衛星干涉式垂直探測儀圖像導航配準成像試驗方法

王田野 呂旺 宋效正 信思博 董瑤海 顧強

(1 上海衛星工程研究所，上海 201109)(2 上海航天技術研究院，上海 201109)

干涉式垂直探測儀(GIIRS)是氣象觀測的重要儀器，其核心組件是邁克爾遜干涉儀，可對大氣的垂直分層進行3維觀測，高頻次地獲取地球大氣的3維溫度和濕度的分布和變化，類似于對大氣做CT切片觀測，廣泛用于天氣預報、氣候和環境變化預測[1-2]。為了實現高精度的垂直探測，GIIRS在軌采用凝視成像模式，通過2維掃描鏡指向選定的探測區域后，以駐留模式對區域進行連續多幀凝視成像。為了實現高精度探測，GIIRS成像對衛星平臺的要求極高：垂直探測期間，要求衛星平臺無動力學干擾，確保遙感數據的質量；要求GIIRS視線的指向穩定，確保駐留期間的多幀圖像的相對位置關系配準精確。衛星的活動部件往復運動引起的動力學干擾會對GIIRS的成像產生嚴重干擾；同時，衛星的姿態抖動、軌道攝動均會引起GIIRS視線指向的變化[3]，導致駐留期間的圖像產生運動，對遙感數據的定量化應用造成重要影響。為了滿足GIIRS的駐留探測需求，要求駐留期間(一般不小于30 s)的視線指向變化不超過1/3像元。以風云四號衛星的GIIRS為例，GIIRS空間分辨率為56 μrad，即要求駐留期間的視線指向變化不超過18 μrad，而傳統的姿態控制方法很難保證長時間的視線穩定，因此需要探索新的GIIRS視線指向補償方法。

為了解決GIIRS的成像問題，目前多采用圖像導航配準(INR)[4-5]技術。其中，圖像導航(Image Navigation)是指確定圖像中每個像元所對應目標的絕對地理位置(經度、緯度)；圖像配準(Image Registration)是指保持或確定分別處于相鄰2幅圖像中對應像元所對應地表目標的相對位置關系。對像元所對應目標的定位和配準，合稱“圖像導航配準”。圖像導航配準系統在軌實時工作，用于補償空間環境各種長周期和短周期擾動對GIIRS成像的影響，為GIIRS提供近似理想的成像環境。

圖像導航配準技術的實施途徑包括動力學補償和圖像運動補償2個部分[6]。動力學補償是利用動量輪組前饋抵消星上活動部件對衛星平臺姿態穩定度的影響，保證GIIRS在理想的動力學環境下成像；圖像運動補償是通過給掃描鏡增加補償量的方式消除星上各類擾動對GIIRS視線的影響[7-8]，使GIIRS在凝視期間的視線指向穩定。GIIRS圖像導航配準精度要求高，流程復雜，實現難度很大[9-10]。為了降低在軌應用風險，需要在地面通過試驗驗證技術的準確性。

通過調研分析，歐洲“第3代氣象衛星”(MTG)在研發時期構建了圖像導航配準技術仿真評估系統[11]，利用衛星和遙感儀器的幾何特征，引入各項影響圖像導航配準性能的因素，以數學仿真的方式驗證圖像導航配準技術的有效性。在國內，文獻[12]中提出了一種圖像導航與配準半物理仿真試驗方法，通過構建數管計算機、有效載荷分系統模擬器、動力學與姿態軌道控制模擬器、地面遙測遙控系統和性能驗證評估系統，對圖像導航與配準技術方案進行了仿真驗證。上述數學仿真系統和半物理仿真系統未引入真實的控制對象，且無法對各項誤差因素進行精確建模，只能驗證星上圖像導航配準技術流程的正確性，無法對技術指標進行定量考核。為此，本文提出了一種全物理仿真成像試驗方法，在地面利用3軸氣浮臺真實模擬GIIRS和衛星在軌的動力學工作環境[13-14]，并通過GIIRS樣機和目標源系統構建成像系統，以成像的方式進行高精度定量考核。

1 試驗方法

GIIRS圖像導航配準成像試驗的總體思路是：在地面模擬GIIRS受擾動后的動態成像特性，通過對比分析導航配準補償功能開啟前后的GIIRS成像效果，驗證圖像導航配準技術的有效性，見圖1。

圖1 試驗總體思路Fig.1 Overall approach for test

1.1 試驗流程

GIIRS圖像導航配準包括動力學補償和圖像運動補償，下面分別設計試驗流程。

1.1.1 動力學補償試驗

動力學補償試驗的作用是驗證活動部件擾動的抑制效果。試驗流程為：①建立氣浮狀態，模擬空間動力學環境；②啟動姿態控制系統，模擬衛星3軸穩定姿態控制；③啟動活動部件，采集3軸氣浮臺姿態穩定度數據評估活動部件對衛星平臺和GIIRS的影響；④開啟動力學補償功能，驗證動力學補償效果。

動力學補償效果的評價依據為3軸氣浮臺的姿態穩定度。通過對比動力學補償開啟前后3軸氣浮臺的姿態穩定度變化，評估動力學補償的有效性。

1.1.2 圖像運動補償試驗

圖像運動補償試驗的作用是驗證GIIRS視線運動的抑制效果。試驗流程為：①建立氣浮狀態，模擬空間動力學環境；②啟動姿態控制系統，模擬衛星3軸穩定姿態控制；③啟動姿態運動功能，模擬衛星在軌姿態變化對GIIRS的影響；④開啟圖像運動補償功能，驗證動力學補償效果。

試驗中的姿態運動范圍應結合衛星實際的工作模式和控制性能設計，下面給出一種典型的姿態運動規律，姿態指向精度為0.01°，姿態穩定度為0.000 5(°)/s，滾動和俯仰姿態導引規律為

(1)

式中：φ和θ分別為滾動角和俯仰角，(°)；t為姿態運動時間，s。

姿態運動曲線見圖2。

圖2 3軸氣浮臺姿態角曲線Fig.2 Attitude angle curves of three-axis air-bearing platform

圖像運動補償試驗設計了關閉圖像運動補償和開啟圖像運動補償2個成像試驗工況，以圖像中的目標距離預期位置的角距偏差作為補償的評價指標。通過對比圖像運動補償開啟前后的目標位置偏移誤差評估圖像運動補償的有效性。

1.2 難點和解決途徑

1.2.1 GIIRS力學環境模擬

在地面模擬GIIRS在軌力學環境的難點主要體現在：①GIIRS和衛星的實際工作環境為零重力、微擾動的空間環境，在地面要真實模擬出GIIRS和衛星在空間環境下的動力學特性；②GIIRS在軌的活動部件擾動特性復雜，要在地面對活動部件的干擾進行模擬。

為了解決GIIRS空間環境的模擬，采用3軸氣浮臺等慣量模擬衛星平臺，通過氣浮球軸承的氣體潤滑實現零重力、低摩擦的3軸自由轉動。為了模擬活動部件擾動對GIIRS的影響，將2維掃描運動機構安裝在3軸氣浮臺上，等效模擬星上活動機構的往復掃描運動，產生的干擾力矩作用在3軸氣浮臺上，真實模擬衛星在軌工作期間活動部件運動對衛星平臺和GIIRS的影響。

1.2.2 圖像導航配準效果評估

高精度遙感衛星的圖像導航配準精度要求高，一般為角秒量級，地面缺少高精度的圖像導航配準測量設備，需要設計專用的評估方法。為了實現圖像導航配準效果評估，本文設計基于GIIRS成像結果的導航配準評估方法，由目標源系統(見圖3)和GIIRS樣機共同實現。其中：目標源系統為準直光源，可模擬無窮遠處的觀測目標；GIIRS樣機安裝在3軸氣浮臺上，對安裝在地面的目標源系統進行成像，模擬對地球成像過程。利用GIIRS樣機的成像結果，可實現GIIRS的動態視線高精度測量，用于評估圖像導航配準精度。

圖3 目標源系統Fig.3 Target source system

1.3 誤差分析

GIIRS圖像導航配準全物理仿真成像試驗存在一定的誤差，會影響最終的試驗結果，下面對主要的誤差因素進行分析。

(1)成像系統誤差。成像過程中有多種因素可能引起誤差，包括空氣流動折射、外部振動干擾、目標源系統的光學準直度誤差、GIIRS樣機的成像不均勻性等。

(2)圖像處理誤差。為獲取目標在圖像中的位置，需要對成像靶標中心位置進行提取，在提取過程中會引入誤差。

為了驗證成像系統誤差和圖像處理誤差對試驗結果的影響，可在靜止狀態下進行成像，并提取靶標圖像的中心點坐標(見圖4)。經數據分析，靜止狀態下的中心點提取坐標分布在3.06 μrad為半徑的范圍內，即成像誤差和圖像處理誤差的綜合影響為3.06 μrad(3σ)。

圖4 靜止狀態下的成像目標軌跡Fig.4 Imaging target trajectory in a static state

(3)時間延遲引起的誤差。圖像運動補償需要實時獲取衛星姿態信息進行補償量計算，但姿態確定環節存在微小的時間延遲，導致補償滯后，誤差為

E=ω·T

(2)

式中：ω為最大姿態角速度；T為延時時間。

本文試驗最大姿態角速度為0.0006 28(°)/s，姿態角采樣周期為0.1 s，時間延遲最大為1個采樣周期，引起的誤差最大為1.1 μrad。

綜上所述，考慮成像系統誤差、圖像處理誤差和時間延遲誤差，成像試驗引入的最大誤差為4.16 μrad，可滿足導航配準試驗需求。

2 風云四號衛星應用實例

2.1 試驗系統組成

GIIRS圖像導航配準成像試驗系統由3軸氣浮臺、姿態控制系統和成像系統組成，試驗場景如圖5所示。

圖5 GIIRS圖像導航配準成像試驗場景Fig.5 INR (image navigation and registration) test scene for GIIRS

(1)3軸氣浮臺用于模擬衛星在軌的慣量特性和零重力微擾動下自由運動環境[14]。采用的3軸氣浮臺承載大于5500 kg，綜合干擾力矩小于0.003 N·m，慣量調節能力為3000～7500 kg·m2。

(2)姿態控制系統包括姿態測量敏感器、執行機構和姿態控制計算單元。姿態測量敏感器采用激光陀螺和2臺光電自準直儀，可模擬衛星在軌的陀螺-星敏感器聯合定姿，姿態測量精度達到1″；執行機構為3臺反作用飛輪；姿態控制計算單元為姿軌控計算機樣機。姿態控制系統具備臺體穩定控制功能，控制指向精度達到3角秒，姿態穩定度達到1×10-4(°)/s。

(3)成像系統包括GIIRS樣機和目標源。其中：GIIRS樣機與GIIRS的設計原理相同，具備高精度成像功能，模擬在軌凝視成像過程；同時，GIIRS樣機的二維掃描機構可模擬活動部件運動特性，用于驗證動力學擾動對GIIRS凝視成像的影響。目標源可模擬無窮遠處星圖等多類型成像目標，結合GIIRS樣機模擬衛星遠場成像，通過成像結果評估圖像運動補償的效果。

2.2 動力學補償試驗

以風云四號衛星為例，星上活動部件的運動規律如圖6所示。由于活動部件繞衛星俯仰軸轉動，干擾力矩主要影響衛星的俯仰方向。通過對比動力學補償開啟前后俯仰軸方向的姿態穩定度變化，評估動力學補償效果。

圖7為姿態穩定度時域對比。動力學補償未開啟時，受到掃描鏡周期性運動的影響，姿態角速度有明顯的周期性振動，姿態穩定度為0.000 183(°)/s；動力學補償開啟后，有效抵消了活動部件運動對平臺的影響，姿態角速度無明顯周期性的振動，姿態穩定度達到0.000 093(°)/s。

圖6 活動部件掃描運動規律Fig.6 Scanning rule of moving components

圖7 姿態穩定度時域對比Fig.7 Comparison of attitude stability in time domain

為了進一步分析動力學補償的效果，對姿態角速度數據進行傅里葉變換，在頻域分析試驗結果。如圖8所示：動力學補償開啟前，姿態角速度在東西掃描鏡工作頻段(0.435 Hz)附近的響應幅值為7.88×10-5(°)/s；動力學補償開啟后，姿態角速度在掃描鏡工作頻段(0.435 Hz)附近的響應幅值降至1.51×10-5(°)/s。因此，動力學補償開啟后，補償了80.8%的響應幅值，有效抵消了掃描鏡運動對氣浮臺姿態穩定度的周期性影響，表明動力學補償有效。

圖8 姿態穩定度頻域對比Fig.8 Comparison of attitude stability in frequency domain

2.3 圖像運動補償試驗

GIIRS樣機模擬GIIRS對地球成像，成像靶標為星點，圖像光斑位置坐標通過重心法求解。

1)關閉圖像運動補償結果

3軸氣浮臺按式(1)的運動規律進行姿態導引，由GIIRS樣機遙感圖像中的目標點信息提取出的臺體姿態與氣浮臺姿態測量信息對比，如圖9所示。可以看出：圖像移動軌跡與平臺姿態角變化趨勢一致，說明圖像移動主要由臺體姿態運動引起，成像誤差不符合隨機誤差規律。經數據統計分析，99.73%的實際成像目標點與期望位置的距離在272.025 6 μrad內(圖9中圓圈表示)。

圖9 關閉圖像運動補償時的成像目標軌跡Fig.9 Imaging target trajectory without IMC (image motion compensation)

2)開啟圖像運動補償

開啟圖像運動補償后，在圖像運動補償的作用下，GIIRS樣機遙感圖像中的目標并未隨著臺體的姿態運動發生移動，而是集中在一定區域范圍內(見圖10)。圖11給出了成像誤差分布特征，基本符合正態分布規律。采用正態分布3σ統計公式，得出補償后實際成像目標點與期望位置的距離分布在13.782 0 μrad(3σ)內(圖10中圓圈表示)。

圖10 開啟圖像運動補償后的成像目標軌跡Fig.10 Imaging target trajectory with IMC

圖11 開啟圖像運動補償后的成像誤差分布特征Fig.11 Imaging error distribution with IMC

3 在軌試驗結果

為了驗證GIIRS圖像導航配準技術的有效性，風云四號衛星發射入軌后開展了專項測試，通過在軌成像數據評估GIIRS圖像導航配準效果。GIIRS對地凝視成像，30 s內對同一區域連續成像24幀，圖像質量清晰，未受到星上動力學擾動的影響(見圖12)。通過對多幀圖像進行對比分析(見圖13)可知：幀間配準誤差小于0.12像元(6.7 μrad)，與地面導航配準成像試驗的結果相似，表明地面動力學補償試驗和圖像運動補償試驗方法可有效驗證GIIRS圖像導航配準技術。

圖12 GIIRS遙感圖像Fig.12 An image taken by GIIRS

圖13 圖像配準結果Fig.13 Results of image registration

4 結論

為解決GIIRS圖像導航配準技術的地面驗證問題，本文提出了一種全物理仿真成像試驗方法，完成了GIIRS的動力學補償試驗和圖像運動補償試驗，得到結論如下。

(1)通過對成像試驗誤差分析，考慮GIIRS樣機成像誤差、圖像處理誤差和時間延時誤差等誤差項的影響，GIIRS成像試驗引入的誤差不超過5 μrad。

(2)成像試驗結果表明：動力學補償消除了掃描鏡工作頻段附近80.8%的響應幅值，姿態穩定度達到0.000 093 (°)/s；圖像運動補償消除了95%的GIIRS視線指向誤差，圖像配準精度達到13.782 0 μrad，均滿足指標要求，證明了GIIRS圖像導航配準技術的正確性。

(3)風云四號衛星發射后，GIIRS凝視成像期間的幀間圖像配準精度達到0.12像元(6.3 μrad)。剔除地面成像試驗誤差后，星地結果基本一致，表明地面成像試驗方法有效，對新技術的驗證具有重要作用。