[发明专利]一种二维指向机构伺服控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于图像反馈和光学矢量理论的二维指向机构伺服控制方法及系统，通过在主光路中增加测量相机，并利用成像的快速图像处理结果作为馈源，建立图像伺服闭环回路，通过图像反馈对快速扫摆镜进行主动控制，完成调整相机主光轴的指向，达到对成像目标的搜索、凝视跟踪功能。提高了遥感相机的成像效率。通过结合光学矢量反射理论设计伺服控制律，消除了电机转角和光轴指向之间的非线性关系，以提高控制的针对性，有利于提高快速扫摆镜的指向精度和成像系统的稳定性。

技术领域

本发明涉及用于搜索和跟踪的光电探测系统中的指向镜控制方法及系统，具体涉及采用测量相机探测成像，并利用图像处理结果结合光学矢量理论进行闭环控制，以驱动指向镜精确指向的技术。

背景技术

近年来国外发射的许多光学遥感仪器上都采用了指向或扫描装置，且在轨运行状态良好。美国GOES(地球同步环境卫星)系列是地球同步静止轨道的气象卫星。其中采用三轴姿态稳定方式的GOES－I/M上所安装的扫描成像器IMAGER采用摆镜东西扫描方式，它利用两个感应同步器来测量摆镜的机械转角位移，扫描镜的指向驱动采用力矩电机。其工作原理：扫描控制器依据输入指令进行初始化，根据感应同步器测角信号确定扫描镜的角位置，当设定位置与起始位置的角位移被计算出后，驱动电机以10°/s的速率到达设定位置。当东/西电机到位后，北/南电机按照指令开始进行有限转角的扫描运动。在每条扫描线接近结束时，控制系统发出减速命令，使扫描镜准确定位，并有利于它开始回扫。

美国Landsat(陆地卫星)系列是太阳同步轨道资源卫星，Landsat-4、5上的TM(主体测绘仪)是摆扫式的多光谱扫描辐射计，其双向摆动扫描系统由扫描驱动装置、扫描镜(两侧由挠曲枢轴支撑)、扫描角度监测器、扫描控制系统、双页减震器和扫描线校正装置等组成。扫描镜进行穿轨迹方向的来回扫描，正反扫描都能够获取图像数据。

SPOT-5是由法国国家航天研究中心设计的太阳同步轨道地球资源遥感卫星，其载荷中包括两台相同的HRG(高分辨率几何)相机。HRG相机利用指向镜机构获得倾斜视角观测能力，最大侧视角度为27°。SPOT-5卫星遥感系统中的指向镜驱动控制模块(SCM)包括两个部分：一是扫描带选择(Strip-Selection)指向镜驱动机构，执行器采用步进电机；二是电机重聚焦和定位编码器，采用光栅编码器提供控制步进电机所需的位置反馈信号。

我国第一代极轨气象卫星FY-1(风云一号)携带的扫描辐射计采用了45°旋转反射镜扫描方式，扫描反射镜转轴与镜面成45°夹角，且与卫星飞行方向和光学系统光轴方向一致。反射镜绕轴旋转，扫描面和轨道面垂直，从背阳面一侧扫入地球，卫星从北向南飞行时扫描反射镜从西向东扫描，光学瞬时视场接收星下点两侧目标辐射，借助于卫星绕地球的运动，获取地球的二维景象。45°旋转反射镜扫描模式具有观测范围大、可在扫描目标范围外观测到定标源和冷空间使遥感仪器进行飞行中定标、而且尺寸较小等优点。

我国第一代地球同步静止轨道气象卫星FY-2(风云二号)采用自旋稳定方式，其自旋轴垂直于赤道面，自旋转速100r/min。FY-2卫星多通道扫描辐射计的R-C光学系统主光轴垂直于卫星自旋轴，与地球赤道平面平行，星下点指向赤道，依靠卫星自旋和望远镜整体步进来实现对地球的二维扫描。辐射计随卫星自旋从西向东扫描地球，卫星每自旋1周，望远镜自北向南步进一次，步距角140μrad，完成一条线的扫描。每幅地球圆盘图共需扫描2500条线，耗时25min，自北向南扫过20°，完成一幅全球扫描图后，望远镜用2.5min由南向北回到北极限位置。扫描辐射计在主光学系统和后光路之间设置了折镜，望远镜做南北方向步进运动时，折镜也要同时步进。望远镜筒和折镜步进方向相同，因折镜对入射光作二倍角的反射，折镜步进角为望远镜筒步进角的一半。

目前现有的实例中，二维指向镜的控制方法的特点为扫描轨迹为程序预设，只能完成对目标区域的周期扫描，并不能完成对目标的主动搜索与凝视。

发明内容