长时间在轨空间飞行器可见光导引头复用技术研究

张 俊

1.宇航智能控制技术国家级重点实验室，北京 100854 2.北京航天自动控制研究所，北京 100854



长时间在轨空间飞行器可见光导引头复用技术研究

张 俊1,2

1.宇航智能控制技术国家级重点实验室，北京 100854 2.北京航天自动控制研究所，北京 100854

目前,空间飞行器实用化已经进入新的阶段，空间飞行器的目标探测处理技术一直是发展的焦点，本文提出了一种星光导航/可见光目标检测导引头复用技术，利用可见光导引头完成星光导航及目标探测任务，采取综合控制软件分段控制配置导引头参数，分别完成导航、目标探测两个图像处理任务。其优点是在完成任务基础上，最大限度的利用硬件环境，大大节约了相应的有效载荷。通过原理样机，进行了相应的半实物仿真验证试验。 关键词 空间飞行器； 复合图像处理系统； 星敏感器； 红外导引头

随着航天技术的迅速发展，近空间领域逐渐成为各大国竞相进入的主战场，本文提出了一种基于空间飞行器的单模导引头分段调用任务技术。根据飞行任务需求，分段配置单模导引头为定姿的星敏感器及目标探测的导引头，该系统按照任务时序节点，严格分隔配置、切换复合图像处理系统完成对应系统任务[1]。

空间飞行器的控制系统总体设计，需结合自身特殊需求，如长期在轨、任务复杂、模块众多和载荷有限等，设计控制系统中的图像处理系统，其中采用自主惯性导航加星光修正的复合制导模式解决长时间在轨问题，目标探测系统采用可见光图像匹配技术。

长时间在轨的最大问题是飞行时间过长，惯性导航误差随时间变大，出现误差积累效应，必须引入外部信息修正，因此利用现有的光学导引头将其配置成星敏感器以提供星光辅助修正，直到空间飞行器飞行到任务目标附近时，再切换成可见光目标探测导引头，利用可见光导引头对任务目标展开搜索和匹配，完成后续的任务。该系统即可在A时刻做可见光探测器用，也可在B时刻为星光辅助提供导航。此方案节约了大量硬件资源，提高了有效载荷比，采用控制系统进行功能分段切换，最终实现一体化、分段复用的空间飞行器图像处理系统。

1 长时间在轨空间飞行器的复用导引头控制系统架构设计

控制系统图像处理系统分为如下2部分：1)探测系统：负责空间捕获相对目标的图像处理；2)导航系统：负责长时间在轨天文导航星光图像处理。为实现一体化复用导引头的技术功能，设计了控制系统总体框架，并基于该框架，设计了相应试验原理样机，以验证其方案的正确性和可行性，为后续仿真验证试验做好硬件条件准备。基于复用导引头原理设计的原理样机控制系统整体架构图见图1，其涵盖控制系统基本组成、功能模块、输出入关系和控制信息流等方面。

图1 长时间在轨空间飞行器一体化复用导引头控制系统的架构图

根据该系统架构图，明确了控制系统整体基本状态。主要由惯导系统、探测系统、控制硬件系统和图像处理系统等组成。针对图像处理部分的工作模式，首先由控制系统的核心CPU板发出图像模式的控制信号，图像处理板接收到该信号，调用对应图像工作模块，完成复用导引头工作模式切换、状态配置、信息交互和控制脉冲输出等工作。其中图像板信息在星光模式下直接参与控制系统导航回路的运算，在可见光模式下参与探测系统搜索运算。关于图像处理板的导引头有如下配置：导引头自检、配置工作模式和配置对应的成像参数，启动导引头对应的工作状态[2]。

为了保证完成图像系统的高速传输，图像处理板的高速图像通讯接口方案设计选用LVDS并行传输的高帧频数传模式。控制信号通讯接口是单开一路422串口。保证图像传输和控制信号通讯独立可靠性，可以支持空间飞行器控制系统长时间在轨执行任务的单硬件多模任务。

2 半实物仿真试验

下文设计的仿真试验，验证了复用导引头对近目标和远目标切换设计方案，以及时序分段调度控制和模式切换工作的完整性。试验设备包括：控制计算单元、复用导引头、目标模拟器和实时显示控制计算机。

2.1 半实物仿真验证复用导引头可见光模式下的工作状态

复用导引头切换到可见光模式下，控制导引头曝光时间为XX ms，利用实时显示的方式捕获试验目标，通过专门设计的目标检测、识别算法及相应的测距和测角算法，按照一定距离和一定旋转速度让导引头围绕目标进行观测，通过422串口实时采集计算结果，绘制相关曲线，见图2～4，最终与设定的距离和角度比对，评价复用导引头可见光模式精度，可知图像处理系统将复用导引头设为目标探测模式。

图2 相对目标距离

图3 相对目标高低角

图4 相对目标方位角

地面仿真系统在建立的半实物仿真验证平台上通过采集的实时图像和相对目标的实时测距、测角数据，比对预定的相对距离和角度，得到的结果符合要求，表明该系统的导引头目标捕获探测功能正常，测距和测角结果符合总体对图像处理系统的要求。

2.2 验证复合导引头星敏感器模式下工作状态

在空旷干净的半实物仿真试验环境下，将复合导引头切换到星光模式下，控制脉冲为XX ms，进行半实物仿真试验，实时拍摄到星图如图5和6。

图5 第1张原始图像

图6 第2张原始图像

通过422通讯串口，将星点信息实时采集下来，捕获到3颗星在CCD上各点位置，并绘制分布图如图7～9。

图7 第7星点CCD位置坐标

图8 第8星点CCD位置坐标

图9 第3星点CCD位置坐标

由图可知，切换到复用导引头星光模式下，利用星光匹配算法提取出的3颗星的原始星图和位置坐标图结果符合设计要求，进一步验证了该方法的复用导引头切换到星敏感器状态下的工作状态正常，表明复用导引头在星光模式下是可用和正确的。

3 结束语

提出了一种星光导航/可见光目标检测导引头复用技术，旨在不增加载荷重量和体积的前提下，通过借鉴单硬件多模分段任务的方案思路，设计了严格分段分隔使用工作模式，最终保证了不同工作模式下图像处理任务的完成，并在原理样机上进行了半实物仿真试验，结果表明该技术在空间飞行领域中具有可行性。

[1] 程国采.弹道导弹制导方法与最优控制[M].长沙：国防科技大学出版社，1987.

[2] 黄圳圭.航天器姿态动力学[M].长沙：国防科技大学出版社，1997.

[3] 贾沛然,沈为民.弹道导弹弹道学[M].长沙：国防科技大学出版社，1981.

The Research of Starlight and Visible-Light Composited Seeker of Space Weapon

Zhang Jun1, 2

1.National Key Laboratory of Science and Technology on Aerospace Intelligence Control, Beijing 100854, China 2. Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Fromthedevelopmentpointofviewofspacetechnology,therealcombatspaceweaponentersanewstage.Thetargetimageprocessingtechnologyhasbeenfocusedonthedevelopmentinrecentyears.Thispaperproposedanewtechniqueofstarlightvisible-lightcompositeimageprocesssystem.Itcombinesthestarlightsensorwiththevisible-lightseekeropticalsystemtogether,andusesthedifferentcontrolmodulestocompletetheimageprocesstask.Theadvantageofthisschemeismaximizingtheusageofhardwareresourceandreducingthepayload.Bydesigningtheengineeringprototypeandexperiments,verifiesthefeasibilityandthecorrectnessoftheapplicationofengineeringareverified.

Spaceattackanddefenseweapon;Combinationofimageprocessingsystemstar-sensor;Infraredseeker

2014-08-11

张 俊(1979-)，男，安徽马鞍山人，工程师，主要研究方向为导航、制导控制技术。

V442

A

1006-3242(2016)02-0027-04