唐士建 張東浩 柴鳳萍

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

地球靜止軌道高分辨率相機(jī)系統(tǒng)控制技術(shù)應(yīng)用

唐士建 張東浩 柴鳳萍

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

“高分四號(hào)”衛(wèi)星于2015年12月發(fā)射成功，主載荷高分辨率相機(jī)可解決低軌衛(wèi)星相機(jī)不能滿足突變的或連續(xù)的自然災(zāi)害、惡劣氣象等的觀測(cè)需求問(wèn)題。要在高約36 000km靜止軌道實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)、可靠、穩(wěn)定的目標(biāo)觀測(cè)，除了具備高性能的高分辨率探測(cè)器及其視頻處理電路等外，也必須具備相機(jī)系統(tǒng)控制技術(shù)的管理控制設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)相機(jī)分系統(tǒng)內(nèi)部資源的有序調(diào)配和系統(tǒng)成像控制。文章介紹了專門針對(duì)“高分四號(hào)”衛(wèi)星靜止軌道高分辨率相機(jī)的管理控制設(shè)備的系統(tǒng)構(gòu)架；推薦了一種新型的高軌相機(jī)多元冗余的長(zhǎng)壽命運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制架構(gòu)，并詳細(xì)介紹了基于該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制架構(gòu)的在軌紅外定標(biāo)自主式流程控制和在軌旋轉(zhuǎn)濾光自主式變速控制的新方法；最后，重點(diǎn)闡述了可見光多模式成像控制、紅外自動(dòng)成像模式控制、紅外成像保護(hù)控制和黑體溫度自主控制等多項(xiàng)相機(jī)系統(tǒng)控制新技術(shù)應(yīng)用。該文成果在系統(tǒng)可靠性框架、自主控制、軟件容錯(cuò)等技術(shù)方面可為后續(xù)型號(hào)產(chǎn)品的研制提供借鑒。

自主控制 高分辨率相機(jī) 地球靜止軌道 “高分四號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

“高分四號(hào)”衛(wèi)星是我國(guó)成功發(fā)射的首顆地球靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星，主載荷光學(xué)遙感相機(jī)是目前我國(guó)地球靜止軌道對(duì)地觀測(cè)空間分辨率最高、視場(chǎng)最寬的光學(xué)遙感器。相機(jī)配置了可見光紅外和中波紅外成像通道，既可對(duì)定點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全天時(shí)、全天候的凝視觀測(cè)，也可對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行應(yīng)急觀測(cè)，能夠滿足災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)、林火災(zāi)害監(jiān)測(cè)、地震構(gòu)造信息提取和氣象天氣監(jiān)測(cè)等各種業(yè)務(wù)需求[1-5]，有效地彌補(bǔ)了中低軌道遙感器重訪周期長(zhǎng)、相對(duì)視場(chǎng)小等方面的不足，對(duì)我國(guó)天基觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建和完善具有舉足輕重的作用。

“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)優(yōu)越性能的實(shí)現(xiàn)，不僅因?yàn)榫哂邢冗M(jìn)的光機(jī)設(shè)計(jì)理念，還具備了極具創(chuàng)新性的、強(qiáng)大的電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)做后盾。管理控制設(shè)備作為整個(gè)相機(jī)載荷分系統(tǒng)控制核心，既是連接衛(wèi)星平臺(tái)以及相機(jī)分系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備之間交流的紐帶，也是實(shí)現(xiàn)整個(gè)分系統(tǒng)任務(wù)管理和調(diào)度的核心。針對(duì)相機(jī)系統(tǒng)控制方面，國(guó)內(nèi)研究者們已經(jīng)在借助圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行紅外成像在軌輻射定標(biāo)、多光譜成像控制、常見溫度控制系統(tǒng)和相機(jī)溫度解算等方面進(jìn)行過(guò)相關(guān)的研究，也已有一定的研究基礎(chǔ)，而“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)管理控制設(shè)備針對(duì)靜止軌道應(yīng)用特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了相機(jī)更優(yōu)越的性能。本文重點(diǎn)圍繞“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)管理控制設(shè)備在運(yùn)動(dòng)部件可靠性、自主控制、可見光成像和紅外成像等幾個(gè)方面的突出應(yīng)用特點(diǎn)展開介紹。

1 相機(jī)控制架構(gòu)

相機(jī)的管理控制設(shè)備為相機(jī)載荷分系統(tǒng)控制核心，除了完成數(shù)據(jù)交換、能源分配和狀態(tài)監(jiān)測(cè)等基本功能外[6]，管理控制設(shè)備還需實(shí)現(xiàn)地球靜止軌道特殊及復(fù)雜相機(jī)系統(tǒng)控制技術(shù)（包括高可靠的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自主控制技術(shù)、可見光多模式成像控制技術(shù)和紅外成像自主控制技術(shù)等），才能夠充分滿足“高分四號(hào)”衛(wèi)星靜止軌道高分辨率相機(jī)對(duì)地面快速、連續(xù)、可靠、穩(wěn)定的目標(biāo)觀測(cè)的需求。相機(jī)管理控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 相機(jī)管理控制系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of the management and control system of camera

高可靠的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制技術(shù)借助多元冗余的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制構(gòu)架進(jìn)行多機(jī)構(gòu)可靠的控制，由數(shù)據(jù)處理單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制單元實(shí)現(xiàn)星上定標(biāo)機(jī)構(gòu)自主流程控制和旋轉(zhuǎn)濾光運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)變速控制；可見光多模式成像控制技術(shù)憑借數(shù)據(jù)處理單元和可見光成像控制單元實(shí)現(xiàn)相機(jī)可見光通道的單拍、連拍、準(zhǔn)視頻成像等多種模式控制，紅外成像自主控制技術(shù)依靠數(shù)據(jù)處理單元和紅外成像控制單元實(shí)現(xiàn)自動(dòng)紅外成像模式、紅外成像保護(hù)機(jī)制和黑體控溫自主控制等。

2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠控制

2.1多元冗余的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制架構(gòu)

空間輻射影響和故障模式是航天器電子學(xué)單機(jī)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)要考慮的重要問(wèn)題，地球靜止軌道的空間輻射環(huán)境也尤為復(fù)雜[7]。在靜止軌道中CMOS器件的單粒子鎖定（Single Event Latchup，SEL）以及功率晶體管的單粒子燒毀（Single Event Burnout，SEB）和單粒子?xùn)糯⊿ingle Event Gate Rupture，SEGR）等失效模式可能會(huì)導(dǎo)致CMOS器件和功率晶體管發(fā)生不可逆的故障[8-11]。因此，單純依賴CMOS器件和功率晶體管自身抗單粒子能力來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性是不夠的，還要從電路設(shè)計(jì)角度進(jìn)行防護(hù)。

管理控制設(shè)備采用CMOS器件和功率管等實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的綜合控制。為實(shí)現(xiàn)高軌、高可靠的機(jī)構(gòu)控制，管理控制設(shè)備創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種多元冗余的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制構(gòu)架，防止空間輻照效應(yīng)或其他原因?qū)е码娐饭δ苁В蕴岣弋a(chǎn)品的可靠性。

每種機(jī)構(gòu)控制鏈路包括：配電控制、功率電源、合并環(huán)節(jié)、功率限流、功率驅(qū)動(dòng)和邏輯控制等多個(gè)部件，如圖2所示，標(biāo)有“主”或“備”的部件為“主”或“備”加電工作時(shí)，“備”或“主”處于不加電狀態(tài)。在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制框架中，除了功率驅(qū)動(dòng)部分內(nèi)部的多個(gè)功率管之間串并聯(lián)冗余外，還包括功率電源和邏輯控制電路之間可交叉冗余、功率電源和功率驅(qū)動(dòng)之間交叉冗余、功率限流之間相互冗余等。上述由多個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制鏈路構(gòu)成的系統(tǒng)稱為多元冗余的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制架構(gòu)。該目的是保證各環(huán)節(jié)在空間單離子效應(yīng)導(dǎo)致某環(huán)節(jié)的某個(gè)器件失效的情況下，機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)仍能可靠工作或通過(guò)切換仍能可靠工作，該機(jī)構(gòu)控制方案可為高軌相機(jī)多復(fù)雜機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)壽命控制提供長(zhǎng)期保障。

圖2 多元冗余的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制架構(gòu)Fig.2 Block diagram of controlling multiple redundance mechanism

2.2在軌紅外定標(biāo)自主式流程控制

遙感相機(jī)紅外成像需要進(jìn)行輻射定標(biāo)，其中一種方式就是在軌輻射校正[12-13]。管理控制設(shè)備負(fù)責(zé)控制定標(biāo)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)適時(shí)參與紅外成像的在軌輻射定標(biāo)工作。在軌定標(biāo)工作開展，除了具備多元冗余架構(gòu)來(lái)保證架構(gòu)的可靠動(dòng)作，還開創(chuàng)了一套自主式的在軌紅外定標(biāo)控制流程，在紅外成像流程中適時(shí)切入和自動(dòng)退出，在發(fā)射、變軌過(guò)程或不可抗拒的外部原因等導(dǎo)致機(jī)構(gòu)位置偏離時(shí)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制單元再次工作時(shí)自動(dòng)調(diào)整定標(biāo)機(jī)構(gòu)回到初始位置，以實(shí)現(xiàn)紅外輻射定標(biāo)的自主控制。

圖3 定標(biāo)機(jī)構(gòu)位置示意Fig.3 Position of calibration mechanism

圖4 紅外輻射定標(biāo)自主控制流程Fig.4 Autonomous control flow graph of infrared radiation calibration

定標(biāo)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)位置示意如圖3所示，包括初始位置、……、中間位置N、……、終點(diǎn)位置等有效位置。紅外定標(biāo)控制流程如圖 4所示，當(dāng)自動(dòng)紅外成像或分步紅外成像執(zhí)行至定標(biāo)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)加電時(shí)（自動(dòng)紅外成像流程見4.1節(jié)），管理控制設(shè)備啟動(dòng)定標(biāo)機(jī)構(gòu)自主回零機(jī)制，識(shí)別定標(biāo)機(jī)構(gòu)位置：若定標(biāo)機(jī)構(gòu)處在零位，則不控制輸出；若識(shí)別機(jī)構(gòu)處于其他有效位置或非有效位置位置，則自主識(shí)別機(jī)構(gòu)所處位置區(qū)間，使定標(biāo)機(jī)構(gòu)回到有效位置后再控制機(jī)構(gòu)返回初始位置；若無(wú)法識(shí)別是否到達(dá)初始位置，設(shè)置最大控制行程，保護(hù)機(jī)構(gòu)不被損壞，并反饋錯(cuò)誤信號(hào)。

當(dāng)定標(biāo)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)目標(biāo)位置為中間位置N時(shí)，當(dāng)前位置若滿足目標(biāo)位置則不控制輸出；若當(dāng)前位置是非目標(biāo)位置的其他有效位置，則控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置；若當(dāng)前位置為非有效位置，先自主識(shí)別有效位置區(qū)間，再?gòu)淖罱挠行恢眠\(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置；若無(wú)法識(shí)別到目標(biāo)位置，設(shè)置最大控制行程，保護(hù)機(jī)構(gòu)不被損壞，并反饋錯(cuò)誤信號(hào)。

當(dāng)定標(biāo)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)目標(biāo)位置為終點(diǎn)位置時(shí)，若滿足目標(biāo)位置則不控制輸出；若當(dāng)前位置是非終點(diǎn)位置，先自主識(shí)別有效地位置區(qū)間（識(shí)別過(guò)程設(shè)置最大控制行程，保護(hù)機(jī)構(gòu)超過(guò)終點(diǎn)位置不被損壞）并運(yùn)動(dòng)到最近有效位置，再運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)位置；若無(wú)法識(shí)別終點(diǎn)位置，設(shè)置最大控制行程，保護(hù)機(jī)構(gòu)不被損壞，并反饋錯(cuò)誤信號(hào)。

2.3 在軌旋轉(zhuǎn)濾光自主式變速控制

針對(duì)“高分四號(hào)”衛(wèi)星地球靜止軌道高分辨率可見光成像特點(diǎn)，相機(jī)需要進(jìn)行星上大尺寸旋轉(zhuǎn)濾光運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制以切換不同譜段的光進(jìn)入光路，同時(shí)結(jié)合相機(jī)不同的拍照模式，實(shí)現(xiàn)可見光通道多模式成像。

管理控制設(shè)備在多核數(shù)據(jù)處理單元調(diào)度下，基于第 2.1節(jié)的控制框架設(shè)計(jì)了一種星上大尺寸旋轉(zhuǎn)濾光運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制技術(shù)。星上大尺寸旋轉(zhuǎn)濾光控制主要包括自主復(fù)位控制、任意譜段自主切換控制和變速控制等。當(dāng)管理控制設(shè)備加電或收到復(fù)位指令后，將旋轉(zhuǎn)濾光運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行自主復(fù)位，復(fù)位過(guò)程依靠位置反饋進(jìn)行多次順時(shí)針和逆時(shí)針控制而最終確定，復(fù)位過(guò)程的位置反饋信號(hào)也要進(jìn)行多次判讀，避免干擾信號(hào)造成的誤判，保證可靠復(fù)位。

旋轉(zhuǎn)濾光運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)也具有多個(gè)位置，示意圖如圖5所示，從一個(gè)位置到另外一個(gè)位置時(shí)有兩條途徑，但僅有一條是最短路徑。因此，在收到任意譜段切換指令后，自主計(jì)算出最短路徑，以實(shí)現(xiàn)最高效率的譜段切換。

由于旋轉(zhuǎn)濾光運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸較大，在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)折算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)譜段切換還有較高的時(shí)間要求，為了解決上述問(wèn)題，在控制方式上采用了變速控制，如圖6所示。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，逐步加速，保證了驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，當(dāng)濾光片達(dá)到足夠的轉(zhuǎn)速后保持勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為了防止過(guò)沖，當(dāng)切換快要到位時(shí)，逐步降低轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)濾光機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速加速度、時(shí)間以及勻速運(yùn)動(dòng)頻率均需要根據(jù)譜段特性進(jìn)行計(jì)算。變速控制既能保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又能節(jié)約譜段間切換時(shí)間，有效保證了星上大尺寸旋轉(zhuǎn)濾光運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠控制。

圖5 旋轉(zhuǎn)濾光機(jī)構(gòu)位置示意Fig.5 Position of the spectral filter mechanism

圖6 旋轉(zhuǎn)濾光機(jī)構(gòu)速度控制曲線Fig.6 Speed curve of the spectral filter mechanism

管理控制設(shè)備突破了旋轉(zhuǎn)濾光譜段多、模式復(fù)雜、譜段迅速切換和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大等多項(xiàng)難點(diǎn)，在保證相機(jī)可見光成像前提下的實(shí)現(xiàn)濾光輪自主切換控制，為靜止軌道可見光可靠成像提供保障。

3 可見光多模式成像

“高分四號(hào)”衛(wèi)星靜止軌道高分辨率相機(jī)可見光成像采用凝視成像方式，針對(duì)可見光成像特點(diǎn)，突破傳統(tǒng)單一成像模式，設(shè)置了多種在軌成像模式，如單拍、連拍以及與多種譜段結(jié)合成像等多種模式。多光譜多模式的可見光成像是通過(guò)在光路中不斷切換載有不同波長(zhǎng)濾光片機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[14]。

在 2.3節(jié)中，介紹的在軌旋轉(zhuǎn)濾光機(jī)構(gòu)自主式變速控制技術(shù)為“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)實(shí)現(xiàn)高分辨率可見光多模式成像的關(guān)鍵技術(shù)。在管理控制設(shè)備控制下，根據(jù)地面發(fā)送的在軌成像子模式，可實(shí)現(xiàn)秒級(jí)的單拍、連拍、多譜段單拍、準(zhǔn)視頻成像等成像模式。多種成像模式控制特點(diǎn)見表1所示，單拍模式用時(shí)最短，對(duì)特殊目標(biāo)進(jìn)行短時(shí)成像，同時(shí)可通過(guò)切換譜段對(duì)不同光譜特點(diǎn)的目標(biāo)進(jìn)行成像，獲取用戶更關(guān)心的目標(biāo)特征，適用于突發(fā)事件的目標(biāo)探測(cè)。連拍、準(zhǔn)視頻成像模式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的連續(xù)觀測(cè)，適用于觀察大氣、海洋和陸地漸變過(guò)程。

表1 相機(jī)多種成像模式控制特點(diǎn)Tab.1 Control characteristics of multiple imaging modes

在可見光多種成像模式中可通過(guò)管理控制設(shè)備調(diào)整積分時(shí)間，配合相機(jī)可見光成像組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)色彩繽紛、明暗交錯(cuò)的目標(biāo)進(jìn)行高清成像，就像具有焦距、光圈和曝光時(shí)間調(diào)整能力的單反相機(jī)一樣，“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)借助管理控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)了可積分調(diào)整，可對(duì)焦，可單拍，可連拍，可準(zhǔn)視頻成像等多功能和多模式應(yīng)用，成為了新一代多功能、多模式、高軌、高分辨率相機(jī)。

4 紅外成像自主控制

4.1自動(dòng)紅外成像模式

“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)是運(yùn)行在36 000km軌道高度的地球靜止軌道高分辨率相機(jī)，其紅外成像流程復(fù)雜，需要多個(gè)設(shè)備參與和多項(xiàng)步驟執(zhí)行。若采用地面指令形式，衛(wèi)星平臺(tái)需要發(fā)送多條指令完成紅外成像，還需要人工進(jìn)行健康狀態(tài)診斷和計(jì)時(shí)，成像過(guò)程復(fù)雜而且用戶使用起來(lái)也不便捷，同時(shí)，由于需要進(jìn)行天地閉環(huán)控制，紅外成像的實(shí)時(shí)性也會(huì)降低。為實(shí)現(xiàn)相機(jī)快速、連續(xù)的紅外目標(biāo)觀測(cè)，需要成像控制更自主化，管理控制設(shè)備針對(duì)靜止軌道高分辨率紅外成像的特殊性，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了相機(jī)自動(dòng)紅外成像模式，節(jié)省了地面發(fā)送指令、人工健康狀態(tài)診斷和計(jì)時(shí)等操作時(shí)間，提高了紅外成像效率。

自動(dòng)紅外成像模式任務(wù)流程如圖7所示。當(dāng)管理控制設(shè)備接收到用戶的紅外成像指令后，啟動(dòng)自動(dòng)紅外成像控制程序，根據(jù)制冷設(shè)備傳送的探測(cè)器溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，達(dá)到滿足溫度范圍，由相機(jī)能源分配單元對(duì)紅外成像組件加電，相機(jī)按照紅外成像控制單元預(yù)設(shè)成像參數(shù)進(jìn)行紅外成像。過(guò)程中，管理控制設(shè)備捕捉、匯總以及打包相機(jī)完整的紅外成像數(shù)據(jù)，并定時(shí)自主的下傳至衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)中。待定標(biāo)機(jī)制啟動(dòng)，通過(guò)相機(jī)能源分配單元和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制單元啟動(dòng)控溫功能，待黑體溫度達(dá)到紅外探測(cè)器輻射定標(biāo)要求，啟動(dòng)在軌紅外定標(biāo)成像控制。相機(jī)紅外成像組件按照自動(dòng)時(shí)序在定標(biāo)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到每個(gè)位置后，分別進(jìn)行初始位置定標(biāo)成像、……、中間位置N定標(biāo)成像、……、終點(diǎn)位置定標(biāo)成像等。定標(biāo)成像后，即對(duì)對(duì)地面目標(biāo)連續(xù)觀測(cè)。觀測(cè)過(guò)程中，用戶可根據(jù)觀測(cè)目標(biāo)對(duì)相機(jī)成像參數(shù)（如積分時(shí)間和增益等）進(jìn)行微調(diào)。觀測(cè)任務(wù)結(jié)束后，管理控制設(shè)備控制相機(jī)能源分配單元、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制單元和紅外成像控制單元等部分恢復(fù)初始狀態(tài)，切斷不需要工作的部分電源以達(dá)到節(jié)能效果，結(jié)束紅外成像自主控制進(jìn)程。

圖7 自動(dòng)紅外成像模式流程Fig.7 Flow chart of auto infrared imaging

通過(guò)自動(dòng)紅外成像模式，管理控制設(shè)備合理安排成像步驟和有序調(diào)配應(yīng)用資源，可以節(jié)省用戶多條指令和人工判讀時(shí)間，天地閉環(huán)的響應(yīng)時(shí)間可提高數(shù)倍。管理控制設(shè)備借助自動(dòng)紅外成像模式，控制相機(jī)紅外成像電路組件，輔助相機(jī)迅速將快速、連續(xù)的圖像呈現(xiàn)在用戶面前。

4.2紅外成像保護(hù)機(jī)制

在紅外成像過(guò)程中，為了保護(hù)紅外探測(cè)器不會(huì)因自身工作產(chǎn)生的熱量或某些不可抗拒外部原因?qū)е聹囟冗^(guò)高而損壞，管理控制設(shè)備專門研發(fā)了一種紅外成像保護(hù)機(jī)制。

在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)紅外成像或者分步紅外成像時(shí)，探測(cè)器配置的專用制冷設(shè)備也開始工作。管理控制設(shè)備根據(jù)紅外制冷控制組件通過(guò)內(nèi)部總線傳送的探測(cè)器溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷比較，在探測(cè)器各溫度參數(shù)達(dá)到或低于預(yù)設(shè)的溫度閾值，控制相機(jī)能源分配單元才對(duì)紅外成像電路部分加電，避免紅外探測(cè)器因不滿足溫度要求就執(zhí)行了用戶的加電指令，而對(duì)探測(cè)器造成損壞。同理，紅外成像過(guò)程中，若紅外探測(cè)器溫度過(guò)高，會(huì)對(duì)探測(cè)器造成損壞，進(jìn)而可能導(dǎo)致相機(jī)失去紅外成像功能，管理控制設(shè)備能夠觀測(cè)全程，對(duì)探測(cè)器溫度進(jìn)行智能判讀，一旦探測(cè)器溫度達(dá)到或高于預(yù)設(shè)最高溫度，就控制紅外成像控制單元和相機(jī)能源分配單元切斷紅外探測(cè)器電源，停止紅外成像，及時(shí)保護(hù)探測(cè)器安全，詳細(xì)的紅外成像保護(hù)機(jī)制流程圖如圖8所示。另外，加電溫度閾值和斷電溫度閾值均可通過(guò)地面指令按照規(guī)則進(jìn)行隨機(jī)配置，保護(hù)溫度設(shè)置如表2所示。

管理控制設(shè)備對(duì)紅外成像保護(hù)機(jī)制自身也要采用保護(hù)手段，診斷過(guò)程要進(jìn)行多次連續(xù)判讀，滿足條件再進(jìn)行保護(hù)機(jī)制啟動(dòng)，若連續(xù)采集一定時(shí)間仍不滿足紅外成像條件則停止成像，第一時(shí)間向地面用戶反饋探測(cè)器異常信息。

圖8 紅外成像保護(hù)機(jī)制流程Fig.8 Flow chart of infrared imaging with safeguard

表2 紅外成像保護(hù)機(jī)制溫度數(shù)據(jù)Tab.2 Temperature data of infrared imaging with safeguard

4.3黑體溫度自主控制

在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)紅外成像模式或者分步進(jìn)行定標(biāo)成像時(shí)，管理控制設(shè)備要啟動(dòng)一項(xiàng)重要的工作——定標(biāo)黑體控溫功能。黑體溫度到達(dá)紅外探測(cè)器的輻射定標(biāo)要求，才能保證相機(jī)進(jìn)行清晰的紅外成像。

常見的控溫方式及對(duì)比情況見表3。從對(duì)比結(jié)果可以看出，開關(guān)控溫一般適用控溫精度較低的場(chǎng)合[15-16]，在我國(guó)許多工業(yè)過(guò)程控制、工業(yè)溫度控制系統(tǒng)、手持或移動(dòng)式電子設(shè)備中仍被使用[16-17]，不適用于紅外成像的黑體溫度控制。PID（Proportional-Integral-Differential，PID）控溫多用于智能控制系統(tǒng)中的控溫方式，控溫精度高，紅外成像輻射定標(biāo)需要對(duì)溫度點(diǎn)適時(shí)在軌配置，也需要進(jìn)行多路控溫，需要溫度采集與溫度控制進(jìn)行組合應(yīng)用[18-20]，因此數(shù)字PID控溫更適合在軌定標(biāo)黑體控溫。根據(jù)上述分析，數(shù)字PID控溫是適合紅外成像黑體控溫的方式，但相機(jī)整體控溫方式還是采用時(shí)間最優(yōu)的控制算法，就是將數(shù)字開關(guān)控溫和數(shù)字PID控溫相結(jié)合的方式。

表3 不同控溫方式對(duì)比表Tab.3 Comparison of multiple temperature controlling modes

管理控制設(shè)備采用的控溫模型如圖9所示。在當(dāng)前溫度與目標(biāo)溫度值相差大于閾值時(shí)，啟用開關(guān)控制，即全功率加熱或制冷，節(jié)省處理器資源，當(dāng)目標(biāo)溫度與當(dāng)前值的差值在閾值以內(nèi)時(shí)，采用PID算法進(jìn)行控溫，保證控溫精度。

圖9 控溫模型Fig.9 The model of temperature controlling

數(shù)字PID控溫的溫度、控溫精度和控溫穩(wěn)定度見表4所示，從表中可以看出控溫精度和穩(wěn)定度均控制在小于0.1K的溫度范圍內(nèi)。

表4 溫度控制數(shù)據(jù)Tab.4 Data of temperature controlling

5 結(jié)束語(yǔ)

“高分四號(hào)”衛(wèi)星遙感相機(jī)管理控制設(shè)備依托自身有序的資源調(diào)配和管理能力，保證相機(jī)與衛(wèi)星平臺(tái)之間的指令和數(shù)據(jù)交換，同時(shí)也保證相機(jī)各部件的正常有序運(yùn)轉(zhuǎn)和可靠工作，依靠復(fù)雜相機(jī)系統(tǒng)控制技術(shù)輔助相機(jī)迅速將連續(xù)圖像呈現(xiàn)給用戶。相機(jī)管理控制設(shè)備的成功研制和在軌穩(wěn)定運(yùn)行，開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品在靜止軌道應(yīng)用的先河，產(chǎn)品在系統(tǒng)可靠性框架、自主控制、軟件容錯(cuò)等技術(shù)方面可為后續(xù)型號(hào)產(chǎn)品的研制提供借鑒。

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System Control Technology of High Resolution Camera In Geostationary Orbit

TANG Shijian ZHANG Donghao CHAI Fengping

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

GF-4 satellite was successfully launched at the end of 2015. Its high-resolution camera as the main satellite payload can solve the observation problem that the camera in low orbit cannot observe mutations, continuous natural disasters or adverse weather. To achieve fast, continuous, reliable and stable observation in about 36,000km geostationary orbit, in addition to high-resolution detectors and video processing circuit, it is necessary to rely on orderly deployment of camera internal resources and intelligent imaging control achieved by management and control equipment. This paper describes the system architecture of management and control equipment specialited for GF-4 high-resolution camera of geostationary orbit, recommends a new, long-life and multiple redundant mechanism control architecture in geostationary orbit, and details the autonomous control of the infrared radiation calibration and the autonomous variable speed control of the spectral filter mechanism based on this mechanism control framework. It also describes a variety of new camera system control technology, such as visible multi-mode imaging control, auto infrared imaging mode, infrared imaging control with safeguard and digital PID temperature control. The results of the paper provide references for developing the future products in the aspects of system reliability framework, independent process control, and software fault tolerance.

autonomous control; high-resolution camera; geostationary orbit; GF-4 satellite

V447

: A

: 1009-8518(2016)05-0058-11

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.05.007

唐士建，男，1982年生，畢業(yè)于北京理工大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)楹教爝b感器電子工程及控制技術(shù)。E-mail: 741124372@qq.com。

（編輯：龐冰）

2016-03-30

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程