高精度星載點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付智紅1，王黎明2，劉 冰1

（1.北京空間機(jī)電研究所，北京 100094；2.北京特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100028）

高精度星載點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付智紅1，王黎明2，劉 冰1

（1.北京空間機(jī)電研究所，北京 100094；2.北京特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100028）

一種高精度星載點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤系統(tǒng)，利用擬合點(diǎn)目標(biāo)軌跡曲線的方法將點(diǎn)目標(biāo)位置數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化成多項(xiàng)式系數(shù)的數(shù)據(jù)包，由地面測(cè)控系統(tǒng)發(fā)送至星上遙感器指向控制單元，指向控制單元與時(shí)間管理單元解析數(shù)據(jù)包中時(shí)間參數(shù)與系數(shù)參數(shù)，控制指向鏡機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，對(duì)點(diǎn)目標(biāo)軌跡進(jìn)行自主跟蹤；此方法提高了跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度，減輕了目標(biāo)跟蹤時(shí)總線通信壓力；經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)的跟蹤精度遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤方法，可進(jìn)行推廣使用。

高精度；點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

星載遙感器在隨衛(wèi)星飛行時(shí)采用推掃或凝視方式對(duì)景物目標(biāo)的進(jìn)行成像。在一些特定場(chǎng)合、特定用途，星載遙感器需要獲得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的數(shù)據(jù)，這些運(yùn)動(dòng)目標(biāo)多為點(diǎn)目標(biāo)。對(duì)預(yù)知的點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤成像，即事先知道點(diǎn)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)其進(jìn)行跟蹤成像，需保證點(diǎn)目標(biāo)在整個(gè)跟蹤軌跡段均出現(xiàn)在星載遙感器有效視場(chǎng)內(nèi)。影響點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤精度的因素主要有時(shí)間跟蹤誤差因素和角度跟蹤誤差因素。

本文將針對(duì)影響點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤精度的主要因素進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一種新的星載點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤系統(tǒng)及方法。

1 現(xiàn)有技術(shù)及誤差分析

現(xiàn)有技術(shù)點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤方法：衛(wèi)星地面測(cè)控系統(tǒng)將包含點(diǎn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡逐點(diǎn)位置信息的數(shù)據(jù)以指令形式依次上傳至衛(wèi)星，衛(wèi)星通過側(cè)擺來逐點(diǎn)調(diào)整星載遙感相機(jī)的視軸，保證點(diǎn)目標(biāo)落在相機(jī)有效成像范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的連續(xù)跟蹤；此方法依賴于衛(wèi)星的側(cè)擺，點(diǎn)目標(biāo)的跟蹤誤差主要包括衛(wèi)星側(cè)擺誤差和時(shí)統(tǒng)誤差；通常衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的側(cè)擺控制精度能達(dá)到0.5°（3δ），時(shí)統(tǒng)誤差通常在500 ms，由該時(shí)間差導(dǎo)致的跟蹤誤差為0.05°，跟蹤總誤差為兩種誤差均方根合成，即總，得出總跟蹤誤差為0.5025°。由計(jì)算結(jié)果可見此方法跟蹤精度主要由衛(wèi)星側(cè)擺精度決定。此外，完成點(diǎn)目標(biāo)的軌跡跟蹤需要上傳大量的位置信息，長(zhǎng)時(shí)間占用總線資源，給數(shù)據(jù)管理帶來較大壓力。

表1 點(diǎn)目標(biāo)跟蹤誤差匯總

若遙感器視場(chǎng)角小于1°，通常要求跟蹤誤差小于1／3視場(chǎng)角，即為0.3°，上述方法將不能滿足使用要求，因此，需對(duì)跟蹤系統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)較小視場(chǎng)角的遙感器。

2 點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤系統(tǒng)

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的分析，點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤誤差中以衛(wèi)星側(cè)擺的精度誤差為最大，而通常星載遙感器指向鏡的指向精度可以達(dá)到0.03°（3δ），因此設(shè)計(jì)一種新的點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤系統(tǒng)，衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)穩(wěn)定，不需要衛(wèi)星平臺(tái)參與側(cè)擺，以相機(jī)指向鏡為主要擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)點(diǎn)目標(biāo)軌跡進(jìn)行跟蹤；同時(shí)采用曲線擬合法將逐點(diǎn)位置信息擬合成多項(xiàng)式，僅將多項(xiàng)式系數(shù)作為數(shù)據(jù)包內(nèi)容通過總線上傳至相機(jī)，相機(jī)進(jìn)行自主連續(xù)軌跡跟蹤，極大地減少了上傳數(shù)據(jù)數(shù)量，減少總線通信壓力。星上點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤系統(tǒng)包括：時(shí)間管理單元、指向控制單元、指向鏡電機(jī)機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤系統(tǒng)組成框圖

點(diǎn)目標(biāo)軌跡的運(yùn)動(dòng)通常為一段時(shí)間之內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的位置連續(xù)變化，映射到遙感器內(nèi)，即為一段時(shí)間之內(nèi)遙感器視軸的連續(xù)角度變化。點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤系統(tǒng)的功能即為在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)控制遙感器指向鏡以目標(biāo)軌跡反射的角度連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)跟蹤的原理如圖2所示。

圖2 相機(jī)對(duì)點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤原理

首先將預(yù)知點(diǎn)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡所對(duì)應(yīng)的視軸變化軌跡，擬合成指向鏡電機(jī)機(jī)構(gòu)的角度跟蹤曲線；通常指向系統(tǒng)為二維度控制系統(tǒng)，由俯仰向、滾動(dòng)向兩個(gè)軸系組成。將指向鏡電機(jī)機(jī)構(gòu)的角度跟蹤曲線分解為俯仰向跟蹤曲線和滾動(dòng)向跟蹤曲線，其中，俯仰向跟蹤曲線、滾動(dòng)向跟蹤曲線均以時(shí)間為變量，角度為參變量；點(diǎn)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)應(yīng)的視軸角度與指向鏡電機(jī)機(jī)構(gòu)俯仰向角度、滾動(dòng)向角度之間的具體轉(zhuǎn)換方法如圖3所示。

圖3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系

假定XYZO為衛(wèi)星所在的軌道坐標(biāo)系（衛(wèi)星慣性坐標(biāo)系），首先將點(diǎn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡在YOZ面上投影，得到點(diǎn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡與投影之間的夾角并作為對(duì)應(yīng)于衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的俯仰角α。其中，如果點(diǎn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡位于＋X軸，則其對(duì)應(yīng)的俯仰角α為正；如果點(diǎn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡位于－X軸，則其對(duì)應(yīng)的俯仰角α為為負(fù)。然后將點(diǎn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡在軌道坐標(biāo)系XOZ面上投影，得到點(diǎn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡與投影之間的夾角并作為對(duì)應(yīng)于衛(wèi)星本體坐標(biāo)系滾動(dòng)角β。其中，如果點(diǎn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡位于＋Y軸，則其對(duì)應(yīng)的滾動(dòng)角β為負(fù)；如果點(diǎn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡位于－Y，則其對(duì)應(yīng)的滾動(dòng)角β為正。最后將得到的對(duì)應(yīng)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的俯仰角α、滾動(dòng)角β轉(zhuǎn)換成指向鏡電機(jī)機(jī)構(gòu)跟蹤曲線的俯仰角α指向鏡和滾動(dòng)角β指向鏡，α指向鏡＝。

為了提高跟蹤精度，可以采用全局尋優(yōu)的方法找出跟蹤曲線分段點(diǎn)，將一條跟蹤曲線分為多段，后段曲線的起始角度即為前一段曲線的終止角度。將曲線分段，是為了讓擬合出的高次多項(xiàng)式更加逼近點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，其中，具體分段方法可以采用“尋找零點(diǎn)法”，即對(duì)曲線各點(diǎn)求二次導(dǎo)，將得出“零點(diǎn)”即作為分段位置點(diǎn)，進(jìn)而得到一個(gè)較為逼近點(diǎn)目標(biāo)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡的分段高次多項(xiàng)式。

通過上述方法得出以時(shí)間為變量、角度為參變量的代表俯仰向曲線方程和滾動(dòng)向曲線方程高次多項(xiàng)式；然后提取代表預(yù)知點(diǎn)目標(biāo)軌跡的俯仰向曲線方程和滾動(dòng)向曲線方程的高次多項(xiàng)式的系數(shù)，并與曲線跟蹤起始時(shí)間、曲線跟蹤結(jié)束時(shí)間打包形成預(yù)知點(diǎn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的參數(shù)數(shù)據(jù)包；通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理單元將包含曲線方程多項(xiàng)式系數(shù)、曲線跟蹤起始時(shí)間和曲線跟蹤結(jié)束時(shí)間的預(yù)知點(diǎn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的參數(shù)數(shù)據(jù)包發(fā)送給軌跡跟蹤系統(tǒng)的時(shí)間管理單元。其中，曲線方程為俯仰向、滾動(dòng)向角度關(guān)于時(shí)間的多項(xiàng)式，即俯仰向曲線方程和滾動(dòng)向曲線方程。

下面以擬合成三段的三次曲線為例說明多項(xiàng)式形式及參數(shù)數(shù)據(jù)包內(nèi)容：

提取各段曲線的多項(xiàng)式系數(shù)以及各段曲線的起始結(jié)束時(shí)間（每一段曲線的跟蹤起始時(shí)間即為上一段跟蹤結(jié)束時(shí)間）作為參數(shù)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，數(shù)據(jù)包詳細(xì)內(nèi)容見表2。

時(shí)間管理單元，接收地面測(cè)控系統(tǒng)發(fā)送的預(yù)知點(diǎn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的參數(shù)數(shù)據(jù)包后，提取參數(shù)數(shù)據(jù)包中的跟蹤起始時(shí)間t0、跟蹤結(jié)束時(shí)間tend后將參數(shù)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給指向控制單元，并以收到的衛(wèi)星星務(wù)時(shí)間作為基準(zhǔn)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)至曲線跟蹤起始時(shí)間t0后控制指向控制單元開始啟動(dòng)跟蹤控制，當(dāng)計(jì)時(shí)至跟蹤結(jié)束時(shí)間tend時(shí)控制指向控制單元結(jié)束跟蹤控制。

表2 曲線參數(shù)數(shù)據(jù)包

指向控制單元，接收到參數(shù)數(shù)據(jù)包后進(jìn)行解析并計(jì)算，即根據(jù)曲線多項(xiàng)式系數(shù)還原俯仰向曲線方程和滾動(dòng)向曲線方程，計(jì)算出指向鏡電機(jī)結(jié)構(gòu)跟蹤的初始俯仰向、滾動(dòng)向的角度位置后產(chǎn)生功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制指向鏡電機(jī)伺服到初始俯仰向、滾動(dòng)向的角度位置；將曲線跟蹤起始時(shí)間和曲線跟蹤結(jié)束時(shí)間之間的時(shí)間長(zhǎng)度均分成m份，每份對(duì)應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度作為指向控制單元的控制周期△t，根據(jù)俯仰向曲線方程和滾動(dòng)向曲線方程，計(jì)算出每個(gè)控制周期的起始時(shí)刻指向鏡電機(jī)需要伺服到的俯仰向、滾動(dòng)向的角度位置，形成跟蹤角度查找表，并進(jìn)而得到如圖4所示的跟蹤曲線（或跟蹤曲線及其分段），以備曲線跟蹤時(shí)查找；當(dāng)時(shí)間管理單元計(jì)時(shí)到曲線跟蹤起始時(shí)間t0時(shí)，啟動(dòng)跟蹤控制，依照跟蹤角度查找表及設(shè)定的控制周期產(chǎn)生功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)指向鏡電機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行伺服控制（即在每個(gè)控制周期的起始時(shí)刻將指向鏡電機(jī)機(jī)構(gòu)伺服到對(duì)應(yīng)的俯仰向、滾動(dòng)向的角度位置），直至曲線跟蹤結(jié)束時(shí)間tend停止；其中，指向控制單元的控制周期△t應(yīng)小于遙感相機(jī)每幀圖像的成像周期，同時(shí)根據(jù)目標(biāo)跟蹤精度的要求在系統(tǒng)計(jì)算及存儲(chǔ)資源允許的情況盡量取小。

圖4 分段曲線（以俯仰向?yàn)槔?/p>

針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行誤差分析；新的點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤系統(tǒng)誤差主要包括3個(gè)因素：指向鏡跟蹤誤差、擬合算法誤差和時(shí)統(tǒng)誤差。指向鏡跟蹤誤差能夠達(dá)到0.03°（3δ），時(shí)統(tǒng)誤差在0.05°，曲線擬合算法誤差根據(jù)仿真分析，三次擬合的標(biāo)準(zhǔn)差在0.02°。

根據(jù)誤差分析，點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤系統(tǒng)的誤差預(yù)期在0.06°，能夠滿足小視場(chǎng)遙感器跟蹤精度0.3°。

表3 系統(tǒng)跟蹤誤差

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證點(diǎn)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)在軌跟蹤精度，需要搭建一套測(cè)試系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)目標(biāo)軌跡曲線跟蹤精度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)包含：測(cè)控計(jì)算機(jī)、指向控制單元、二維指向鏡機(jī)構(gòu)、曲線跟蹤采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接收計(jì)算機(jī)等。測(cè)試系統(tǒng)連接方式如圖5所示。由測(cè)控計(jì)算機(jī)發(fā)送擬合好的曲線跟蹤參數(shù)數(shù)據(jù)包和星務(wù)時(shí)間給指向控制單元，指向控制單元驅(qū)動(dòng)二維指向鏡機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)指向鏡轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行曲線跟蹤。理論曲線參數(shù)和實(shí)時(shí)角度均發(fā)送給曲線跟蹤采集模塊，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)接收計(jì)算機(jī)收集后在同一個(gè)時(shí)間軸上畫出理論曲線和實(shí)際曲線，用于比較曲線跟蹤精度和時(shí)延。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)連接方式

數(shù)據(jù)接收計(jì)算機(jī)在同一個(gè)時(shí)間軸上畫出理論曲線和實(shí)際曲線，如圖6所示。

圖6 理論曲線與實(shí)際跟蹤曲線對(duì)比

對(duì)實(shí)際跟蹤曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出指向鏡機(jī)構(gòu)俯仰向、滾動(dòng)向兩個(gè)方向的跟蹤精度誤差。滾動(dòng)向曲線跟蹤誤差如圖7所示（縱軸為理論曲線和實(shí)際曲線的差），誤差最大值為0.034°。

圖7 滾動(dòng)軸曲線跟蹤誤差曲線

俯仰向曲線跟蹤誤差如圖8所示（縱軸為理論曲線和實(shí)際曲線的差），誤差最大值為0.088°。

滾動(dòng)向和俯仰向的曲線跟蹤精度如表4所示。

圖8 俯仰軸曲線跟蹤誤差曲線

表4 曲線跟蹤誤差統(tǒng)計(jì)

從測(cè)試結(jié)果來看，曲線實(shí)際跟蹤誤差遠(yuǎn)優(yōu)于0.3°的指標(biāo)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)星上點(diǎn)目標(biāo)軌跡跟蹤的要求。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)的相比，不需要通過衛(wèi)星側(cè)擺，遙感器就能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的連續(xù)跟蹤；使用指向鏡電機(jī)機(jī)構(gòu)控制遙感器進(jìn)行跟蹤，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更小、控制精度更高，提高了跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度；不需要連續(xù)上傳多條角度指令至遙感器，只需要將時(shí)間參數(shù)和多項(xiàng)式系數(shù)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)包傳輸，即可控制遙感器完成對(duì)點(diǎn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的連續(xù)跟蹤，通信效率高，減少了跟蹤系統(tǒng)的存儲(chǔ)壓力。本系統(tǒng)控制方法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、高效、適用面廣泛，能夠適用于多種對(duì)預(yù)知點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的星載遙感器。

［1］趙 延，姚康澤，孫俊華，等.導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星目標(biāo)識(shí)別算法研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2005，27（10）：1811-1813.

［2］龐國(guó)瑞，葛廣英，田存?zhèn)?基于PSO算法的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤研究［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013 13（6）：1-4.

［3］高 升，袁寶峰，齊 哲，等.基于稀疏直方圖的空間機(jī)械臂視覺目標(biāo)跟蹤方法［J］.航天返回與遙感，2015（3）：92-98.

Design of High Precision Space－borne Point－target Trajectory Tracking System

Fu Zhihong1，Wang Liming2，Liu Bing1

（1.Beijing Institute of Mechanics＆Electricity，Beijing 100094，China；2.Beijing Special Engineering Design and Research Institute，Beijing 100028，China）

High precision space－borne Point－targer trajectory tracking system，the point target position is simplified into a data packet with polynomial coefficients，which is sent to the satellite remote sensor pointing control unit from the ground control system.The pointing control unit and time management unit analysis time parameter and coefficient parameter in data packet，and control pointing mirror mechanism for motion，autonomous tracking point target trajectory.This method improves the tracking accuracy of the tracking system，reduce the pressure of bus communication.The tracking accuracy of the system is much better than that of the traditional target tracking method.

high precision；Point－targer trajectory tracking；system design

1671-4598（2016）08-0252-03

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.069

：V443＋.5

：A

2016-05-23；

：2016-07-04。

付智紅（1982-），女，江西吉安人，碩士，工程師，主要從事衛(wèi)星有效載荷遙感器電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。