基于nRF24E01的卫星三轴半物理仿真系统研究

针对利用反作用飞轮作为执行机构的微小卫星姿态控制系统单轴气浮台半物理仿真缺乏仿真实物的全面性问题,研究基于nRF24E01无线RS232串行通信模块的多单轴气浮转台联动运行、Matlab XPC实时仿真技术、星载计算机及反作用飞轮和光纤陀螺物理实物的卫星姿态控制系统三轴气浮台半物理仿真的方案设计;利用该仿真系统对以反作用飞轮为主要执行机构的卫星偏置动量三轴稳态控制模式进行了半物理仿真验证。仿真结果表明:半物理仿真平台工作效果良好,能够实现偏置动量三轴稳态控制算例的仿真过程,并观测到三轴敏感器和执行器的联动运行效果,验证了半物理仿真系统方案设计合理、可靠。     

偏流角误差对TDI CCD相机成像的影响与仿真

本文分析了TDI CCD相机的偏流角调整过程和偏流角误差匹配的影响因素,依据偏流角误差导致的姿态稳定度偏差对相机成像质量的影响,建立推扫相机像点与物点一一对应的数学模型,根据TDI CCD成像时超出对应像素的横向与纵向偏移量的累加计算,仿真卫星姿态稳定度改变时相机的成像;同时,利用单轴气浮转台和面阵CCD进行成像实验,将实验条件的像移速度与仿真条件的像移速度匹配,并对面阵CCD成像进行偏移量的累加,模拟推扫CCD成像,最后利用图像对比度和互相关相似性测度分析仿真成像与实验成像质量。仿真成像与实验成像在对比度和互相关相似性测度上相差为0．03左右,能较好满足地面卫星相机连调试验的图像仿真。     

航天TDI CCD双线阵相机动态成像光线几何建模

建立精确的光线几何模型,推导地物与影像间的正反算公式是航天TDI CCD(时间延迟积分电荷耦合器件)相机动态成像仿真的关键步骤。立体测绘卫星全链路仿真以光线追迹为主线,以高精度高分辨力地表物理模型为输入源,综合考虑了大气辐射传输、光学系统成像、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节,完成了成像过程端到端的完整分析。以可见光光学遥感相机为例,在考虑轨道进动、地球在惯性系下的岁差章动和TDI CCD拼接的情况下,完成双线阵相机动态成像光线追迹几何建模,并对模型误差源进行分析。经实验验证与分析,正视相机几何物理模型定位精度达124 m,前视相机定位精度达193 m,满足立体测绘全链路仿真的几何建模要求。     

基于FPGA的高可靠数字太阳敏算法研究

数字太阳敏是卫星姿态控制系统的敏感部件,对提高小卫星数字太阳敏系统的可靠性及精度具有重要意义.提出了基于FPGA的高可靠数字太阳敏算法,首先介绍了数字太阳敏系统原理,分析得出FLASH型FPGA的高可靠性能;然后利用Verilog HDL语言编写图像高斯滤波算法、太阳光斑质心提取算法,并设计了数字太阳敏系统的标定方法.实验结果显示:角度更新速率大于35 Hz,测量范围为-60°~+60°,测量精度优于0.03°,验证了数字太阳敏系统设计的合理性,表明其能够满足数字太阳敏设计要求,提高了小卫星姿态控制精度.     

三线阵立体测绘相机高精度调焦技术及实现

三线阵CCD立体测绘相机既要保证清晰成像,还要保证内方位元素测定精度要求.简要分析了立体测绘对调焦系统精度的要求,给出了导轨副调焦方案和凸轮驱动调焦方案,并设计了凸轮调焦机构以及控制单元.该系统结构紧凑,稳定可靠,通过实验表明,该调焦系统到位重复性精度小于±11μm,调焦运动引起的线阵CCD旋转误差小于5",直线性误差小于8",并且满足空间环境条件下立体测绘的使用要求.     

绳系太阳能发电卫星姿态机动的边界控制

针对绳系太阳能发电卫星大角度回转机动时太阳能板的振动抑制问题,提出了主姿态控制和边界最优主动振动控制相结合的复合控制方法。基于Lyapunov方法设计的主姿态控制器不但能够使卫星完成姿态机动,而且能够以太阳能板根部的弯曲力矩作为反馈信息,通过改变太阳能板根部的控制力矩来保证挠性结构振动的衰减性。考虑到绳的单侧饱和非线性特性,用非二次型性能指标代替传统的二次型性能指标设计的边界最优控制器能够进一步抑制挠性结构的振动。设计的同时证明了系统的稳定性及控制器的最优性。将该复合控制方法用于绳系卫星大角度单轴回转机动的仿真研究,仿真结果验证了该控制策略的有效性。     

卫星通用化半物理仿真平台设计与实现

为提高卫星星务软件开发效率,消除卫星硬件产品研制进度对软件开发的影响,促进卫星仿真平台通用化发展,本文提出一种卫星通用化半物理仿真平台的设计与实现方法.该平台主要由星务计算机模拟器及星上电子学单机仿真模拟器两部分组成,利用通用化和模块化设计思想,开发具有通用化特点的星务计算机模拟器、灵活可配置特点的星上电子学单机仿真模拟器、标准化可重构的多通信接口和智能化系统测试接口,集成一套卫星通用化半物理仿真平台.利用该平台开展了多个型号卫星的星务软件开发设计工作,经验证,该平台对于不同型号卫星具有较强的通用性,使用该平台进行软件开发,提高了星务软件开发效率,保证软件交付即可用.     

一种大型设备多自由度自动对接方法

提出一种新颖的大型设备多自由度自动对接方法,该方法采用基于“三叉形”分划板的高精度CCD自准直仪来测量垂直与水平方向的二维小角度,采用单线阵CCD器件来测量轴向滚动、垂直、水平方向三自由度偏差,在嵌入式计算机的控制下通过测量这五个自由度偏差来调整设备姿态,直至对接完成。建立了五个自由度偏差的数据模型,并设计出包括CCD自准直仪、CCD接收处理装置、嵌入式计算机和执行机构的自动对接系统。该方法速度快、测量精度高,能实现大型设备的精确定位和自动对接,其角度测量精度为0.5″。     

轴对称回转体空间位置与姿态定位的立体视觉方法

针对虚拟现实技术中对空间刚体位置和姿态的定位与跟踪的需要,提出了一种确定轴对称回转体空间位置与姿态的立体视觉方法,开发了一个基于面阵CCD双目视觉传感的被动式光学立体定位与跟踪系统。试验结果表明,在执行机构运动速度为100mm/s的情况下,跟踪到的空间目标运动路径与真实值的最大偏差只有0.3mm,姿态角与真实值的最大偏差只有1.4°。实验结果证实,该系统满足虚拟现实技术中对空间目标定位与跟踪的精度要求。     

双目立体视觉的远距离运动物体运行姿态研究

提出了一种采用双目立体视觉测量技术来获得炮弹运行姿态的新方法.首先利用加权平均的方法求炮弹的质心,然后利用炮弹表面点到弹轴的距离相等的原理,用最小二乘拟合法推导出弹轴方程,得到弹轴矢量,最后通过建立弹轴矢量与姿态角之间的数学关系得到炮弹运行时的姿态角.仿真实验结果表明,该测量方法具有较高的精度,能满足远距离运动物体运动参数的测量要求.     

卫星太阳敏感器模拟器校准技术研究

针对卫星姿轨控半实物仿真系统的技术要求,提出了一种用于太阳敏感器模拟器的校准装置。校准装置以FPGA和AVR单片机为控制核心,微型单板电脑模拟动力学计算机,通过网口进行指令的上传下达。内置信号调理电路、高精度采集模块,数据解算模块等。该校准装置集成度高,替代了原有由数字表、动力学计算机等组成的复杂校准系统,有效地降低了成本,提升效率约40%,实现了太阳敏感器模拟器的快速全过程在线校准。     

Stereoscopic imaging and computer vision of impinging fires by a single camera with a stereo adapter

In this article, the novelty of using a single camera for stereoscopic imaging and computer vision of fire dynamics has been described. Specifically, 3D surface topology of the fires can be reconstructed and visualized using stereoscopic methodology. The basic stereo apparatus used in the present study consists of a high‐resolution digital camera and a stereo adapter, which is mounted to the front filter ring of the camera. A pair of stereo images could therefore be formed through the same lens system and recorded simultaneously on the same charge coupled device (CCD) chip. The mechanism of using a stereo adapter for stereoscopic imaging and its geometry has been elaborated in detail. The digitally reconstructed 3D results have also been validated by optical stereoscopic viewing using a pair of electronic shutter glasses synchronized with a computer monitor. The results have demonstrated that the single camera technique is a very powerful and cost‐effective diagnostic tool for fire studies. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. Int J Imaging Syst Technol, 15, 114–122, 2005; Published online in Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com). DOI 10.1002/ima.20044     

中继卫星在轨控制技术研究

针对中继卫星轨道、姿态和天线指向控制高度耦合的特性,研究了适应中继卫星特性及工作模式的在轨控制技术.分析了地球形状、太阳光压、日月引力等中继卫星轨道摄动;在此基础上,设计了中继卫星平台控制中的东西、南北位置保持环和控制策略;并在考虑轨道、姿态限制基础上,建立了中继卫星天线指向控制计算模型,分析了天线指向控制模式及捕获跟踪控制流程;从而从卫星平台控制和天线指向控制两个方面研究了中继卫星在轨控制技术.     

基于CCD的蒸汽湿度及水滴直径测量

为了准确测量汽轮机末级蒸汽湿度及其空间分布,本文提出用CCD测量湿蒸汽的散射光强分布,并通过数值拟合得到汽轮机内部的蒸汽湿度和水滴直径.根据CCD成像规律以及散射光强的分布特点,建立了包括测量系统、汽轮机模拟系统在内的实验平台.用532 nm的激光照射湿蒸汽,CCD拍摄得到2.6°～6.6°角度变化范围内的散射光强分布,并通过数值拟舍得到蒸汽相对湿度变化范围0.7%～1.2%、水滴平均直径大小为1.4～1.6μm.实验结果表明:该测量方法可以用来测量汽轮机末级蒸汽湿度和水滴直径,并且实现了较大范围内散射光测量.实验结果直观地反映了汽轮机内部蒸汽湿度的变化规律,从而有力地证明CCD应用在蒸汽湿度测量中的可行性.     

Attitude and orbit control for satellite broadcasting missions

This paper gives a broad introduction to the problems of attitude and orbit control of geostationary communications satellites. It specifically discusses the relationships between the satellite user’s requirements for a broadcasting mission and the design of the attitude and orbit control system. To put the subject in perspective, a brief review of past and present satellites is presented first. Then orbit control is described in terms of the forces that act on a satellite in geostationary orbit and the necessary station-keeping strategies. The design of attitude control systems for three-axis stabilised satellites is presented by considering the disturbance torques, attitude sensors and actuators and by identifying the various system problems and their solutions. Sources of error in pointing the satellite towards the earth are discussed together with the formulation of error budgets. Finally, the design approach for missions that require extremely accurate pointing is considered, and some remarks are given regarding the achievable accuracy for this class of satellite missions.     

扩展核线模型在线阵CCD卫星遥感影像立体匹配中的应用

核线(epipolarity)是立体摄影测量分析像对几何关系的一个基本概念,在摄影测量的处理当中有着重要的应用价值,但经典的核线关系仅适用于框幅式中心投影影像.针对线阵CCD卫星遥感立体影像,将基于投影轨迹法的扩展核线模型引用到影像匹配中, 提出了一种基于动态核线的近似直线约束方法,实现了线阵CCD立体影像匹配的核线约束;在此核线模型应用的基础上,提出了一种基于核线的成像约束方法.试验结果表明前一种方法在匹配速度方面比传统方法有显著的提高,后一种方法在匹配精度、可靠性方面比传统方法有明显提高.     

Research on the application of single camera stereo vision sensor in three-dimensional point measurement

A single camera stereo vision sensor model based on planar mirror imaging is proposed for measuring a three-dimensional point. The model consists of a CCD camera and a planar mirror. Using planar mirror reflections of a scene, a picture with parallax is obtained by shooting the target object and its virtual image. This is equivalent to shooting the target object from different angles with the camera and the virtual camera in the planar mirror, so it has the function of binocular stereo vision. In addition, the measurement theory of the three-dimensional point is discussed. The mathematical model of a single camera stereo vision sensor is established, the intrinsic and extrinsic parameters are calibrated, and the corresponding experiment has been done. The experimental results show that the measuring method is convenient and effective; it also has the advantages of simple structure, convenient adjustment, and is especially suitable for short-distance measurement with high precision.     

Satellite attitude stabilization using fluid rings

The three-dimensional attitude stabilization of a satellite using fluid rings is proposed in the present paper. The general formulation of the system that comprises a satellite and three fluid rings, one on each axis, is obtained through Euler’s moment equations. The linearized system model is derived and the stability conditions are obtained. Linear control laws and nonlinear control laws based on sliding mode control techniques are developed for fluid control torques. The numerical simulation of the governing nonlinear equations of motion of the system along with stability analysis establishes the feasibility of achieving desired attitude stabilization of the satellite. The fluid controllers are successful in stabilizing the attitude of the satellite in presence of high attitude disturbance torques and intermittent actuators’ failures. In the case of sudden attitude disturbance torques, the nonlinear fluid controllers outperform the linear fluid controllers with virtually no effect on the satellite attitude response. The proposed attitude stabilization method may find applications in future satellite missions.     

科学级CCD相机在星敏感器中的设计与应用

星敏感器通过探测天球上不同位置的恒星来确定航天器的姿态。星相机是星敏感器的成像系统。虽然近年来CMOS成像技术快速发展,但在科学级成像领域,特别是星敏感器应用中,CCD技术较成熟。本文的研究目的是研究一种探测能力强、数据更新快的用于星敏感器的成像系统。文中主要研究了基于TH7888A科学级CCD传感器的星相机的设计和应用,说明了CCD工作原理,详细分析了该种CCD传感器的星等探测灵敏度,论述了CCD星相机的设计方案。并用成像实验、动态范围测试、星等探测能力实验等实验验证了所设计的相机的性能。设计的星相机可以用给定的小型光学系统在60 ms以内的积分时间探测6等星,相机可达到10帧/秒的图像数据更新频率,满足短积分时间进行快速星光成像的要求。