空間遙感智能載荷及其關(guān)鍵技術(shù)

尤政王翀邢飛孫婷

（1清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系，北京 1 00084）（2清華大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 1 00084）

1 引言

最近幾年，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家研制的高分辨率光學(xué)衛(wèi)星的幾何定位精度大幅提高，為了降低成本，提高成像品質(zhì)，此類衛(wèi)星一般采用輕量型、小型化、靈巧型設(shè)計(jì)。例如，法國(guó)SPOT-5衛(wèi)星達(dá)到了50m的定位精度，利用單個(gè)控制點(diǎn)定位精度可達(dá)15m[1]；1999年發(fā)射的Ikonos-2圖像地理定位精度在無(wú)地面控制點(diǎn)條件下達(dá)到15m[2]；其后，美國(guó)的QuickBird-2衛(wèi)星地理定位精度在無(wú)地面控制點(diǎn)條件下達(dá)到16m[3]；2007年發(fā)射的WorldView-1衛(wèi)星在無(wú)控制平面定位精度達(dá)到5m。目前，全球最高分辨率的商業(yè)衛(wèi)星Geoeye能提供優(yōu)于4m的無(wú)控制點(diǎn)定位精度；法國(guó)發(fā)射計(jì)劃中的Pleiades衛(wèi)星其無(wú)地面控制點(diǎn)地理定位精度也將能達(dá)到3m[4]。為了增強(qiáng)光學(xué)遙感載荷的空間、時(shí)間分辨力，相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)一般采用離軸TMA系統(tǒng)或同軸三反射Cassegrain系統(tǒng)擴(kuò)大視場(chǎng)[5-7]，同時(shí)應(yīng)用衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)實(shí)現(xiàn)側(cè)擺和俯仰推掃成像，獲得更大的幅寬和成像靈活性，滿足多任務(wù)的需要。但是，伴隨成像分辨率和任務(wù)靈活性的提高，也出現(xiàn)了諸多亟待解決的技術(shù)問(wèn)題，如實(shí)時(shí)成像控制、參數(shù)策略調(diào)整、衛(wèi)星精密姿態(tài)控制技術(shù)、事后圖像增強(qiáng)及修復(fù)技術(shù)等。為實(shí)現(xiàn)高分辨率空間光學(xué)成像和準(zhǔn)確的幾何定位，國(guó)外先進(jìn)的高分辨率光學(xué)衛(wèi)星很多都采用了類似于智能載荷的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)技術(shù)手段，將測(cè)量系統(tǒng)與相機(jī)一體化集成設(shè)計(jì)，提高了光軸指向確定精度，減少了姿態(tài)確定誤差的傳遞。目前國(guó)際上尚未有直接的智能化載荷系統(tǒng)出現(xiàn)，但在姿軌測(cè)量及成像一體化系統(tǒng)方面已取得了一些重要成果。本文介紹的實(shí)時(shí)定姿定位高精度一體化智能載荷是將姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、遙感相機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)一體化集成及數(shù)據(jù)的深耦合設(shè)計(jì)，突破各種空間光學(xué)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)而成的，具有在軌實(shí)時(shí)調(diào)整成像控制策略，數(shù)據(jù)處理和分析及高精度定姿定位能力和圖像處理能力的遙感系統(tǒng)。

2 智能載荷系統(tǒng)一體化技術(shù)

為了適應(yīng)未來(lái)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的需求，突破相關(guān)技術(shù)瓶頸，提高遙感器的壽命和可靠性，降低整星質(zhì)量和功耗，減少整星研制測(cè)試周期，獲取更高品質(zhì)的遙感觀測(cè)圖像，本文提出實(shí)時(shí)定姿定位高精度一體化智能載荷技術(shù)，將實(shí)現(xiàn)星敏感器、MEMS陀螺、GPS與高精度遙感相機(jī)為一體的智能載荷系統(tǒng)。這一技術(shù)可提高衛(wèi)星有效載荷比、空間分辨力、時(shí)間分辨率和圖像定位精度，實(shí)現(xiàn)輕量化、低功耗、較短研制周期和獲取高品質(zhì)遙感圖像的目標(biāo)。智能載荷集高精度實(shí)時(shí)定姿定位技術(shù)、星上數(shù)據(jù)分析處理、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、成像控制、策略調(diào)整功能于一體，顯著增強(qiáng)對(duì)地觀測(cè)任務(wù)的靈活性和適用性，大幅提高在軌成像分辨率和像質(zhì)。系統(tǒng)將在較少的人工干預(yù)下，獨(dú)立完成并優(yōu)化航天偵察、測(cè)繪等對(duì)地觀測(cè)任務(wù)。

傳統(tǒng)星、載分立式設(shè)計(jì)中，因姿態(tài)測(cè)量部件與成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局的緊湊性不強(qiáng)，星敏、陀螺的測(cè)量數(shù)據(jù)與成像載荷實(shí)際姿態(tài)運(yùn)動(dòng)存在較大的誤差，且存在信息延遲。實(shí)踐證明，測(cè)量誤差因平臺(tái)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)和顫振尤為顯著，降低了空間相機(jī)成像控制調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)性和精度，最終影響遙感成像品質(zhì)。智能載荷采用星、載結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)理念，一方面有利于優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少冗余，實(shí)現(xiàn)輕量化；另一方面通過(guò)姿態(tài)測(cè)量部件的優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的集成度，有利于實(shí)現(xiàn)在軌實(shí)時(shí)成像控制與像移匹配，提高成像動(dòng)態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)。

2.1 一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能載荷系統(tǒng)采用姿態(tài)敏感器與空間相機(jī)一體化設(shè)計(jì)的理念，包括兩個(gè)星敏感器、一個(gè)IMU測(cè)量單元以及相機(jī)系統(tǒng)。綜合考慮力、熱、光等多學(xué)科特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)各學(xué)科分立式設(shè)計(jì)仿真流程進(jìn)行整合，構(gòu)建協(xié)同仿真的一體化平臺(tái)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)由協(xié)同仿真平臺(tái)統(tǒng)一管理。以高性能成像為優(yōu)化目標(biāo)，分屬于不同學(xué)科的設(shè)計(jì)需求，依照不同理論體系將眾多需求轉(zhuǎn)換為各學(xué)科相應(yīng)的設(shè)計(jì)輸入，每個(gè)學(xué)科應(yīng)用各自的設(shè)計(jì)方法和工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)將結(jié)果反饋給協(xié)同仿真平臺(tái)，此平臺(tái)根據(jù)優(yōu)化策略和目標(biāo)完成智能載荷結(jié)構(gòu)的自動(dòng)迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)。

智能載荷姿態(tài)敏感單元由微型高精度星敏感器、MEMS陀螺儀組合而成，并利用雙頻高精度GPS輔助系統(tǒng)，進(jìn)行高精度的天文導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航等多元數(shù)據(jù)融合。其中，星敏感器和微慣性儀表采用集成安裝基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，既減小了總體結(jié)構(gòu)尺寸又保持較大的結(jié)構(gòu)剛度。兩個(gè)星敏感器與IMU單元構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的高精度姿態(tài)測(cè)量體，星敏感器采用一體化雙視場(chǎng)構(gòu)型，3個(gè)MEMS陀螺采用與星敏感器結(jié)構(gòu)集成安裝設(shè)計(jì)方式。如圖1所示。

圖1 一體化實(shí)時(shí)定姿定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of integrated system of real-time position and attitudedetermination

將姿態(tài)測(cè)量單元按照一定的角度安裝在相機(jī)的主承力板上。為保證系統(tǒng)在側(cè)擺和前后擺等多種成像模式下的正常工作，需要綜合考慮太陽(yáng)、地球等。

基于光線對(duì)于星敏感器的影響，設(shè)計(jì)出一種最優(yōu)的組合方式，保證兩個(gè)星敏感器的光軸保持垂直，在各種工況下保證星敏感器的光軸與太陽(yáng)夾角大于38°，與地氣光夾角大于25°。考慮到軌道的偏移和變化、衛(wèi)星的運(yùn)行模式等因素，通過(guò)STK仿真計(jì)算在衛(wèi)星壽命期間衛(wèi)星的軌道面與太陽(yáng)矢量的角度關(guān)系（如圖2所示），確定兩者之間的最小夾角。

圖2 太陽(yáng)矢量與軌道面的夾角在一年中的變化Fig.2 Variation of the anglesbetween sun vector and satellite orbital plane

智能載荷的一體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還應(yīng)盡量減少環(huán)境溫度變化對(duì)系統(tǒng)的影響。為了消除溫度對(duì)智能載荷系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱補(bǔ)償，使系統(tǒng)在一個(gè)較大的溫度范圍內(nèi)保持較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和成像品質(zhì)，從而能夠在較大溫度范圍的環(huán)境下正常工作。除了傳統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)中的機(jī)械主、被動(dòng)式熱補(bǔ)償技術(shù)及光學(xué)被動(dòng)式熱補(bǔ)償技術(shù)以外，在一體化的設(shè)計(jì)方案中還特別加入了影響智能載荷性能的電子學(xué)部分的熱控措施，由于相機(jī)焦平面、CCD焦平面和MEMS陀螺系統(tǒng)緊湊，整體的質(zhì)量和熱容量較小，且整體工作溫度一致，可以實(shí)現(xiàn)很好的電子學(xué)熱包覆和控制。

圖3 智能載荷系統(tǒng)一體化結(jié)構(gòu)Fig.3 Structureof smart payload system

在動(dòng)力學(xué)特性方面，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)顫振能夠?qū)b感器光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)，其中高頻顫振對(duì)成像品質(zhì)的影響在小衛(wèi)星系統(tǒng)中表現(xiàn)尤為突出。鑒于此，智能載荷系統(tǒng)與衛(wèi)星平臺(tái)采用微振動(dòng)隔振設(shè)計(jì)方案，星敏感器與MEMS陀螺由于與相機(jī)焦面的剛性連接，能夠最大程度地抑制衛(wèi)星平臺(tái)高頻顫振對(duì)遙感器成像品質(zhì)的影響，低頻姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的影響較易通過(guò)行頻—像速的實(shí)時(shí)匹配消除。

2.2 智能載荷定姿定位技術(shù)

智能載荷定姿定位系統(tǒng)采用星敏感器圖像與陀螺進(jìn)行深耦合的方法對(duì)相機(jī)姿態(tài)進(jìn)行主動(dòng)測(cè)量。該方法將MEMS陀螺高精度的數(shù)據(jù)深耦合到星敏感器的圖像層面，將星點(diǎn)成像的PSF模型、探測(cè)器像素間的cross talk模型（圖4）、APS探測(cè)器（圖5）的rolling shutter模型與MEMS陀螺測(cè)量模型進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)造出高動(dòng)態(tài)的星點(diǎn)成像追跡方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)高速星點(diǎn)成像，類似于長(zhǎng)期推掃的方法計(jì)算出星點(diǎn)的運(yùn)行，將原來(lái)星敏感器的星圖識(shí)別從幀轉(zhuǎn)移的概念轉(zhuǎn)移到行轉(zhuǎn)移的概念上，并從理論層面上解決頻率在20Hz以內(nèi)的微振動(dòng)的主動(dòng)測(cè)量。

圖4 Crosstalk模型Fig.4 Cross talk model

圖5 APS卷簾曝光模式Fig.5 APSrolling shutter mode

采用星敏感器與MEMS陀螺組合，提供相對(duì)于慣性系的姿態(tài)與角速率參數(shù)，GPS提供軌道參數(shù)信息以及相對(duì)于軌道系的坐標(biāo)變換基準(zhǔn)參數(shù)；軌道確定部分由于涉及到力學(xué)模型遞推等環(huán)節(jié)，計(jì)算量較大，智能載荷定姿定位系統(tǒng)采用EKF濾波；姿態(tài)確定部分要求滿足高動(dòng)態(tài)、高精度、實(shí)時(shí)性要求，故采用平方根SSUKF濾波算法。為了應(yīng)對(duì)非同步、周期不確定的多源信息融合過(guò)程，并提高系統(tǒng)可靠性，需要系統(tǒng)在采樣時(shí)點(diǎn)對(duì)各通道的多速率敏感器信息更新情況進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而調(diào)整多源信息的融合結(jié)構(gòu)；識(shí)別矢量敏感器的視場(chǎng)受限情況，并通過(guò)重構(gòu)充分利用冗余傳感器的信息，保證系統(tǒng)整體的工作不間斷；根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律對(duì)各敏感器進(jìn)行故障監(jiān)視與診斷，通過(guò)系統(tǒng)重構(gòu)對(duì)故障敏感器進(jìn)行隔離。

智能載荷定姿定位算法軟件原理如圖6所示：

圖6 智能載荷一體化定姿定位系統(tǒng)算法原理Fig.6 Algorithmsof attitude and position determination for smart payload

此算法通過(guò)SR-SSUKF定姿算法并結(jié)合GPS的輸出，提高M(jìn)EMS陀螺、星敏感器的姿態(tài)測(cè)量的精度和輸出頻率，實(shí)現(xiàn)了各傳感器的數(shù)據(jù)深耦合，為在軌實(shí)時(shí)定姿定位、衛(wèi)星姿態(tài)控制和載荷相機(jī)系統(tǒng)的成像控制提供了重要的測(cè)量數(shù)據(jù)。

3 基于數(shù)據(jù)深耦合的高分辨率成像技術(shù)

智能載荷的相機(jī)與姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上相對(duì)緊湊，數(shù)據(jù)深耦合，通過(guò)獨(dú)立于衛(wèi)星平臺(tái)的載荷計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)定姿定位、高分辨率成像的分析決策、優(yōu)化控制、參數(shù)調(diào)整等功能。

3.1 智能載荷相機(jī)成像鏈與像質(zhì)

為了適應(yīng)未來(lái)光學(xué)遙感任務(wù)對(duì)空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率的要求，智能載荷側(cè)擺成像實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)異軌重訪，俯仰成像實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的立體成像。這些工作模式對(duì)遙感器光學(xué)設(shè)計(jì)、成像控制單元與AOCS單元的協(xié)作、載荷計(jì)算機(jī)的在軌決策處理能力都提出了更高的要求。在相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)、電子學(xué)系統(tǒng)、目標(biāo)輻射特性和大氣條件確定的情況下，在軌動(dòng)態(tài)MTF主要決定于像移匹配的精度。智能載荷相機(jī)控制器應(yīng)用實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)作為輸入量，計(jì)算像移速度及偏流角，根據(jù)像速場(chǎng)的分布確定各TDICCD的行頻，保持曝光積分時(shí)序與像速的同步；確定焦面偏流機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，控制CCD推掃方向與像速方向的對(duì)準(zhǔn)。

幾乎所有遙感相機(jī)在大角度側(cè)擺與大角度俯仰成像模式時(shí)的焦面像速場(chǎng)分布較平飛模式時(shí)表現(xiàn)出更強(qiáng)的非線性。行頻與偏流機(jī)構(gòu)的控制對(duì)光流相軌跡的匹配必定存在系統(tǒng)誤差，且因不同像元而異。主要原因?yàn)椋?)各CCD安裝在焦面的位置差異及同一CCD的不同像元位置的像速大小和方向均不同。2)同一CCD在同一時(shí)刻各像元均保持同一行頻積分。3)焦面TDICCD平行交錯(cuò)拼接決定偏流機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不能使所有像元的偏流角得到完全補(bǔ)償。4)相機(jī)姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差和傳輸延遲引起行頻的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際像速存在偏差。以某遙感器為例，各工作模式的焦面像速絕對(duì)值與偏流角分布如圖7～9所示。由以上分析可以看出這些系統(tǒng)誤差直接決定了遙感圖像的動(dòng)態(tài)傳函，在大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)且積分級(jí)數(shù)較多時(shí)，圖像退化更加明顯。因此像速匹配控制的優(yōu)劣勢(shì)必成為遙感相機(jī)成像鏈各環(huán)節(jié)中“木桶效應(yīng)”的短板，同時(shí)也是通過(guò)合理設(shè)計(jì)能夠有效改善的環(huán)節(jié)。

圖7 平飛模式在焦面坐標(biāo)系中瞬態(tài)像速模量與偏流角分布Fig.7 Imagevelocities and deflect angles distribution for level off imaging mode

圖8 大角度側(cè)擺模式在焦面坐標(biāo)系中瞬態(tài)像速模量與偏流角分布Fig.8 Image velocitiesand deflect angles distribution for side looking 38°

圖9 大角度俯仰模式在焦面坐標(biāo)系中瞬態(tài)像速模量與偏流角分布Fig.9 Image velocitiesand deflect anglesdistribution for pitching 38°

3.2 智能載荷在軌成像控制

智能載荷姿態(tài)測(cè)量單元與光學(xué)相機(jī)在結(jié)構(gòu)上的一體化設(shè)計(jì)及在數(shù)據(jù)上的深耦合，極大提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的精度和實(shí)時(shí)性。根據(jù)姿軌實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，應(yīng)用高效像速算法計(jì)算瞬態(tài)像速場(chǎng)分布，由智能載荷相機(jī)控制器優(yōu)化確定CCD行頻及偏流機(jī)構(gòu)最優(yōu)控制策略，通過(guò)CCD成像電子學(xué)單元及偏流機(jī)構(gòu)機(jī)電控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)像速的最優(yōu)匹配，確保重點(diǎn)目標(biāo)成像品質(zhì)接近衍射極限，提高動(dòng)態(tài)傳函和信噪比，獲得高分辨率和解析度的0級(jí)遙感圖像。

智能載荷系統(tǒng)的綜合數(shù)據(jù)分析處理單元具有對(duì)圖像的數(shù)據(jù)壓縮和初步分析功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)識(shí)別和判讀，并通過(guò)智能載荷高精度實(shí)時(shí)定姿、定位能力鎖定重點(diǎn)目標(biāo)位置，并可進(jìn)入目標(biāo)跟蹤模式。成像控制系統(tǒng)將識(shí)別信息與姿軌測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合確定最優(yōu)算法，并通過(guò)姿態(tài)機(jī)動(dòng)完成對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)在同一軌的多次高清晰跟蹤成像。這一技術(shù)大幅提高了遙感器的靈活性、任務(wù)效率和精確度。系統(tǒng)架構(gòu)及控制原理如圖10所示。

圖10 智能載荷數(shù)據(jù)融合及成像控制原理Fig.10 Data fusion and image formation control of smart payload

遙感衛(wèi)星姿態(tài)的測(cè)量精度和帶寬對(duì)確定影像拍攝時(shí)段的相機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、動(dòng)態(tài)推掃時(shí)CCD圖像傳感器行頻-像速失配誤差及偏流角跟蹤補(bǔ)償誤差有著重要意義。這些物理量的確定可直接決定圖像各像素點(diǎn)的動(dòng)態(tài)成像匹配誤差，進(jìn)而通過(guò)圖像去卷積算法精確反演和恢復(fù)原始圖像，消除運(yùn)動(dòng)模糊。目前，國(guó)內(nèi)外報(bào)道的所有星敏感器測(cè)量精度與陀螺儀的測(cè)量精度和帶寬，均不能滿足對(duì)曝光時(shí)間內(nèi)像點(diǎn)相對(duì)感光區(qū)域亞像元漂移的預(yù)測(cè)需求，難以對(duì)圖像PSF反卷積核精確估計(jì)。針對(duì)這一問(wèn)題，智能載荷系統(tǒng)研發(fā)了一種基于遙感器成像控制數(shù)據(jù)的焦面CCD交錯(cuò)拼接圖像重疊條帶的密集配準(zhǔn)采樣技術(shù)，由于將實(shí)時(shí)定姿定位數(shù)據(jù)應(yīng)用于圖像配準(zhǔn)算法中掩模圖像的預(yù)處理，配準(zhǔn)精度優(yōu)于0.1像元。由于先驗(yàn)知識(shí)的引入使得配準(zhǔn)準(zhǔn)確度較一般空域配準(zhǔn)算法(如灰度相關(guān)配準(zhǔn)、Sift算法等)顯著提高。根據(jù)這一技術(shù)所測(cè)量CCD拼接條帶圖像配準(zhǔn)偏移量經(jīng)動(dòng)態(tài)成像光流方程的逆向計(jì)算，可反演求解遙感器姿態(tài)高精度數(shù)據(jù)和因空間環(huán)境引起的光學(xué)系統(tǒng)鏡頭、安裝畸變量等重要數(shù)據(jù)信息。因?yàn)閳D像最高采樣率可達(dá)到TDICCD行轉(zhuǎn)移頻率，遙感器姿態(tài)測(cè)量帶寬亦可達(dá)到這一量級(jí)，即數(shù)百至數(shù)千赫茲以上，事后姿態(tài)測(cè)量精度和帶寬遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量?jī)x器。這一技術(shù)不僅適用于圖像的像移失配精算和去卷積恢復(fù)，而且可以用于星敏和陀螺的數(shù)據(jù)標(biāo)定，真正實(shí)現(xiàn)了星敏、陀螺、相機(jī)的數(shù)據(jù)融合，為智能載荷在軌成像策略及控制方法的調(diào)整提供了重要的支持，極大地增強(qiáng)了遙感器的性能和智能化水平。

4 智能載荷系統(tǒng)標(biāo)定測(cè)試技術(shù)

智能載荷的一體化設(shè)計(jì)、安裝和數(shù)據(jù)耦合方案，決定了必須研制與之匹配的一體化的測(cè)量、標(biāo)定及測(cè)試方法，主要包括實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定測(cè)試和外場(chǎng)成像測(cè)試，對(duì)各種在軌成像功能進(jìn)行模擬，對(duì)其性能予以測(cè)試評(píng)價(jià)。

4.1 一體化測(cè)量方法

為了保證星敏感器、MEMS陀螺儀等姿態(tài)敏感儀器和相機(jī)的安裝標(biāo)定，在地面安裝時(shí)應(yīng)將它們調(diào)整到規(guī)定的幾何精度。幾何精度包括兩個(gè)方面：相機(jī)殼體結(jié)構(gòu)精度和儀器設(shè)備的安裝精度。用光學(xué)方法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，在被檢測(cè)儀器和設(shè)備上設(shè)置光學(xué)基準(zhǔn)，只要把被測(cè)產(chǎn)品測(cè)量特性轉(zhuǎn)化為一個(gè)平面反射鏡，就可以實(shí)現(xiàn)用光學(xué)方法進(jìn)行精度測(cè)量。對(duì)于星敏感器和相機(jī)，可以用垂直于光軸的平面鏡來(lái)代替光軸。精度測(cè)量系統(tǒng)采用非接觸式大尺寸測(cè)量系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)既可以測(cè)量目標(biāo)的角度，又可以測(cè)量其坐標(biāo)值。

4.2 智能載荷實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

利用20m焦距平行光管和轉(zhuǎn)臺(tái)，進(jìn)行智能載荷的室內(nèi)靶標(biāo)成像試驗(yàn)，包括靜態(tài)目標(biāo)的推掃成像、智能載荷陀螺閉環(huán)下的行頻自匹配推掃和動(dòng)態(tài)目標(biāo)發(fā)生器成像等。目標(biāo)主要有：刀口靶標(biāo)、星點(diǎn)靶標(biāo)、放射狀分辨率靶、Nyquist頻率條紋靶及變透過(guò)率輻射目標(biāo)靶等，可對(duì)彌散斑、分辨率、傳遞函數(shù)和輻射分辨率進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)智能載荷的陀螺閉環(huán)行頻自匹配推掃，在定量評(píng)價(jià)成像品質(zhì)的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證智能載荷成像控制的自主性。通過(guò)配合平行光管使用的動(dòng)態(tài)目標(biāo)發(fā)生器，模擬智能在軌成像過(guò)程，獲得智能載荷在不同狀態(tài)下的傳遞函數(shù)特征，為圖像的評(píng)價(jià)提供依據(jù)。同時(shí)，在室內(nèi)成像中進(jìn)行智能載荷主點(diǎn)、主距和畸變的標(biāo)定測(cè)試。利用星點(diǎn)靶標(biāo)和平行光管構(gòu)成具有空間角度的平行光束，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)星點(diǎn)成像進(jìn)行像點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量，轉(zhuǎn)臺(tái)讀取角度數(shù)據(jù)，獲得用于智能載荷標(biāo)定的測(cè)量數(shù)據(jù)，為定位精度的計(jì)算提供依據(jù)。

4.3 外場(chǎng)天體成像測(cè)試

智能載荷各組件功能的全面測(cè)試在夜間進(jìn)行，為星敏感器的工作創(chuàng)造條件。智能載荷可以實(shí)現(xiàn)自主驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，控制相機(jī)捕獲天體目標(biāo)和對(duì)目標(biāo)的推掃成像。應(yīng)用具有高度準(zhǔn)確星歷及姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的月球等近地行星作為曲面成像目標(biāo)，模擬智能載荷對(duì)地成像中各種規(guī)律。測(cè)試對(duì)行星表面指定區(qū)域的高精度像速匹配拍攝?？紤]月球相對(duì)地球的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)（即月球天平動(dòng)）引起的成像條件變化，基于姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算這一特定目標(biāo)區(qū)域的精確像速（考慮月球曲率引起像速畸變及偏流角畸變），在月歷周期內(nèi)不同時(shí)間對(duì)月球同一區(qū)域（如邊界分明的環(huán)形山）進(jìn)行高精度像速匹配成像。

測(cè)試試驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想是應(yīng)用天文學(xué)中月球天平動(dòng)可使同一月歷內(nèi)月球相對(duì)地球可視范圍為59%這一規(guī)律，月面同一區(qū)域在月歷周期內(nèi)相對(duì)地球的位形發(fā)生了變化（與地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)相當(dāng)）。進(jìn)行多次推掃試驗(yàn)，均保持月球相對(duì)相機(jī)相同的平動(dòng)速度（通過(guò)地、月軌道及相機(jī)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)控制，其效果與對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的效應(yīng)相當(dāng)）。與此同時(shí)，事先應(yīng)用JPL—DE421（包括章動(dòng)和天平動(dòng)，月球插值精度優(yōu)于1m）星歷參數(shù)建立計(jì)算月球與地球相對(duì)位置坐標(biāo)與速度的切比雪夫插值解析多項(xiàng)式。利用相關(guān)天文學(xué)參數(shù)計(jì)算月球相對(duì)地球的幾何天平動(dòng)，通過(guò)像速公式精確計(jì)算這一目標(biāo)區(qū)域在相機(jī)坐標(biāo)系中的像速和偏流角，載荷控制器將這些成像控制量實(shí)時(shí)發(fā)送至相機(jī)控制機(jī)構(gòu)及CCD成像單元進(jìn)行動(dòng)態(tài)推掃成像。

應(yīng)用外場(chǎng)天體成像試驗(yàn)所獲取的試驗(yàn)成像數(shù)據(jù)對(duì)載荷成像性能（MTF、地面分辨率）、輻射性能（輻射分辨率、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍與響應(yīng)線性度）、幾何性能（幾何定位精度等）、圖像品質(zhì)（亮度、方差、對(duì)比度、清晰度、信噪比、角二階矩、綜合質(zhì)量等）進(jìn)行分析與評(píng)估，對(duì)載荷成像性能進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文論述的實(shí)時(shí)定姿定位高精度一體化智能載荷的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是針對(duì)當(dāng)代空間遙感器對(duì)成像分辨力、任務(wù)靈活性和智能化的需求的研究成果。通過(guò)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)與光學(xué)相機(jī)的一體化設(shè)計(jì)，強(qiáng)化了遙感載荷輕量化及姿軌數(shù)據(jù)與成像數(shù)據(jù)的融合，全面提高了相機(jī)成像控制和系統(tǒng)定姿定位精度；基于數(shù)據(jù)深耦合的圖像條帶的測(cè)量實(shí)現(xiàn)了高精度和寬帶姿態(tài)反演測(cè)量，使得通過(guò)相機(jī)圖像對(duì)星敏和陀螺的進(jìn)行互校成為可能，能夠精確計(jì)算圖像各點(diǎn)因姿態(tài)顫振引起卷積核，實(shí)現(xiàn)圖像的非盲反卷積恢復(fù)，較傳統(tǒng)盲反卷積圖像恢復(fù)具有更多的先驗(yàn)信息。針對(duì)智能載荷的特點(diǎn)而開(kāi)發(fā)的智能載荷系統(tǒng)標(biāo)定和測(cè)試技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在地面對(duì)載荷原理樣機(jī)姿態(tài)測(cè)量與成像的全面檢驗(yàn)。

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