系统的闭环控制；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和消旋系统角位置指令2)以扫描成像系统角位置指令为基准，反推对应的时刻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对应时刻进行加权，获得准确的反推时间为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并将其作为消旋系统控制器的输入；所述消旋系统控制器的具体过程为：将时间对准器输出与消旋系统实际角位置θe(t)的偏差Δθe作为消旋系统控制器的输入，获得系统控制量，作为消旋系统驱动的一部分；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和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间遥感扫描成像系统小惯量自消旋控制方法，其特征在于步骤如下：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

【技术特征摘要】
1.一种空间遥感扫描成像系统小惯量自消旋控制方法，其特征在于步骤如下：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为控制输入，引入误差补偿Tse，对整个扫描成像系统进行消旋控制。2.根据权利要求1所述的一种空间遥感扫描成像系统小惯量自消旋控制方法，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一种空间遥感扫描成像系统小惯量自消旋控制方法，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述的一种空间遥感扫描成像系统小惯量自消旋控制方法，其特征在于：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和消旋系统角位置指令32)以扫描成像系统角位置指令为基准，反推对应的时刻33)根据实际软硬件设计方案，估计反推时间Δte，所述Δte远小于控制周期，与扫描成像系统角位置指令对应时刻进行加权，获得准确的反推时间为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5.根据权利要求1-4任意所述的一种空间遥感扫描成像系统小惯量自消旋控制方法，其特征在于：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，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，表示Δθse对时间t求二次导。6.一种空间遥感扫描成像系统小惯量自消旋控制系统，其特征在于：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与实际角位置θs(t)的误差Δθs，输出为控制扫描系统的控制量，用于驱动扫描系统运动；扫描成像系统控制器将采集的实际角位置θs(t)反馈到输入端参与系统闭环控制；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：迟冬南，王庆颖，徐丽娜，贾慧丽，张秀茜，凌龙，吴南，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11