張 俊

1.宇航智能控制技術(shù)國家級重點實驗室，北京 100854 2.北京航天自動控制研究所，北京 100854

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長時間在軌空間飛行器可見光導引頭復用技術(shù)研究

張 俊1,2

1.宇航智能控制技術(shù)國家級重點實驗室，北京 100854 2.北京航天自動控制研究所，北京 100854

目前,空間飛行器實用化已經(jīng)進入新的階段，空間飛行器的目標探測處理技術(shù)一直是發(fā)展的焦點，本文提出了一種星光導航/可見光目標檢測導引頭復用技術(shù)，利用可見光導引頭完成星光導航及目標探測任務(wù)，采取綜合控制軟件分段控制配置導引頭參數(shù)，分別完成導航、目標探測兩個圖像處理任務(wù)。其優(yōu)點是在完成任務(wù)基礎(chǔ)上，最大限度的利用硬件環(huán)境，大大節(jié)約了相應的有效載荷。通過原理樣機，進行了相應的半實物仿真驗證試驗。 關(guān)鍵詞 空間飛行器； 復合圖像處理系統(tǒng)； 星敏感器； 紅外導引頭

隨著航天技術(shù)的迅速發(fā)展，近空間領(lǐng)域逐漸成為各大國競相進入的主戰(zhàn)場，本文提出了一種基于空間飛行器的單模導引頭分段調(diào)用任務(wù)技術(shù)。根據(jù)飛行任務(wù)需求，分段配置單模導引頭為定姿的星敏感器及目標探測的導引頭，該系統(tǒng)按照任務(wù)時序節(jié)點，嚴格分隔配置、切換復合圖像處理系統(tǒng)完成對應系統(tǒng)任務(wù)[1]。

空間飛行器的控制系統(tǒng)總體設(shè)計，需結(jié)合自身特殊需求，如長期在軌、任務(wù)復雜、模塊眾多和載荷有限等，設(shè)計控制系統(tǒng)中的圖像處理系統(tǒng)，其中采用自主慣性導航加星光修正的復合制導模式解決長時間在軌問題，目標探測系統(tǒng)采用可見光圖像匹配技術(shù)。

長時間在軌的最大問題是飛行時間過長，慣性導航誤差隨時間變大，出現(xiàn)誤差積累效應，必須引入外部信息修正，因此利用現(xiàn)有的光學導引頭將其配置成星敏感器以提供星光輔助修正，直到空間飛行器飛行到任務(wù)目標附近時，再切換成可見光目標探測導引頭，利用可見光導引頭對任務(wù)目標展開搜索和匹配，完成后續(xù)的任務(wù)。該系統(tǒng)即可在A時刻做可見光探測器用，也可在B時刻為星光輔助提供導航。此方案節(jié)約了大量硬件資源，提高了有效載荷比，采用控制系統(tǒng)進行功能分段切換，最終實現(xiàn)一體化、分段復用的空間飛行器圖像處理系統(tǒng)。

1 長時間在軌空間飛行器的復用導引頭控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

控制系統(tǒng)圖像處理系統(tǒng)分為如下2部分：1)探測系統(tǒng)：負責空間捕獲相對目標的圖像處理；2)導航系統(tǒng)：負責長時間在軌天文導航星光圖像處理。為實現(xiàn)一體化復用導引頭的技術(shù)功能，設(shè)計了控制系統(tǒng)總體框架，并基于該框架，設(shè)計了相應試驗原理樣機，以驗證其方案的正確性和可行性，為后續(xù)仿真驗證試驗做好硬件條件準備?；趶陀脤б^原理設(shè)計的原理樣機控制系統(tǒng)整體架構(gòu)圖見圖1，其涵蓋控制系統(tǒng)基本組成、功能模塊、輸出入關(guān)系和控制信息流等方面。

圖1 長時間在軌空間飛行器一體化復用導引頭控制系統(tǒng)的架構(gòu)圖

根據(jù)該系統(tǒng)架構(gòu)圖，明確了控制系統(tǒng)整體基本狀態(tài)。主要由慣導系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、控制硬件系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)等組成。針對圖像處理部分的工作模式，首先由控制系統(tǒng)的核心CPU板發(fā)出圖像模式的控制信號，圖像處理板接收到該信號，調(diào)用對應圖像工作模塊，完成復用導引頭工作模式切換、狀態(tài)配置、信息交互和控制脈沖輸出等工作。其中圖像板信息在星光模式下直接參與控制系統(tǒng)導航回路的運算，在可見光模式下參與探測系統(tǒng)搜索運算。關(guān)于圖像處理板的導引頭有如下配置：導引頭自檢、配置工作模式和配置對應的成像參數(shù)，啟動導引頭對應的工作狀態(tài)[2]。

為了保證完成圖像系統(tǒng)的高速傳輸，圖像處理板的高速圖像通訊接口方案設(shè)計選用LVDS并行傳輸?shù)母邘l數(shù)傳模式?？刂菩盘柾ㄓ嵔涌谑菃伍_一路422串口。保證圖像傳輸和控制信號通訊獨立可靠性，可以支持空間飛行器控制系統(tǒng)長時間在軌執(zhí)行任務(wù)的單硬件多模任務(wù)。

2 半實物仿真試驗

下文設(shè)計的仿真試驗，驗證了復用導引頭對近目標和遠目標切換設(shè)計方案，以及時序分段調(diào)度控制和模式切換工作的完整性。試驗設(shè)備包括：控制計算單元、復用導引頭、目標模擬器和實時顯示控制計算機。

2.1 半實物仿真驗證復用導引頭可見光模式下的工作狀態(tài)

復用導引頭切換到可見光模式下，控制導引頭曝光時間為XX ms，利用實時顯示的方式捕獲試驗目標，通過專門設(shè)計的目標檢測、識別算法及相應的測距和測角算法，按照一定距離和一定旋轉(zhuǎn)速度讓導引頭圍繞目標進行觀測，通過422串口實時采集計算結(jié)果，繪制相關(guān)曲線，見圖2～4，最終與設(shè)定的距離和角度比對，評價復用導引頭可見光模式精度，可知圖像處理系統(tǒng)將復用導引頭設(shè)為目標探測模式。

圖2 相對目標距離

圖3 相對目標高低角

圖4 相對目標方位角

地面仿真系統(tǒng)在建立的半實物仿真驗證平臺上通過采集的實時圖像和相對目標的實時測距、測角數(shù)據(jù)，比對預定的相對距離和角度，得到的結(jié)果符合要求，表明該系統(tǒng)的導引頭目標捕獲探測功能正常，測距和測角結(jié)果符合總體對圖像處理系統(tǒng)的要求。

2.2 驗證復合導引頭星敏感器模式下工作狀態(tài)

在空曠干凈的半實物仿真試驗環(huán)境下，將復合導引頭切換到星光模式下，控制脈沖為XX ms，進行半實物仿真試驗，實時拍攝到星圖如圖5和6。

圖5 第1張原始圖像

圖6 第2張原始圖像

通過422通訊串口，將星點信息實時采集下來，捕獲到3顆星在CCD上各點位置，并繪制分布圖如圖7～9。

圖7 第7星點CCD位置坐標

圖8 第8星點CCD位置坐標

圖9 第3星點CCD位置坐標

由圖可知，切換到復用導引頭星光模式下，利用星光匹配算法提取出的3顆星的原始星圖和位置坐標圖結(jié)果符合設(shè)計要求，進一步驗證了該方法的復用導引頭切換到星敏感器狀態(tài)下的工作狀態(tài)正常，表明復用導引頭在星光模式下是可用和正確的。

3 結(jié)束語

提出了一種星光導航/可見光目標檢測導引頭復用技術(shù)，旨在不增加載荷重量和體積的前提下，通過借鑒單硬件多模分段任務(wù)的方案思路，設(shè)計了嚴格分段分隔使用工作模式，最終保證了不同工作模式下圖像處理任務(wù)的完成，并在原理樣機上進行了半實物仿真試驗，結(jié)果表明該技術(shù)在空間飛行領(lǐng)域中具有可行性。

[1] 程國采.彈道導彈制導方法與最優(yōu)控制[M].長沙：國防科技大學出版社，1987.

[2] 黃圳圭.航天器姿態(tài)動力學[M].長沙：國防科技大學出版社，1997.

[3] 賈沛然,沈為民.彈道導彈彈道學[M].長沙：國防科技大學出版社，1981.

The Research of Starlight and Visible-Light Composited Seeker of Space Weapon

Zhang Jun1, 2

1.National Key Laboratory of Science and Technology on Aerospace Intelligence Control, Beijing 100854, China 2. Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Fromthedevelopmentpointofviewofspacetechnology,therealcombatspaceweaponentersanewstage.Thetargetimageprocessingtechnologyhasbeenfocusedonthedevelopmentinrecentyears.Thispaperproposedanewtechniqueofstarlightvisible-lightcompositeimageprocesssystem.Itcombinesthestarlightsensorwiththevisible-lightseekeropticalsystemtogether,andusesthedifferentcontrolmodulestocompletetheimageprocesstask.Theadvantageofthisschemeismaximizingtheusageofhardwareresourceandreducingthepayload.Bydesigningtheengineeringprototypeandexperiments,verifiesthefeasibilityandthecorrectnessoftheapplicationofengineeringareverified.

Spaceattackanddefenseweapon;Combinationofimageprocessingsystemstar-sensor;Infraredseeker

2014-08-11

張 俊(1979-)，男，安徽馬鞍山人，工程師，主要研究方向為導航、制導控制技術(shù)。

V442

A

1006-3242(2016)02-0027-04