利用自适应卡尔曼滤波实现光电跟踪中的复合控制

为了在光电跟踪控制系统中实现复合控制以提高跟踪精度,构建了基于模型自适应卡尔曼滤波算法的复合控制结构。首先,利用跟踪脱靶量数据和仪器位置数据合成目标角位置数据;然后,利用模型自适应卡尔曼滤波算法对目标角位置数据进行滤波估计以获得目标角速度信息;最后,将目标角速度信息前馈到速度回路,从而构成复合控制系统。实验结果表明:采用复合控制结构后,目标跟踪精度提高了50%。基于模型自适应卡尔曼滤波算法的复合控制技术能够在保持原反馈控制系统稳定性的条件下提高跟踪精度。     

光电跟踪系统纯角度滤波器的设计

为了在不增加硬件的条件下改善光电跟踪系统的性能,提出了仅基于目标角度信息的状态估计方法,设计了纯角度跟踪滤波器.首先,分析了带有激光测距仪的红外跟踪系统的工作机理;针对目标机动性特点,建立了球坐标系下目标的“当前”机动模型.然后,针对纯角度跟踪过程中高频图像序列存在复杂噪声干扰的问题,采用集员估计的方法对目标状态模型进行了补偿和调整,并在此基础上设计了自适应椭球滤波算法.最后,以舰载光电跟踪系统对来袭目标的跟踪为例进行了仿真.对比实验结果表明,对于复杂噪声条件下的强机动目标,在激光测距仪回波率为50％的情况下,利用基于自适应椭球滤波算法的纯角度滤波器进行辅助跟踪,可以实现方位(俯仰)角度估计均方差≤0.6 mrad的稳定跟踪,效果显著优于传统滤波方法,具有良好的工程实用价值.     

光电成像系统目标捕获率与目标毁伤关联研究

基于面阵相机CCD的光电探测系统对弹丸的捕获率在实际应用中常受到复杂背景的极大影响,而弹丸的捕获率与飞行目标毁伤有密切关系。为了研究弹丸对飞行目标的毁伤效能,基于目标成像探测原理,研究了光电探测系统探测区空间目标光学特性,利用面元网格化分析法,研究与建立了目标空间光谱特性模型,给出了空间目标成像总的光谱辐射亮度计算函数; 依据目标探测距离、目标尺寸、环境照度以及成像面阵CCD自身特性,建立光电成像系统目标跟踪捕获率的计算模型,基于弹丸目标捕获率模型,给出飞行目标毁伤概率模型。经过计算与分析,结果验证了所建立的弹丸捕获率模型和飞行目标毁伤概率计算模型的合理性。     

用于星载激光通信终端的绝对式光电角度编码器

针对星上激光通信终端二维转台的精确控制,设计了实时测量转台旋转角度的专用型光电角度编码器。根据星载激光通信终端所需测角系统的设计指标,分别对光电角度编码器的码盘、指示光栅及光电信号的提取方法进行了设计和选择。其中,格林二进制绝对式编码结合高质量的电子学细分,实现了编码器24位的绝对角度测量;四象限矩阵编码方式有效地减小了码盘的径向尺寸;分体读数头式指示光栅较整周玻璃盘大幅度压缩了体积和重量。在室温条件下对安装在星载激光通信终端上的光电角度编码器进行了测角精度检测。结果表明:该测角系统的角度测量精度约为0.7″(优于1.0″)。激光通信终端设备的在轨稳定运行及捕获、跟踪和通信功能的正常发挥,进一步验证了所设计的光电角度编码器测角精度高、抗辐射能力强、工作可靠性高,满足星载激光通信终端设备的应用要求。     

基于目标特征尺寸的可视化被动测距系统

为克服传统光电被动测距系统稳定性差、远距离条件下测距精度收敛性差、系统难以小型化等不足,本文提出一种基于目标特征尺寸的可视化光电被动测距系统。建立了被动测距模型并分析测距原理,从理论上分析获得距离反演公式和测距误差精度;设计了被动测距算法并分析相关成像参数获取途径和方法;通过高清成像器、半导体激光器和信号处理器等软硬件设计,实现了系统的可视化被动测距功能和全天候图像信息获取;最后通过目标特征尺寸及其成像系统参数反演目标距离,实现了在成像过程中实时测距并进行被动测距实验验证。实验结果表明,被动测距精度优于10%,当前软硬件参数配置下,目标的测距距离大于1km,测距鲁棒性好,性能稳定,可广泛应用于全天候目标图像信息获取和光电被动测距的实际工程实践中。     

基于构建最优函数提高飞机姿态测量精度

提出了基于构建最优函数来提高飞机姿态测量精度的方法.首先,利用模板匹配法获得飞机在两个测站投影的同名特征点,在发射坐标系下采用交会获得飞机同名特征点的坐标值,根据飞机在空间的特征三角形解算飞机姿态的初值.然后,建立飞机体坐标系;利用成像的共线方程,重新计算空间特征点对应的像点坐标;以重投影结果与实际像点之间的偏差最小作为优化目标函数.最后,通过迭代提高目标姿态解的精度.实验结果表明,飞机轴向成像在大于500pixel时,姿态角测量误差小于0.1°.与中轴线法及飞机角平分线方向向量法测量精度比对,本文提出的方法采用的数学模型正确、算法合理,有效地提高了飞机姿态的测量精度.     

机载光电跟踪测量设备的目标定位误差分析

光电跟踪和测量设备用于测量飞行器在空中的飞行轨迹,作为飞行器飞行性能的评价。随着现代技术的发展,对飞行器性能提出愈来愈高的要求,从而也对跟踪和测量飞行器飞行轨迹的光电跟踪和测量设备提出了相应的技术进步要求,特别是对其测量精度指标。如何做好和完善误差分析、误差分配和误差综合,成为研制更高性能的光电跟踪测量设备总体设计中的一个重要问题,贯穿从可行性论证、方案论证、方案设计、设计、制造、装调、直到试验等整个研制过程。就这一类设备中最为复杂的机载光电跟踪测量设备的目标定位误差(即3轴上的测量误差),通过建立从被测目标到地面中心测量站9个坐标系,进行31次线性变换,构造35个变量的统一测量方程;进行测量误差因素的分析和分配,以及用蒙特卡洛法来分析和计算系统的目标定位误差。     

空间目标姿态角测量计算方法研究

新型武器在靶场试验鉴定时,除了测量其空间X、Y、Z坐标外,还新增加测量其空间偏航角、俯仰角等姿态信息,这也对靶场试验数据处理提出了新要求.本文以靶场普遍使用的经纬仪为测量设备,提出了一种新的算法.该计算方法通过平面坐标系与三维坐标系转换、观察坐标系与世界坐标系转换,利用三维透视投影变换理论,推导出相应计算公式,并给出了单站计算目标姿态角的精度分析.该方法可以普遍应用于光学成像测量设备和电子成像测量设备的姿态角数据处理中,具有一定的独创性和先进性.     

大角度倾斜成像航空相机对地目标定位

针对大角度倾斜成像航空相机拍摄距离远,激光测距设备作用距离有限的问题,提出了一种不依赖距离测量设备的直接对地目标定位算法。依据载机POS测量的载机位置、姿态信息以及航空相机中位置编码器测量的框架角位置信息,利用齐次坐标变换的方法求解目标在大地坐标系下的指向,再利用地球椭球模型和数字高程模型确定目标点的经纬度信息。采用蒙特卡洛法仿真分析载机位置姿态测量误差及相机框架角位置误差对视轴指向精度的影响,相比于仅采用地球椭球模型的目标定位算法,该算法有效降低了地形起伏对目标定位影响,在目标区域地形起伏标准差大于10m时,大角度倾斜成像的定位精度明显提高。采用飞行试验数据验证了该目标定位算法的有效性,在飞行高度18 000m拍摄框架横滚角小于63°时,目标定位圆概率误差小于70m,可满足工程实际需要。     

激光跟踪测量系统研究

介绍了激光跟踪测量系统的结构.分析了激光跟踪测量系统利用目标反射镜和转镜的配合实现跟踪的原理,利用球坐标系、干涉测距实现坐标的原理,并对系统测量误差的产生原理及防止误差的方法进行了讨论,最后对激光跟踪测量系统的发展趋势做了展望.     

基于虚拟测距的单星光学监测空间目标定轨方法

基于单颗天基卫星的光学监测数据在轨道改进时的可观测性差,迭代难以收敛,甚至法方程病态,造成大批量空间目标编目定轨失败。本文分析了仅利用单星光学监测确定空间目标轨道的特点和难点,针对基于天基监测的定轨亏秩问题和单星光学监测定轨的可观测度进行了研究。基于先验轨道信息建立了虚拟测距模型,提出了一种利用虚拟测距和天基测角数据联合的轨道改进方法,提高了利用单颗天基卫星的光学监测数据定轨系统的可观测性。采用我国首颗天基监测试验卫星2015年某40天内监测到的400多个目标的实测数据进行验证,添加虚拟测距后,定轨成功率由原来小于10%提高到90%以上,同时提高了轨道确定精度。     

Space high-accuracy intelligence payload system with integrated attitude and position determination

recently,the requirements for space high resolution and high accuracy earth observation payloads are more urgent in many fields.However,traditional satellites mainly use the separation model of platform and payload.The precision of platform was unable to fulfill the requirements of high-precision imaging of payload.In addition,because traditional satellites mainly use the rigid connection between platform and payload,the precision of payload strongly depends on platform.They make satellite development and requirements increasingly difficult.To solve these disadvantages,in this paper,we introduce a Space High-accuracy integrated Intelligence Payload(SHIP) system with real-time attitude and position determination.SHIP can complete real time autonomous high accuracy attitude and position determination,high resolution remote sensing imaging,high-accuracy target position based on image,multi-mode motion imaging and target identification,tracking,self-recovery function of on orbit image,self-determination function of attitude and position,and so on.     

敏捷小卫星对地凝视姿态跟踪控制

研究了基于双框架控制力矩陀螺(DGCMG)的敏捷小卫星对地凝视成像过程中的姿态跟踪控制.首先,根据敏捷小卫星的特点和凝视成像任务需求设计执行机构配置方案.然后,根据轨道信息计算地面凝视目标的相对姿态和角速度;为避免控制力矩陀螺(CMG)奇异性的影响,同时设计了适当的控制律和操纵律.最后,通过在“试验三号卫星”的姿态轨道控制系统仿真平台上增加凝视成像任务需求并调整执行机构配置,建立敏捷小卫星姿态控制系统,对文中设计的方案和控制方法进行了数学仿真验证.仿真结果表明,该算法简单有效,能够实现敏捷小卫星对地凝视姿态跟踪,同时给出了DGCMG能够输出的最小框架角速率指标决定了姿态跟踪精度的结论.     

高轨道准直式红外地球模拟器光学系统设计

为了提高红外地球敏感器的地面测试与标定精度,以地球模拟器能够精确达到技术指标为目的,对地球模拟器光学系统进行研究。在光学系统中将地球光阑放于锗准直透镜的焦平面附近,使得通过地球光阑的光入射到锗准直透镜后,以平行光出射到红外地球敏感器上。同时根据卫星在同步轨道、更高轨道和较低轨道所使用的红外地球敏感器地面标定试验的需求,采用更换地球光阑的方案,提供了三种不同的地球张角。计算结果表明,地球模拟器边缘处成像清晰,且三种不同轨道的地球张角误差均小于±0.05°。该方案设计的地球模拟器可准确在地面上模拟卫星在太空中所看到的地球,满足了地球模拟器的整体性能要求。     

风云四号地球静止轨道卫星测距系统误差标校 及其定轨影响分析

测距系统误差是影响地球静止轨道(GEO)卫星定轨精度的主要误差因素,GEO卫星的静地特性使得测距数据系统误差特别是测站系统差和卫星轨道存在较强相关性,必须通过其他独立手段解决。首先利用仿真数据分析了地面系统误差和星上系统误差对轨道的影响特性,随后以风云四号B星(FY-4B)测距系统为例分析了测距实测数据,分析结果表明风云四号B星测距系统中存在异常的系统误差,为确定该系统误差的来源,设计了一系列试验方案进行分析,通过试验排除地面设备系统误差,确定了风云四号B星测距系统误差来自于研制厂家提供的错误星上转发器时延值,利用定轨估计解算星上系统误差对其进行标校,以及利用标校后的观测数据重新定轨,各站残差由15 m降至2 m,定轨精度由800 m提高到20 m,分析表明,通过定轨估计解算对星上系统误差进行标校的方法是切实有效的。     

基于轨道根数的低轨卫星轨道预测算法

光电设备因太阳夹角变化、轨道遮挡等原因无法对卫星进行自动跟踪时,需要对卫星轨道进行预测。本文针对利用卫星轨道根数进行轨道预报时难以同时满足实时性和精度要求的问题,提出了一种新的基于轨道根数的卫星轨道预测方法。分析了卫星轨道的运行规律,根据低轨卫星的运行特点,利用椭圆曲线对卫星轨道进行预测,并对卫星轨道的轨道方程进行了近似处理。通过引入一些冗余变量简化了卫星轨道解算模型,在保证计算实时性的前提下,大大提高了轨道预测精度。实验显示:采用线性外推方法对卫星轨道进行预测时,预测5s后,轨道预测的偏差会增大到10″,而采用本文提出的基于轨道根数的卫星轨道预测算法,预测50s后的最大预测偏差均不超过2″,极大地提高了卫星轨道预测精度,实现了光电设备在无法对卫星进行自动跟踪时,能够对卫星进行"盲跟踪"。     

船载卫星天线自动寻星跟踪技术

本文以我国北斗导航系统和GPS提供的位置信息为基础,详细阐述了在稳定平台上的船载卫星天线自动寻星跟踪技术,包括相关坐标系的定义、对准目标卫星所需初始角度的计算确定、跟踪方式的选定以及对目标卫星最强信号的扑捉和跟踪。     

用于大视场目标定位的复眼系统标定

探讨了设计的大视场复眼定位系统的结构特点、定位数学模型、三维目标阵列、标定方法和定位特点.介绍了复眼结构和系统装置,建立了目标定位和多通道同时标定的数学模型.通过引入分光器,调整目标平面水平移动轴和目标平面的垂直性以及目标平面和复眼平面之间的平行性.然后,使用消逝点和目标共像点求得初始点和初始距离,得到目标平面上每一点的空间三维坐标.最后,求出目标阵列与对应通道的入射角度,提取出对应的目标像点重心,建立了各通道入射角度和像点重心之间的对应关系.实验结果显示,初步标定后的系统能对横向110°、纵向90°视场范围内的目标进行定位,距离定位精度在2％以内.提出的方案基本能满足复眼成像非线性标定的要求,具有一定的操作灵活性.     

适用于立方体卫星的激光测距合作目标

为了给立方体卫星星载GPS定轨数据提供检核标准,并满足高精度测定轨道的应用要求,通过在10cm×10cm×10cm的标准立方体卫星的每个表面分布3个通光口径为1.0cm的微小激光反射器,设计了质量约为108g、视场角满足360°、测距精度可达厘米级的激光测距合作目标。根据角锥棱镜的二面角误差、反射面面形误差及入射面面形误差所引起的光束附加相位,分析角锥棱镜在远场的衍射分布特性;接着,根据激光合作目标在卫星上的分布方式,计算激光合作目标的相对有效面积分布;然后,利用激光测距方程估算不同轨道高度的立方体卫星激光反射器回波光子数,并根据卫星质心改正模型估算激光测距精度;最后,以皮卫星激光合作目标测距试验为例,验证了装载在卫星上的1.0cm微小激光反射器能够反射回足够的激光回波信号。结果表明,此种分布方式对于运行在250~1 000km轨道上的立方体卫星能够提供足够的回波信号,激光测距内精度可达厘米级,满足立方体卫星对激光测距合作目标质量轻、分布灵活、测距精度高的要求。