[发明专利]一种对非合作运动目标跟踪成像的视频卫星姿态控制方法

摘要

针对视频卫星对非合作运动目标的跟踪成像问题，本发明提供了一种对非合作运动目标跟踪成像的视频卫星姿态控制方法，首先给出了视频卫星跟踪成像时姿态调整对图像的影响公式，基于此提出了一种考虑了执行机构滞后性的跟踪成像反馈控制策略，并设计了控制器。实际应用中，将由该方法计算得到的控制量传输至执行机构即可实现对非合作运动目标跟踪成像的姿态控制功能。实践表明，由该方法控制的闭环系统能够实现对非合作运动目标的跟踪成像。

主权项

一种对非合作运动目标跟踪成像的视频卫星姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定视频图像中的中心区域与警戒线；定义像素坐标系O‑xy，其以视频图像中心为坐标系原点，以像素为坐标单位，x,y分别表示像素点在视频图像中的列数与行数；设视频图像的分辨率为m×n，设m≥n，画面中心区域S由(‑m/4,n/4),(m/4,n/4),(m/4,‑n/4),(‑m/4,‑n/4)围成，警戒线由(‑m/2+n/8,3n/8),(m/2‑n/8,3n/8),(m/2‑n/8,‑3n/8),(‑m/2+n/8,‑3n/8)连接而成；S2、推导视频卫星跟踪成像时姿态调整对视频图像的影响公式；设相机光轴与卫星体坐标系Z轴重合，卫星体坐标系的X轴与Y轴与像素坐标系O‑xy的X轴与Y轴平行且方向相反；视频卫星姿态调整前目标坐标为(u1,v1)，调整后目标坐标为(u2,v2)，视频卫星相对于调整前的3‑2‑1姿态欧拉角为Δψ设为0，而与Δθ均为小于1°的小量，于是得到由视频卫星跟踪成像时的姿态调整确定的像素坐标系变换公式其中d为视频卫星上的星载相机的像元大小；S3、确定跟踪成像反馈控制策略；由步骤S2中的式(1)可以得到设已检测出目标坐标为(u,v)，则欲让目标回到画面中心区域，需要调整的3‑2‑1姿态欧拉角为(0,du,‑dv)，在此确定跟踪成像反馈控制策略如下：Step 1.当目标脱离画面中心区域，即时，比较大小，若i＝1，否则i＝2；Step 2.若i＝1，调整视频卫星姿态使|v|→0，即将绕卫星体坐标系X轴旋转‑dv传递给控制器；若i＝2，调整姿态使|u|→0，即将绕体坐标系Y轴旋转du传递给控制器；Step 3.在控制器控制执行机构调整视频卫星姿态过程中，视频卫星持续检测并跟踪目标，若目标到达警戒线，即或回到Step 1；Step4.视频卫星姿态调整完成后，若(u,v)∈S，则反馈控制结束，视频卫星保持姿态稳定状态观测目标，否则回到Step 1；S4、设计控制器按照步骤S3中确定的跟踪成像反馈控制策略，视频卫星姿态调整时仅需在步骤S3中i＝1的情形下绕X轴旋转角度θ或在步骤S3中i＝2的情况下绕Y轴旋转角度θ，忽略外部干扰力矩，可得PD控制器为：ui＝‑kp(θi‑θ0‑θ)‑kdωi                   (3)其中：ui表示第i轴上的执行机构产生的控制力矩，ωi是视频卫星体坐标系角速度在第i轴上的分量，θi是卫星姿态调整过程中相对惯性系的姿态欧拉角在第i轴上的分量；θ0是卫星姿态调整前相对惯性系的姿态欧拉角在第i轴上的分量，kp和kd为正常数；其中当i＝1时，第i轴为X轴；当i＝2时，第i轴为Y轴。