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国防科技大学学报 2022年第4期44卷 93-100页

作者：宋超范才智王猛猛国防科技大学空天科学学院湖南长沙410073

设计了一种目标凝视自适应姿态控制方法,可以实现未知目标位置和未标定相机参数条件下的目标凝视控制。根据运动学方程提取出恰当的未知参数,从而将参数进行线性化表示;引入关于未知参数的势函数,确保参数矩阵的秩满足稳定性要求;采用... 详细信息

设计了一种目标凝视自适应姿态控制方法,可以实现未知目标位置和未标定相机参数条件下的目标凝视控制。根据运动学方程提取出恰当的未知参数,从而将参数进行线性化表示;引入关于未知参数的势函数,确保参数矩阵的秩满足稳定性要求;采用了一个参数自更新律在线估计未知参数,提出了基于估计参数的自适应控制律。采用李雅普诺夫稳定性理论和芭芭拉特引理,证明了目标成像位置与期望成像位置的误差可以渐近收敛到零。仿真结果表明:目标位置未知且相机参数存在偏差的情况下,该自适应控制器能够有效地对深空目标进行凝视观测。

关键词：未标定相机视频小卫星姿态控制凝视控制自适应控制

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视频小卫星目标跟踪视野分区防脱靶控制

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国防科技大学学报 2024年

作者：范才智钟子凯王猛猛杨跃能国防科技大学空天科学学院西昌卫星发射中心

针对视频小卫星与观测目标存在较大初始相对姿态偏差和角速度，目标容易偏离相机视场造成脱靶的问题，设计了一种视频小卫星目标跟踪视野分区防脱靶控制方法，该方法将星载相机矩形成像视野按照内切圆划分为内外两部分，内切圆内部和外... 详细信息

针对视频小卫星与观测目标存在较大初始相对姿态偏差和角速度，目标容易偏离相机视场造成脱靶的问题，设计了一种视频小卫星目标跟踪视野分区防脱靶控制方法，该方法将星载相机矩形成像视野按照内切圆划分为内外两部分，内切圆内部和外部分别基于势函数和拟欧拉旋转法设计跟踪控制器，并利用Barbalat引理证明两个区域控制律的渐近稳定性，同时在理论上证明了目标进入视野内切圆区域后，在基于势函数的控制器作用下可以确保不脱靶。通过控制器对比仿真，结果表明拟欧拉旋转法相比于PD控制具有更强的抑制目标偏离视场能力，结合拟欧拉旋转法和势函数法的视野分区控制与全视场的拟欧拉旋转法相比，能够有效实现对较快速机动目标的防脱靶控制，从而实现连续跟踪观测。

关键词：视频小卫星势函数拟欧拉旋转视觉跟踪防脱靶

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视频小卫星对地凝视高稳定度姿态控制方法研究

视频小卫星对地凝视高稳定度姿态控制方法研究

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作者：黄富强国防科学技术大学

学位级别：硕士

视频小卫星是近年来发展起来的一种新型的对地观测卫星,其最大的特点是能够实现对某一目标区域的凝视成像,能够实现对区域一段时间的连续观测,具有重要的军事和民用价值。对地凝视成像是视频小卫星主要的工作模式,卫星通过姿态控制系统... 详细信息

视频小卫星是近年来发展起来的一种新型的对地观测卫星,其最大的特点是能够实现对某一目标区域的凝视成像,能够实现对区域一段时间的连续观测,具有重要的军事和民用价值。对地凝视成像是视频小卫星主要的工作模式,卫星通过姿态控制系统实时调整星体的姿态,使光学传感器的光轴始终指向地面目标区域并进行连续摄像。目前针对视频小卫星对地凝视问题开展的研究较少,存在许多技术难题待解决,本文主要对视频小卫星对地凝视高稳定度的姿态控制问题展开研究。本文的主要内容及取得的成果如下:研究了视频卫星对地凝视成像的基本特性,分析了成像角度对视频卫星幅宽及分辨率的影响,提出了满足高质量成像要求的卫星姿态控制精度指标要求。针对当前研究中,凝视成像时视频场景中地理指向不明确的问题,建立了视场方向与真实地理指向的关系,设计了一种可指定视场某一轴指向的凝视期望姿态变化规律,可设定任意一当地地理方位角并保证凝视过程中视场某一轴的方向能够始终指向该地理方位。在有限控制力矩下,针对卫星从任意初始姿态调整到稳定凝视目标区域的过程中,存在大角度机动时易发生超调、不能实现快速跟踪的问题,提出了一种改进的递阶饱和快速凝视姿态跟踪控制算法。利用递阶饱和限幅原理及绕欧拉轴旋转的最短路径机动策略,使得控制过程中机动路径最短且不发生超调;并针对机动过程角速度限制约束,推导了含角速度限制项的快速凝视跟踪控制律。针对视频卫星对多个目标点进行凝视成像的任务规划需求,提出一种基于混合双层编码遗传算法的多指标优化凝视观测任务规划方法。建立了任务规划的数学模型,设计一个综合了观测时长指标、观测时间窗口均衡性、成像分辨率指标的优化目标函数,设计混合双层编码的自适应遗传算法对任务规划模型进行优化求解,最后得出使目标函数最优的观测次序与观测时间窗口。针对常规姿态跟踪控制中需提前设计期望跟踪姿态,对未知运动目标难以实现精确跟踪的问题,提出一种基于图像反馈的高稳定度凝视跟踪控制方法。建立图像信息处理反馈的数学模型,通过运动目标在图像平面位置坐标计算姿态偏差量,以此作为反馈量设计控制律进行姿态跟踪,实现对目标的高稳定度凝视跟踪,稳定度优于常规姿态跟踪方法。

关键词：视频小卫星对地凝视姿态控制快速跟踪任务规划图像反馈运动目标跟踪

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视频小卫星对地物背景目标自主感知与跟踪控制方法研究

视频小卫星对地物背景目标自主感知与跟踪控制方法研究

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作者：杨智博国防科技大学

学位级别：硕士

视频小卫星是一种具有较强创新性和灵活性的对地观测卫星,相对于传统推扫式成像的遥感卫星,其最大优势为能够实现在特定时间窗口内对兴趣区域的持续观测成像,实现对待观测热点区域和潜在目标的实时观测与准确检测。随着视频小卫星技术... 详细信息

视频小卫星是一种具有较强创新性和灵活性的对地观测卫星,相对于传统推扫式成像的遥感卫星,其最大优势为能够实现在特定时间窗口内对兴趣区域的持续观测成像,实现对待观测热点区域和潜在目标的实时观测与准确检测。随着视频小卫星技术的不断发展,对视频小卫星的应用需求已经从定期静态普查向实时动态监测方向发展,利用视频小卫星对热点区域进行自主观测并对兴趣目标进行在线自主感知已经成为现阶段视频小卫星发展的迫切需求。目前针对视频小卫星在轨自主对地观测问题与地物背景目标自主检测与识别问题开展的研究相对较少,诸多潜在的技术问题尚待解决。本文主要对视频小卫星对地物背景下飞机及舰船等小尺度目标的自主感知与跟踪控制问题进行研究,主要研究内容如下:首先,研究了基于被观测目标运动信息的地物背景下运动目标检测问题。本文基于SURF特征点提取与标准化协方差相关配准相邻两帧,提出了一种针对地物背景下运动目标的检测算法,在此基础上,利用Kalman滤波对目标运动信息进行处理,解决了只考虑相邻两帧的运动目标检测方法易受噪声影响的问题。最后,采用天拓二号卫星与Skybox卫星实际在轨拍摄的图像作为实验输入,验证了所提出算法的鲁棒性与可靠性。其次,研究了复杂地物背景下无先验运动信息的飞机与舰船小尺度目标自主检测问题。首先回顾近年来提出的几种基于CNN的目标检测算法,根据视频小卫星对地成像的特点,使用基于推荐的Faster R-CNN算法作为本算法的基础模型,选择了ResNet-101网络作为Faster R-CNN算法的基网络。最后采用Google Earth上采集的图像对算法进行训练和测试,分析了算法对地物背景下小尺度目标的检测能力,验证了算法的有效性。最后,研究了视频小卫星对地物背景下非合作目标的自主跟踪观测问题。提出了一种基于图像反馈的视频小卫星高稳定度姿态跟踪控制方法。在卫星对地面点稳定凝视的初始条件下,建立了基于图像信息反馈的数学模型。在上文基于运动信息的地物背景下目标检测算法的基础上得到目标在像平面的坐标,通过目标在像平面的坐标推导了卫星姿态控制的误差四元数与误差角速度,并以此作为反馈量设计了一种基于图像反馈的PD高稳定度姿态跟踪控制律。最后采用天拓二号与Skybox卫星在轨拍摄的图像流作为算法输入,在考虑图像处理误差、角速度测量误差及干扰力矩的条件下进行仿真分析。仿真结果表明,相比传统的卫星姿态控制方法,本文提出的基于图像反馈的视频小卫星姿态跟踪控制方法不但实现了对地物背景下非合作目标的自主检测与跟踪,还能够有效提升姿态跟踪控制精度。

关键词：视频小卫星地物背景目标运动目标自主感知深度学习卷积神经网络图像反馈姿态跟踪

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视频小卫星姿态控制技术研究

视频小卫星姿态控制技术研究

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作者：魏静波国防科学技术大学

学位级别：硕士

视频小卫星是近年来对地观测发展的一个新兴方向,它利用小卫星姿态控制的低成本和敏捷性特点,结合视频观测的连续性,能够实现对地面目标持续的视频跟踪观测。在轨时,视频小卫星姿态控制系统在工作模式下的任务是通过星载的视频相机,实... 详细信息

视频小卫星是近年来对地观测发展的一个新兴方向,它利用小卫星姿态控制的低成本和敏捷性特点,结合视频观测的连续性,能够实现对地面目标持续的视频跟踪观测。在轨时,视频小卫星姿态控制系统在工作模式下的任务是通过星载的视频相机,实现对地面目标或者其他目标的长时段连续跟踪的视频观测。本文以解决视频小卫星应用中姿态跟踪控制技术为目标,根据视频小卫星姿态控制执行机构的特点,主要进行了视频小卫星姿态的快速响应初始跟踪控制技术以及高精度稳定跟踪技术研究。本文的主要工作有: 以动力学方程与运动学方程为切入点进行了视频小卫星凝视/跟踪的误差分析。推导了求解视频小卫星期望姿态的关系式,基于误差四元数建立了视频小卫星姿态跟踪误差运动学与动力学方程。对影响视频小卫星姿态跟踪的主要误差源进行了建模分析,推导了各误差源与视频小卫星凝视/跟踪误差之间的关系。提出了基于双切换超平面的小推力器系统+飞轮的姿态跟踪复合控制策略。通过计算最大过顶时间,对视频小卫星姿态控制系统提出了快速响应初始跟踪的要求,仿真分析了视频小卫星单独利用飞轮以及小推力器系统进行姿态跟踪控制的缺点。为扬长避短,提出并详细分析了基于双切换超平面的小推力器系统+飞轮的复合控制策略,并进行了单轴姿态跟踪控制以及三轴姿态跟踪控制的仿真,证明了该复合控制策略的可行性和有效性。应用相平面时间最优控制理论以及PWPF调制理论解决了视频小卫星姿态初始跟踪控制问题。基于最优控制理论,设计了小推力器系统的相平面时间最优快速跟踪控制律,消除姿态初始跟踪时的较大偏差。将PWPF调制引入视频小卫星姿态跟踪控制中,增大了控制律设计的灵活性。给出了基于相平面时间最优快速跟踪控制律和PWPF调制PD控制律的单轴姿态跟踪仿真结果,验证了小推力器系统控制律设计的有效性和可行性,实现了快速响应的初始跟踪。应用滑模变结构控制理论以及非线性鲁棒控制理论解决了卫星姿态高精度稳定跟踪控制问题。针对视频小卫星姿态凝视这一典型的非线性控制问题,利用Lyapunov方法,在卫星惯量阵不确定和外界干扰有界情况下,设计了“跟踪前馈补偿+误差PD控制+滑模变结构”的复合控制律,从理论上证明了系统的稳定性,并给出了仿真算例;设计了非线性的鲁棒自适应控制律,利用Lyapunov稳定性理论和Barbalat引理证明了控制器的稳定性和估计参数的一致有界性,给出了利用非线性的鲁棒自适应控制律进行姿态跟踪控制仿真结果,实现了高精度的姿态稳定跟踪。设计了基于单轴气浮台的卫星单轴姿态控制全实物仿真验证平台并进行了视频小卫星姿态控制技术单轴全实物仿真验证试验。基于实验室现有的单轴气浮台等设备,设计和建设了具有单轴姿态控制试验能力的卫星姿态控制单轴全实物仿真验证平台。根据视频小卫星姿态控制的任务特点,完成了视频小卫星姿态控制技术的单轴仿真验证试验设计。利用试验平台进行了相关技术的验证试验,试验结果充分证明了本文提出的视频小卫星控制技术的可行性和有效性。本文的研究为视频小卫星姿态控制系统的研制提供了参考方案,在其他具有姿态跟踪任务卫星的姿态控制系统中也具有较好应用价值。

关键词：视频小卫星姿态跟踪姿态凝视误差分析切换控制策略初始跟踪稳定跟踪相平面最优控制滑模变结构控制非线性鲁棒控制

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一种广角相机视频小卫星姿态跟踪方法

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航天控制 2024年第4期42卷 42-49页

作者：范才智钟子凯吴国福杨跃能国防科技大学空天科学学院长沙410073

针对传统目标跟踪方法需要目标的先验位置信息、不适用于非合作目标跟踪的问题,提出了一种基于广角相机图像误差的视频小卫星目标跟踪方法。该方法首先建立了广角相机成像模型,然后计算目标在相机图像平面中的投影位置和期望位置之差,... 详细信息

针对传统目标跟踪方法需要目标的先验位置信息、不适用于非合作目标跟踪的问题,提出了一种基于广角相机图像误差的视频小卫星目标跟踪方法。该方法首先建立了广角相机成像模型,然后计算目标在相机图像平面中的投影位置和期望位置之差,通过图像误差确定目标与视频小卫星的相对误差角速度和姿态误差,将其作为反馈项设计非线性控制器,最后利用Barbalat引理证明了系统的稳定性。仿真结果表明,在广角相机大范围视场下,该方法可以有效地将目标控制到图像平面中期望的位置,并且利用天拓二号卫星在轨验证了该方法的有效性。

关键词：视频小卫星视觉跟踪广角相机姿态控制误差分析

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