許海玉 王皓 沈毅力 邊志強(qiáng) 錢(qián)勇

(上海衛(wèi)星工程研究所， 上海 200240)

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GEO衛(wèi)星圖像定位配準(zhǔn)技術(shù)及仿真驗(yàn)證研究

許海玉 王皓 沈毅力 邊志強(qiáng) 錢(qián)勇

(上海衛(wèi)星工程研究所， 上海 200240)

介紹了圖像定位與配準(zhǔn)基本原理，建立了補(bǔ)償量數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)代替有效載荷掃描輻射計(jì)、大氣垂直探測(cè)儀及姿軌控等相關(guān)分系統(tǒng)模擬了衛(wèi)星在軌工作狀況，對(duì)圖像定位與配準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證研究，結(jié)果表明：該驗(yàn)證方法合理有效，可為圖像定位配準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及在軌應(yīng)用提供參考依據(jù)。

圖像定位與配準(zhǔn)；動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；力矩補(bǔ)償；實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)

1 引言

隨著航天遙感對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感衛(wèi)星獲取圖像的分辨率越來(lái)越高，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，為了滿足我國(guó)第二代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星觀測(cè)能力更高的需求，我國(guó)第二代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星將首次采用圖像定位與配準(zhǔn)(Image Navigation and Registration，INR)技術(shù)，以高精度確定氣象云圖中每個(gè)像素的地理位置，為精確預(yù)報(bào)天氣奠定基礎(chǔ)。

在軌進(jìn)行圖像定位與配準(zhǔn)技術(shù)的功能與任務(wù)是：通過(guò)載荷掃描鏡轉(zhuǎn)角增加補(bǔ)償量的方式，以消除由衛(wèi)星姿態(tài)、軌道及熱變形帶來(lái)的光軸指向偏差；并且進(jìn)行前饋力矩補(bǔ)償，以抵消由載荷運(yùn)動(dòng)對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定性帶來(lái)的影響。在美國(guó)，類(lèi)似技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星(Geostationara Operational Environmental Satellite，GOES)系列中，并得到了很好的效果。在歐洲，第三代氣象衛(wèi)星(Meteosat Third Generation，MTG)系列也在開(kāi)發(fā)高精度在軌圖像定位與配準(zhǔn)技術(shù)[1-3]。

對(duì)于衛(wèi)星圖像定位與配準(zhǔn)的研究，文獻(xiàn)[4]提出基于預(yù)估模型的補(bǔ)償方法，能夠減小掃描鏡運(yùn)動(dòng)對(duì)掃描鏡光軸指向的影響，提高掃描鏡的成像質(zhì)量。文獻(xiàn)[5]針對(duì)兩自由度掃描鏡圖像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償問(wèn)題，在衛(wèi)星姿態(tài)估計(jì)信息的基礎(chǔ)上，給出了一種姿態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法。文獻(xiàn)[6-7]定義了掃描角、步進(jìn)角和固定網(wǎng)格，分析了軌道運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)熱變形對(duì)靜止軌道氣象衛(wèi)星成像的影響，并分別給出了圖像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模型。但上述文獻(xiàn)對(duì)三種運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法的流程，補(bǔ)償時(shí)序的正確性缺少聯(lián)合仿真驗(yàn)證的研究，為此本文應(yīng)用實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模型，搭建了一套仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，模擬了衛(wèi)星在軌工作情況，對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2 圖像定位與配準(zhǔn)技術(shù)基本原理

在軌引起遙感衛(wèi)星圖像定位配準(zhǔn)偏差的主要因素有：安裝誤差、發(fā)射振動(dòng)變形、熱變形、軌道、姿態(tài)和時(shí)鐘誤差等原因。其中，安裝誤差和發(fā)射振動(dòng)變形是一個(gè)常值偏差，可在衛(wèi)星發(fā)射入軌后對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定并一次性修正；時(shí)鐘誤差是一個(gè)隨機(jī)量，需要通過(guò)提高星上時(shí)統(tǒng)精度，降低其對(duì)圖像定位配準(zhǔn)的影響來(lái)避免；而軌道變化、姿態(tài)運(yùn)動(dòng)和熱變形都是動(dòng)態(tài)變化的，必須通過(guò)實(shí)時(shí)補(bǔ)償進(jìn)行修正。如果能夠精確確定衛(wèi)星平臺(tái)的姿態(tài)、軌道，并能夠準(zhǔn)確測(cè)量遙感儀器的熱變形規(guī)律，則可通過(guò)星載計(jì)算機(jī)計(jì)算補(bǔ)償角度增量，并驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星有效載荷遙感儀器的二維掃描鏡進(jìn)行星上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)遙感圖像在軌定位與配準(zhǔn)，獲得高精度圖像信息[8]。其中由星載計(jì)算機(jī)計(jì)算得出的二維掃描鏡轉(zhuǎn)角增量定義為INR補(bǔ)償量。

3 補(bǔ)償量模型

3.1 坐標(biāo)系定義

地心慣性坐標(biāo)系OeXiYiZi：坐標(biāo)原點(diǎn)Oe為地球質(zhì)心，Xi軸指向J2000.0平春分點(diǎn)在瞬時(shí)赤道面上的投影，Zi軸垂直于瞬時(shí)赤道面指向北極，Yi軸與Xi軸、Zi軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

軌道坐標(biāo)系OcXoYoZo：坐標(biāo)原點(diǎn)Oc為衛(wèi)星的質(zhì)心，Zo軸指向地心，Yo軸為衛(wèi)星瞬時(shí)軌道面的負(fù)法向，Xo軸與Yo軸、Zo軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系，如圖1所示。

衛(wèi)星本體坐標(biāo)系OcXbYbZb：坐標(biāo)原點(diǎn)Oc為衛(wèi)星的質(zhì)心，Xb軸、Yb軸、Zb軸為衛(wèi)星的3個(gè)幾何軸，衛(wèi)星標(biāo)稱(chēng)位置時(shí)與軌道坐標(biāo)系重合如圖1所示。

定點(diǎn)地球固連坐標(biāo)系OeXlYlZl：Oe原點(diǎn)位于地心；Xl軸位于赤道平面內(nèi)，指向衛(wèi)星標(biāo)稱(chēng)定點(diǎn)位置，Zl軸垂直赤道平面指向北極；Yl軸與Xl，Zl軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系[6]。

Ail為定點(diǎn)地球固連坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；Aoi為慣性坐標(biāo)系到衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；Abo為衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系到本體坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣[9]。

圖1 圖像定位與配準(zhǔn)補(bǔ)償量示意圖Fig.1 Compensation of the INR

3.2 姿態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償建模

姿態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓δ苁峭ㄟ^(guò)掃描鏡的轉(zhuǎn)角來(lái)補(bǔ)償衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)所引起的掃描鏡光軸指向偏差，當(dāng)衛(wèi)星姿態(tài)角為零，有效載荷二維掃描鏡轉(zhuǎn)角分別為α0、β0時(shí)，有效載荷二維掃描鏡光軸矢量P0在軌道系中表示為

(1)

(2)

式中：θ、φ、ψ為衛(wèi)星三軸姿態(tài)角。

進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，當(dāng)衛(wèi)星姿態(tài)為小角度偏差時(shí)，可忽略高階小量[4]，得補(bǔ)償量模型：

(3)

3.3 軌道運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模型

軌道運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是指衛(wèi)星在一個(gè)非標(biāo)稱(chēng)軌道位置上，通過(guò)對(duì)掃描鏡的掃描角度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)光軸對(duì)地球標(biāo)稱(chēng)網(wǎng)格的掃描[6]。

衛(wèi)星在定點(diǎn)固連坐標(biāo)系下的實(shí)際位置矢量Rf可以表示為

Rf=ApAsAnr

(4)

式中：r為慣性系下衛(wèi)星實(shí)際位置矢量為已知量，An為歲差和章動(dòng)變換矩陣，Ap為極移變換矩陣，對(duì)應(yīng)2015年1月1日12：00，An、Ap取值為

As為衛(wèi)星恒星時(shí)角加定點(diǎn)位置旋轉(zhuǎn)矩陣，

(5)

式中：λ為恒星時(shí)角，衛(wèi)星定點(diǎn)于東經(jīng)105°。在定點(diǎn)固連坐標(biāo)系下由圖 1可得的矢量關(guān)系：

ρ=h0w0-(Rf-r0)

(6)

式中：r0為衛(wèi)星標(biāo)稱(chēng)定點(diǎn)位置矢量，h0、w0分別為衛(wèi)星二維掃描鏡光軸對(duì)應(yīng)地面遙感點(diǎn)的視線距離和視線單位矢量，M0為w0與地球表面的交點(diǎn)，點(diǎn)M0位置矢量為R0，可表示為R0=r0+h0w0，且點(diǎn)M0滿足地球標(biāo)準(zhǔn)橢球體表面方程：

(7)

式中：X、Y、Z為M0的三軸坐標(biāo)，ae為地球標(biāo)準(zhǔn)橢球體的赤道半徑，e為地球標(biāo)準(zhǔn)橢球體的第一偏心率[6,10]。

衛(wèi)星在標(biāo)稱(chēng)位置二維掃描鏡轉(zhuǎn)角分別為α0、β0所對(duì)應(yīng)的地面成像點(diǎn)為M0，軌道運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)綐?biāo)稱(chēng)網(wǎng)格點(diǎn)，衛(wèi)星在實(shí)際位置二維掃描鏡轉(zhuǎn)角分別為α、β時(shí)所對(duì)應(yīng)的地面成像點(diǎn)也是M0，即有關(guān)系式：

(8)

3.4 熱變形運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償建模

熱變形運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償主要用于補(bǔ)償衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷儀器內(nèi)部掃描鏡的熱變形所致的有效載荷視軸指向變化，當(dāng)光線進(jìn)入有效載荷遮光罩后，經(jīng)二維掃描鏡兩次反射，進(jìn)入探測(cè)器成像，為便于描述，如圖2所示光路可逆，光線從探測(cè)器發(fā)出，經(jīng)過(guò)兩次掃描鏡反射，圖像定位與配準(zhǔn)是基于探測(cè)器中心矢量rc進(jìn)行，應(yīng)用6個(gè)等效失配角參數(shù)建立熱變形運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模型[7]。

圖2 有效載荷掃描鏡成像光路Fig.2 Optical path of payload scan mirror

(9)

4 仿真驗(yàn)證系統(tǒng)組成及原理

4.1 仿真系統(tǒng)組成

仿真驗(yàn)證系統(tǒng)由5個(gè)部分組成：①數(shù)管計(jì)算機(jī)及圖像定位與配準(zhǔn)協(xié)處理器；②有效載荷分系統(tǒng)模擬器；③動(dòng)力學(xué)與姿軌控模擬器；④地面遙測(cè)遙控系統(tǒng)；⑤性能驗(yàn)證評(píng)估系統(tǒng)。

1)數(shù)管計(jì)算機(jī)及圖像定位與配準(zhǔn)協(xié)處理器

圖像定位與配準(zhǔn)軟件采用Ada語(yǔ)言程序編寫(xiě)算法，運(yùn)行在圖像定位與配準(zhǔn)協(xié)處理器當(dāng)中。數(shù)管計(jì)算機(jī)運(yùn)行數(shù)管軟件負(fù)責(zé)接收地面上注的有效載荷工作指令及初始化參數(shù)設(shè)置。圖像定位與配準(zhǔn)協(xié)處理器與數(shù)管計(jì)算機(jī)采用共享緩存的方式，進(jìn)行信息的讀寫(xiě)。

2)有效載荷分系統(tǒng)模擬器

3)動(dòng)力學(xué)與姿軌控模擬器

動(dòng)力學(xué)與姿軌控模擬器采用Hisim實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，其主要功能是實(shí)時(shí)計(jì)算衛(wèi)星姿態(tài)參數(shù)、軌道參數(shù)，作為圖像定位與配準(zhǔn)的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，軌道運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)妮斎霔l件；同時(shí)接收數(shù)管計(jì)算機(jī)的校時(shí)信號(hào)、有效載荷掃描鏡換向信號(hào)及有效載荷掃描鏡的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)角，進(jìn)行前饋力矩補(bǔ)償。

4)地面遙測(cè)遙控系統(tǒng)

通過(guò)地面遙測(cè)遙控系統(tǒng)上注有效載荷工作指令，圖像定位與配準(zhǔn)分系統(tǒng)所需要的初始化參數(shù)設(shè)置，并通過(guò)地面遙測(cè)遙控系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)管計(jì)算機(jī)工作狀態(tài)。

5)性能驗(yàn)證評(píng)估系統(tǒng)

對(duì)該聯(lián)合仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整性、有效性作出判斷。

4.2 系統(tǒng)原理及框圖

在系統(tǒng)運(yùn)行期間，以數(shù)管計(jì)算機(jī)晶振時(shí)間為基準(zhǔn)，通過(guò)1553B總線向有效載荷模擬器、動(dòng)力學(xué)與姿軌控模擬器發(fā)送校時(shí)信號(hào)，校時(shí)信號(hào)頻率為1 Hz，遠(yuǎn)程終端收到校時(shí)信號(hào)后與本地時(shí)間進(jìn)行比較，如果時(shí)間差大于1 ms，則接受數(shù)管計(jì)算機(jī)校時(shí)，修改本地時(shí)間，這樣確保了系統(tǒng)各單機(jī)之間的時(shí)間差小于1 ms，消除了由時(shí)鐘誤差帶來(lái)的圖像定位誤差。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

圖像定位與配準(zhǔn)分系統(tǒng)收到載荷工作指令后，每5 ms為一個(gè)節(jié)拍實(shí)時(shí)計(jì)算補(bǔ)償量，通過(guò)RS422串口發(fā)送給有效載荷模擬器。

本研究將提取到的mtDNA通過(guò)微量分光光度計(jì)檢測(cè)，濃度為860.3 ng/μL，A260/A280值為1.96，A260/A230值為2.08，表明無(wú)RNA、蛋白質(zhì)和離子污染。吸取2 μL提取的mtDNA原液，加入18 μL純水稀釋10倍，以10 ng和30 ng λDNA為對(duì)照，電泳檢測(cè)結(jié)果顯示條帶清晰，表明無(wú)RNA污染和蛋白質(zhì)殘留現(xiàn)象(圖3)。進(jìn)一步使用EcoRⅠ對(duì)mtDNA進(jìn)行酶切，電泳檢測(cè)結(jié)果顯示總基因組帶型成彌散狀，酶切后的mtDNA帶型分布均勻(圖4)。說(shuō)明本研究提取到的大豆mtDNA濃度高、質(zhì)量好。

有效載荷模擬器在收到載荷的工作指令后，按照工作指令，實(shí)時(shí)計(jì)算掃描鏡的理論轉(zhuǎn)角，同時(shí)接收?qǐng)D像定位與配準(zhǔn)分系統(tǒng)的補(bǔ)償量，將理論轉(zhuǎn)角與補(bǔ)償量疊加后通過(guò)內(nèi)部傳遞函數(shù)模擬驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行，得到有效載荷掃描鏡的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)角。有效載荷模擬器將補(bǔ)償量和實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到上位機(jī)中，作為性能評(píng)估系統(tǒng)的輸入條件。

動(dòng)力學(xué)與姿軌控模擬器每64 ms更新一次衛(wèi)星姿態(tài)參數(shù)，每16 s更新一次軌道參數(shù)，通過(guò)1553B總線發(fā)送給數(shù)管計(jì)算機(jī)；有效載荷模擬器通過(guò)RS422串口將掃描鏡實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)角發(fā)送給動(dòng)力學(xué)與姿軌控模擬器，動(dòng)力學(xué)與姿軌控模擬器根據(jù)有效載荷工作指令實(shí)時(shí)計(jì)算出補(bǔ)償力矩，進(jìn)行前饋力矩補(bǔ)償。

性能驗(yàn)證評(píng)估系統(tǒng)根據(jù)有效載荷模擬器輸出的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)角、補(bǔ)償量，動(dòng)力學(xué)與姿軌控計(jì)算機(jī)模擬器輸出的動(dòng)力學(xué)姿態(tài)、軌道遞推參數(shù)，結(jié)合預(yù)設(shè)的熱變形參數(shù)對(duì)光軸指向精度進(jìn)行評(píng)估，對(duì)前饋力矩補(bǔ)償效果進(jìn)行評(píng)估。

5 補(bǔ)償算法驗(yàn)證

系統(tǒng)參數(shù)初始化設(shè)置：INR處理器計(jì)算周期為5 ms，通信波特率921.6 kbit/s；有效載荷模擬器仿真步長(zhǎng)5 ms；動(dòng)力學(xué)與姿軌控模擬器仿真步長(zhǎng)1 ms。

姿態(tài)：三軸慣性姿態(tài)角速度初值為[0.0002,-0.0040,-0.0003](單位：(°)/s)；三軸姿態(tài)歐拉角初值為[0.01,0.006,-0.007](單位：°)。

軌道：軌道角速度為7.292×10-5rad/s;衛(wèi)星東漂移0.001 rad;衛(wèi)星北漂移0.001 rad；偏心率0.001;軌道傾角0.001 035 rad。

有效載荷南北維和東西維掃描鏡慣量分別為0.2 kgm2,0.06 kgm2。

其結(jié)果如圖 4至圖 9所示。

在姿態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模型中，進(jìn)行了姿態(tài)小角度量化，若姿態(tài)角偏大將有較大計(jì)算誤差；補(bǔ)償量最大為1190 μrad，光軸在地球全圓盤(pán)外，補(bǔ)償量模型無(wú)解，應(yīng)用時(shí)補(bǔ)償量保持上一拍定值不變，如圖7中所示。前饋力矩補(bǔ)償中的補(bǔ)償力矩以均值大小進(jìn)行補(bǔ)償，將會(huì)產(chǎn)生力矩殘差，有效載荷的二維掃描鏡分別沿衛(wèi)星的滾動(dòng)和偏航軸進(jìn)行步進(jìn)和掃描，產(chǎn)生力矩的殘差將會(huì)引起衛(wèi)星滾動(dòng)和偏航角速度周期波動(dòng)，其頻率與有效載荷二維掃描鏡步進(jìn)和掃描頻率相同，如圖8所示。

圖4 歐拉姿態(tài)角變化曲線Fig.4 Curve of Eular angle change

圖5 慣性角速度變化曲線Fig.5 Curve of inertial angular velocity change

圖6 補(bǔ)償量Fig.6 Compensation

圖7 補(bǔ)償量放大曲線Fig.7 Curve of compensation scale-up

圖8 干擾力矩和前饋補(bǔ)償力矩曲線Fig.8 Disturbance torque and feedforward torque

圖9 干擾力矩和前饋補(bǔ)償力矩放大曲線Fig.9 Scale-up curve of disturbance torque and feedforward torque

6 結(jié)束語(yǔ)

本文在圖像定位與配準(zhǔn)原理與補(bǔ)償量模型的基礎(chǔ)上，提出了一種對(duì)圖像定位與配準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證的方法，構(gòu)造了一套圖像定位與配準(zhǔn)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證了圖像定位與配準(zhǔn)在軌動(dòng)態(tài)補(bǔ)償整星信息流的匹配性、算法模型的正確性、指標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性，考查了系統(tǒng)軟件的可靠性、穩(wěn)定性。為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及完善提供了參考依據(jù)，此外,該仿真驗(yàn)證研究也可用于衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間的故障判定和反演。

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(編輯：李多)

Study on GEO Satellite Image Navigation & Registration Technology and Simulation Verification

XU Haiyu WANG Hao SHEN Yili BIAN Zhiqiang QIAN Yong

(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 200240, China)

In this paper, the basic theory of image navigation and registration is introduced, and the compensation mathematical model is founded. Satellite on-board working condition is simulated by the real-time simulation system, and image navigation and registration technology was validated based on co-simulation. The results show that the design of the real-time simulation system is logical, and the system can give a reference for design and on-board use of the INR.

image navigation and registration; dynamical compensation; torque compensation; real-time simulation system

2015-04-20；

2015-05-10

許海玉，男，工程師，從事衛(wèi)星圖像定位配準(zhǔn)設(shè)計(jì)工作。Email：xuecantiandi@163.com。

V414

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.015