李俊麟，汪少林，張黎明，司孝龍，馬文佳，楊春燕，李鑫，劉輝，李陽(yáng)

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光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)測(cè)控設(shè)計(jì)

李俊麟1，汪少林2，張黎明1，司孝龍1，馬文佳2，楊春燕2，李鑫1，劉輝1，李陽(yáng)2

（1. 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031；2. 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

文章介紹了一種光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)，用于發(fā)射前整星條件下對(duì)光學(xué)載荷雜散光抑制能力的模擬、分析及驗(yàn)證測(cè)試。根據(jù)衛(wèi)星的雜散光測(cè)試特點(diǎn)，對(duì)雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了安全性、有序性、有效性、準(zhǔn)確性、重現(xiàn)性、完整性和通信控制等測(cè)控設(shè)計(jì)，并推導(dǎo)了光束掃描子系統(tǒng)的控制方程。對(duì)雜散光掃描系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確性進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明：光束掃描位置精度優(yōu)于10mm，方位角精度優(yōu)于0.2°，俯仰角精度優(yōu)于0.1°。

光學(xué)載荷；雜散光；太陽(yáng)模擬器；機(jī)器人；暗室

0 引言

光學(xué)遙感衛(wèi)星在氣象、資源、海洋、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[1]。但是，該類(lèi)衛(wèi)星在軌運(yùn)行過(guò)程中，其載荷光學(xué)相機(jī)極易受雜散光的影響，輕則降低相機(jī)傳感器信噪比，重則導(dǎo)致成像數(shù)據(jù)失效，甚至造成傳感器飽和、喪失成像能力[2]。在進(jìn)行光學(xué)遙感相機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，一般都會(huì)根據(jù)衛(wèi)星軌道和照相特點(diǎn)預(yù)先進(jìn)行模擬、仿真，為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置相應(yīng)的雜散光抑制措施，但這些模擬、仿真不能完全真實(shí)反映出相機(jī)的雜散光抑制能力。因此，國(guó)內(nèi)外廣泛開(kāi)展了空間環(huán)境模擬器的研究和建設(shè)，例如太陽(yáng)模擬器等[3-5]。美國(guó)SS15B太陽(yáng)模擬器的輻照面積可達(dá)6000mm，歐空局ESTEC太陽(yáng)模擬器可達(dá)7000mm[6]，日本NASDA太陽(yáng)模擬器可達(dá)6000mm[7-8]。大型太陽(yáng)模擬器雖然可以模擬太陽(yáng)的照明情況，卻難以模擬光學(xué)遙感衛(wèi)星全年在軌運(yùn)行的被照情況，即要求光學(xué)遙感衛(wèi)星與太陽(yáng)光束之間存在姿態(tài)（光束方位角、俯仰角）的變化。

為了在地面真實(shí)模擬光學(xué)遙感衛(wèi)星在軌運(yùn)行的被照情況，驗(yàn)證相機(jī)的雜散光抑制能力，預(yù)估相機(jī)的成像軌道和時(shí)間特點(diǎn)，建立了一套光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)。本文對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)控設(shè)計(jì)，以確保其安全性、姿態(tài)的準(zhǔn)確性、測(cè)量結(jié)果的有效性、狀態(tài)參數(shù)記錄的完整性和重現(xiàn)性、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的有序性。

1 系統(tǒng)測(cè)控設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)介紹

光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)模擬器、光束掃描子系統(tǒng)和消光子系統(tǒng)3部分。

太陽(yáng)模擬器光源使用了4只7kW短弧氙燈，采用方陣排布、水平點(diǎn)燃的照明方式。主要由氙燈光源、橢球聚光鏡、輔鏡（消色差）、勻光積分器（場(chǎng)鏡和投影鏡，元素鏡為方形）、可變光闌、準(zhǔn)直鏡，以及輔助散熱和裝調(diào)等機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。太陽(yáng)模擬器的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 氙燈太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)

表1 太陽(yáng)模擬器主要性能指標(biāo)

光束掃描子系統(tǒng)包括太陽(yáng)模擬器光束折反指向鏡的2維轉(zhuǎn)動(dòng)、掃描鏡的7維掃描運(yùn)動(dòng)和被測(cè)光學(xué)遙感衛(wèi)星的簡(jiǎn)單1維水平轉(zhuǎn)動(dòng)共10維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中，掃描鏡的7維掃描采用7維大型機(jī)器人完成，與指向鏡的2維轉(zhuǎn)動(dòng)一起，采用曲面模型約束掃描鏡中心的位置，構(gòu)建太陽(yáng)模擬器光束的投射位置和姿態(tài)；而光學(xué)遙感衛(wèi)星的簡(jiǎn)單1維水平轉(zhuǎn)動(dòng)主要用于輔助構(gòu)建光束相對(duì)于衛(wèi)星對(duì)地面的方位角。

7維大型機(jī)器人（ABB IRB6650S-125/3.5）是光束掃描子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，運(yùn)動(dòng)范圍最遠(yuǎn)可達(dá)3500mm，最大負(fù)載125kg，其手臂各部分臂長(zhǎng)和豎直運(yùn)動(dòng)范圍如圖2所示（從下至上依次為1～6關(guān)節(jié)）。該型機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍如表2所示，機(jī)器人可以靈活構(gòu)建掃描鏡的位置和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)模擬器的光束掃描，模擬光學(xué)遙感衛(wèi)星在軌全年被照條件的變化[9-10]。

圖2 ABB IRB6650S-125/3.5臂長(zhǎng)及豎直運(yùn)動(dòng)范圍

表2 IRB6650S-125/3.5機(jī)器人6關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍

消光子系統(tǒng)是雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)的保障性建設(shè)部分，用于模擬相機(jī)成像極黑目標(biāo)和構(gòu)建空間模擬暗室，以消除衛(wèi)星雜散光測(cè)試過(guò)程相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)和環(huán)境中的直接反射、二次反射、耦合反射等雜散光。3種消光措施包括：通過(guò)消光材料特性增加吸收、降低反射率，鏡面反射至無(wú)關(guān)方向，以及多次反射降低總反射率。極黑目標(biāo)和空間模擬暗室采用中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的反射率低于1.5%（400～1600nm）的消光材料，極黑目標(biāo)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 極黑目標(biāo)模擬器結(jié)構(gòu)

1.2 測(cè)控設(shè)計(jì)

1）安全性設(shè)計(jì)

光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光測(cè)試系統(tǒng)使用了大量強(qiáng)電設(shè)備，如大功率太陽(yáng)模擬器（4×7kW氙燈），屬于火源性隱患；此外，光束掃描子系統(tǒng)使用的大型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程不僅可能導(dǎo)致夾持的掃描鏡與自身機(jī)械臂發(fā)生碰撞，也可能在掃描過(guò)程中碰撞衛(wèi)星，屬于運(yùn)動(dòng)型干涉源。雜散光測(cè)試光束掃描過(guò)程中，太陽(yáng)模擬器1～3倍太陽(yáng)常數(shù)的能量有可能直接投射進(jìn)相機(jī)視場(chǎng)，其高能光束可能使相機(jī)失去成像能力。因此，必須全面考慮該雜散光掃描測(cè)試過(guò)程中的安全性，并給予有效保障。

為了極大程度降低太陽(yáng)模擬器大量產(chǎn)熱的危害性，在盡可能提高有效能量（400～1000nm）收集能力的情況下（增大氙燈橢球聚光鏡包容角），通過(guò)橢球鏡鍍膜處理消除或最大程度降低長(zhǎng)波光的反射，從而降低發(fā)熱對(duì)光學(xué)系統(tǒng)和暗室環(huán)境的危害。而且，如圖1所示，在太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)各關(guān)鍵位置還設(shè)置了離心散熱風(fēng)機(jī)和水冷機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步降低了發(fā)熱對(duì)光學(xué)系統(tǒng)組件和環(huán)境的危害。此外，不僅在光學(xué)系統(tǒng)和暗室關(guān)鍵位置進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，還對(duì)大功率氙燈和冷卻裝置等關(guān)鍵部件進(jìn)行工作狀態(tài)（電流、電壓、功率）監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)、上報(bào)和處理可能的危險(xiǎn)。

2）有序性設(shè)計(jì)

光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)有序性設(shè)計(jì)指根據(jù)系統(tǒng)掃描控制方程（參見(jiàn)第1.3節(jié)），有機(jī)組合光束掃描子系統(tǒng)各個(gè)機(jī)構(gòu)有序運(yùn)動(dòng)，完成光束指向和位置的掃描，避免發(fā)生碰撞和光束直接投射進(jìn)相機(jī)視場(chǎng)。

光束掃描設(shè)計(jì)過(guò)程消除了衛(wèi)星的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)而僅進(jìn)行一維簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)以輔助構(gòu)建掃描光束的方位角，為進(jìn)一步減少其運(yùn)動(dòng)，在測(cè)試流程中先改變光束的俯仰角和位置，再降低衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和速度。另外，為減小2維指向鏡扭矩以及避免先開(kāi)啟太陽(yáng)模擬器后控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等誤操作可能造成的危害，在未測(cè)試的情況下指向鏡方位角（與太陽(yáng)模擬器光束夾角）和俯仰角（與水平面夾角）最好分別設(shè)置為45°和為0°。

7維大型機(jī)器人是光束掃描子系統(tǒng)中危害性最大的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。為兼顧避免光束直接投射進(jìn)相機(jī)視場(chǎng)，光束掃描子系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制順序設(shè)計(jì)為：首先轉(zhuǎn)動(dòng)衛(wèi)星完成光束方位角輔助定位；而后指向鏡2轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，完成光束折反；7維機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步驟為4、5、6關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)至安全位置—平移臺(tái)及1、2、3關(guān)節(jié)完成定位—4、5、6關(guān)節(jié)完成定位。

機(jī)器人夾持的掃描鏡及其基座共重約100kg，慣量較大，需要以較小的加速度進(jìn)行控制，以保持掃描機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，并長(zhǎng)期維持掃描精度。此外，ABB IRB6650S-125/3.5機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度是由控制點(diǎn)位置決定的，因此，當(dāng)控制點(diǎn)接近目標(biāo)位置而姿態(tài)相差較大時(shí)，機(jī)器人會(huì)為滿(mǎn)足距離運(yùn)動(dòng)的時(shí)間要求設(shè)置較小的運(yùn)動(dòng)速度，控制點(diǎn)緩慢移動(dòng)，但個(gè)別關(guān)節(jié)會(huì)為調(diào)整姿態(tài)偏差而發(fā)生大幅、快速翻轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象對(duì)掃描的穩(wěn)定性和安全性極為不利，因此在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中必須刻意避免控制點(diǎn)距目標(biāo)位置較近而距目標(biāo)姿態(tài)較遠(yuǎn)的情況。

3）有效性設(shè)計(jì)

光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光測(cè)試的目的在于，在整星條件下模擬驗(yàn)證光學(xué)相機(jī)在軌全年的雜散光抑制能力，分析成像軌道和時(shí)間特點(diǎn)，必須排除其他干擾源的影響。為此，專(zhuān)門(mén)研制了制冷組件，模擬相機(jī)傳感器在軌工作的溫度環(huán)境；并在太陽(yáng)模擬器光源處設(shè)計(jì)了針孔相機(jī)以監(jiān)測(cè)光源的穩(wěn)定性；同時(shí)，在空間模擬暗室中設(shè)計(jì)5處低照度檢測(cè)器以同步測(cè)量暗室的雜散光水平。

通過(guò)相機(jī)傳感器工作溫度環(huán)境的模擬和對(duì)光源穩(wěn)定性、暗室雜散光的監(jiān)測(cè)，以及消光子系統(tǒng)的極黑成像模擬目標(biāo)和空間模擬暗室，排除了雜散光測(cè)試過(guò)程的其他干擾因素，確保雜散光測(cè)試結(jié)果的有效性，真實(shí)反映衛(wèi)星光學(xué)系統(tǒng)自身的雜散光抑制能力。

4）準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)

光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)之所以能夠模擬衛(wèi)星在軌運(yùn)行全年的被照情況、分析衛(wèi)星成像的軌道和時(shí)間特點(diǎn)，在于其能夠通過(guò)光束掃描子系統(tǒng)的掃描使得太陽(yáng)模擬器光束完全覆蓋衛(wèi)星對(duì)地面，并且光束相對(duì)于衛(wèi)星對(duì)地面的指向變化相當(dāng)于其在軌時(shí)的太陽(yáng)照明幾何條件。這就必須首先準(zhǔn)確仿真出衛(wèi)星在軌運(yùn)行的太陽(yáng)照明幾何條件，然后通過(guò)光束掃描子系統(tǒng)予以真實(shí)、準(zhǔn)確的再現(xiàn)。

因此，光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)包括衛(wèi)星在軌運(yùn)行太陽(yáng)照明幾何條件的準(zhǔn)確仿真和光束掃描子系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確控制。前者通過(guò)專(zhuān)業(yè)的軟件進(jìn)行軌道仿真，能夠保證其準(zhǔn)確性；后者的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確建立光束掃描子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制方程，準(zhǔn)確測(cè)量各個(gè)機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)關(guān)系，準(zhǔn)確修正安置誤差，詳見(jiàn)1.3節(jié)。

5）重現(xiàn)性、完整性設(shè)計(jì)

太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星在軌運(yùn)行1年的太陽(yáng)照明情況變化較大；為了確保安全，雜散光測(cè)試衛(wèi)星的成像數(shù)據(jù)處理與光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)控是相對(duì)獨(dú)立的2部分，單獨(dú)控制。因此，雜散光測(cè)試時(shí)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)難以實(shí)時(shí)予以處理、分析。

針對(duì)事后數(shù)據(jù)處理、分析的情況，為增強(qiáng)事實(shí)依據(jù)、降低重復(fù)試驗(yàn)的概率，特別為光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了重現(xiàn)性和完整性設(shè)計(jì)。前者通過(guò)在關(guān)鍵位置安裝高清微光攝像機(jī)，對(duì)重要位置進(jìn)行視頻記錄；后者通過(guò)光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)測(cè)控軟件完整記錄太陽(yáng)模擬器和暗室及其輔助裝置的工作狀態(tài)，包括太陽(yáng)模擬器的穩(wěn)定性、功率、各處溫度以及暗室內(nèi)的雜散光水平等。

在后期衛(wèi)星成像數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，可以通過(guò)光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)測(cè)控軟件專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)回放功能根據(jù)時(shí)間軸調(diào)用、查看當(dāng)時(shí)雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)的工作狀態(tài)，為分析員提供判據(jù)。

6）通信控制設(shè)計(jì)

光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)占地約18m×15m×8m，除了光束掃描子系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行有序控制之外，太陽(yáng)模擬器和空間模擬暗室中還有大量的狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備需要實(shí)時(shí)進(jìn)行狀態(tài)記錄和處理。

由于需要控制或測(cè)量的設(shè)備數(shù)量和種類(lèi)較多且距離較遠(yuǎn)，普通的電腦不僅接口數(shù)量有限，接口種類(lèi)的擴(kuò)展性也較差，所以光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)采用工控機(jī)，并將所有RS232通信方式的設(shè)備和儀器進(jìn)行RS232/RS485轉(zhuǎn)換，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x和可靠性，同時(shí)上位機(jī)采用了MOXA CP-138U PCI串口擴(kuò)展卡，可以方便地設(shè)置成RS485和RS422傳輸。特別為針孔相機(jī)設(shè)計(jì)了1394PCIe接口管理光源穩(wěn)定性監(jiān)視數(shù)據(jù)。除此之外，還設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)通信接口進(jìn)行測(cè)量、控制。系統(tǒng)接口類(lèi)型如圖4所示。

圖4 光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)接口

光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)測(cè)控軟件采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，主要包括3個(gè)功能模塊。1）調(diào)試功能模塊：所有的控制、測(cè)量功能都可以在該模塊下單獨(dú)進(jìn)行，方便設(shè)備調(diào)試以及僅僅關(guān)注系統(tǒng)部分能力時(shí)的個(gè)別設(shè)備單獨(dú)控制或測(cè)量；2）測(cè)試功能模塊：即系統(tǒng)雜散光測(cè)試過(guò)程使用的模塊，所有運(yùn)動(dòng)、測(cè)量設(shè)備經(jīng)由軟件統(tǒng)一控制、自動(dòng)處理；3）數(shù)據(jù)回放功能模塊：針對(duì)衛(wèi)星雜散光測(cè)試數(shù)據(jù)事后處理的情況而設(shè)計(jì)的功能模塊，可以根據(jù)時(shí)間軸查詢(xún)指定時(shí)間的太陽(yáng)模擬器、空間模擬暗室和光束掃描子系統(tǒng)的狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)測(cè)控設(shè)計(jì)后，光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)的俯視圖如圖5所示。

圖5 光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)

1.3 控制方程

為了描述光束掃描子系統(tǒng)的控制方程，首先需要建立統(tǒng)一的基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)，對(duì)太陽(yáng)模擬器坐標(biāo)系、2維指向鏡轉(zhuǎn)動(dòng)控制坐標(biāo)系、7維掃描鏡控制坐標(biāo)系及1維光學(xué)遙感衛(wèi)星被測(cè)對(duì)地面非坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)控制坐標(biāo)系進(jìn)行有機(jī)綜合，形成有序的運(yùn)動(dòng)、測(cè)試流程，模擬衛(wèi)星在軌全年被照情況。

光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)光束掃描以實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)進(jìn)行綜合控制，以方形代表光學(xué)遙感衛(wèi)星，該系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵部件的坐標(biāo)系定義如圖6所示。

圖6 坐標(biāo)系統(tǒng)

圖中未畫(huà)出的、軸由右手定則確定，所有坐標(biāo)系的原點(diǎn)均位于機(jī)器人J2軸所在高度的水平面內(nèi)，也是太陽(yáng)模擬器主光軸所在的水平面。測(cè)試的衛(wèi)星對(duì)地面與衛(wèi)星水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸并不重合，而掃描光束的方位角、俯仰角都是基于對(duì)地面，因此需將基于對(duì)地面的掃描位置和姿態(tài)變換到基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系下表示。

該系統(tǒng)掃描控制方程根據(jù)掃描中心和光束方位角、俯仰角確定光束掃描系統(tǒng)總計(jì)10維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置和姿態(tài)?？梢苑?步實(shí)現(xiàn)，首先根據(jù)掃描中心和光束的方位角、俯仰角確定指向鏡、掃描鏡的位置和姿態(tài)，然后根據(jù)指向鏡、掃描鏡的位置和姿態(tài)分別確定指向鏡2維轉(zhuǎn)臺(tái)的各自角度、機(jī)器人各關(guān)節(jié)的角度和平移臺(tái)的位置。

光束掃描子系統(tǒng)和光學(xué)遙感衛(wèi)星共計(jì)使用了10維運(yùn)動(dòng)組件，其富余運(yùn)動(dòng)維度提高了運(yùn)動(dòng)控制的靈活性，也增加了唯一控制的復(fù)雜性。為確保掃描控制的唯一性，須對(duì)一些運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行約束。7維掃描鏡運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)最復(fù)雜，通常對(duì)掃描鏡中心點(diǎn)進(jìn)行約束，使其始終在某個(gè)面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，如平面、球面或拋物面等，這里使用平面進(jìn)行約束，并規(guī)定光學(xué)遙感衛(wèi)星一維轉(zhuǎn)動(dòng)輔助完成方位角構(gòu)建。

光學(xué)遙感衛(wèi)星在實(shí)際安裝或設(shè)計(jì)中可能存在被測(cè)面與轉(zhuǎn)動(dòng)半徑不垂直，被測(cè)面與豎直面不平行等情況，如圖7所示（表示對(duì)地面與轉(zhuǎn)動(dòng)半徑垂直的弦之間的夾角，表示對(duì)地面與豎直面之間的夾角）。由于掃描位置和掃描光束方位角、俯仰角都是基于對(duì)地面，而衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)是基于豎直轉(zhuǎn)軸，所以非理想對(duì)地面需要進(jìn)行相應(yīng)的校正，通過(guò)基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系統(tǒng)一控制掃描光束。

圖7 非理想被測(cè)面

基于對(duì)地面坐標(biāo)系掃描中心為(sc,sc,sc)，方位角、俯仰角為(,)的掃描光束的單位矢量可表示為

in=-(coscos, cossin, sin)。 (1)

規(guī)定衛(wèi)星的一維簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)動(dòng)輔助構(gòu)建太陽(yáng)模擬器掃描光束的方位角，其控制方程為

=。 (2)

實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系下對(duì)地面上的掃描點(diǎn)和光束矢量隨著衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)7維掃描鏡的掃描中心位于=l上，修正非理想被測(cè)面，則7維機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系下的位置控制方程為

令2維指向鏡轉(zhuǎn)動(dòng)中心為(fm,fm,fm) ，則指向鏡2維轉(zhuǎn)動(dòng)控制方程為

式中：fm和fm表示2維指向鏡的控制角度；fm=(fm,fm,fm)表示指向鏡法向單位矢量，通過(guò)歸一化三角關(guān)系獲得

fm=Norm(fm–fm)， (5)

其中fm、fm=(sm–fm,sm–fm,sm–fm)分別表示基于指向鏡的入射、反射光線(xiàn)矢量。同理，掃描鏡的單位法向矢量為

sm=Norm(sm–sm)， (6)

式中sm=fm、sm=(sc–sm,sc–sm,sc–sm)分別表示基于掃描鏡的入射、反射光線(xiàn)矢量。令(a,a,a)=sm為掃描鏡鏡面坐標(biāo)系的軸，并設(shè)其軸始終處于水平面內(nèi)，則掃描鏡軸

根據(jù)右手定則確定掃描鏡鏡面坐標(biāo)系的軸(O,O,O)。如果7維機(jī)器人的姿態(tài)采用四元數(shù)表示，則7維機(jī)器人的姿態(tài)控制方程為

。 (8)

其中sign(q)表示元素的符號(hào)。

2 準(zhǔn)確性檢測(cè)與討論

根據(jù)準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)，光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性包括軌道仿真的準(zhǔn)確性，以及光束掃描子系統(tǒng)各個(gè)機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確控制、相互關(guān)系的準(zhǔn)確測(cè)量、安置誤差的準(zhǔn)確修正。軌道仿真通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件完成，是雜散光掃描測(cè)試的輸入幾何條件，可認(rèn)為是準(zhǔn)確無(wú)誤的；其他項(xiàng)的準(zhǔn)確性則通過(guò)光束掃描位置和姿態(tài)綜合表現(xiàn)（統(tǒng)稱(chēng)為控制準(zhǔn)確性）。為檢測(cè)該系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確性，在太陽(yáng)模擬器投影鏡處設(shè)置“×”形標(biāo)志，在衛(wèi)星位置安置一臺(tái)精度5″的全站儀，如圖8所示。使太陽(yáng)模擬器光束按設(shè)定方位角和俯仰角掃描，通過(guò)全站儀觀(guān)測(cè)標(biāo)志的像，確定光束實(shí)際方位角和俯仰角。

圖8 光束掃描子系統(tǒng)準(zhǔn)確性測(cè)試

目標(biāo)值和觀(guān)測(cè)結(jié)果如表3和表4所示，可以看出，方位角和俯仰角掃描精度分別可達(dá)0.2°和0.1°。通過(guò)對(duì)光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)光束掃描子系統(tǒng)極限掃描角度的測(cè)試，方位角掃描范圍為-90°～90°，俯仰角掃描范圍為-29°～42.5°，可對(duì)1700mm（，可更大）×2700mm（）的表面進(jìn)行掃描。此外，使用細(xì)光束激光進(jìn)行掃描位置確認(rèn)時(shí)發(fā)現(xiàn)存在＜10mm的固定偏差。

表3 俯仰角觀(guān)測(cè)結(jié)果

表4 方位角測(cè)試結(jié)果

控制準(zhǔn)確性是光束掃描子系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自身精度、聯(lián)合運(yùn)行、誤差修正精度的綜合表現(xiàn)，由于使用了高精度的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，掃描機(jī)構(gòu)的自身精度可以得到保障。掃描光線(xiàn)方位角誤差的平均值為-0.113°、俯仰角誤差的平均值為0.023°，說(shuō)明測(cè)量時(shí)除了隨機(jī)觀(guān)測(cè)誤差（黑暗環(huán)境引起較大隨機(jī)觀(guān)測(cè)誤差）外還存在系統(tǒng)誤差。掃描位置偏差表現(xiàn)為固定值，亦說(shuō)明存在系統(tǒng)誤差。光線(xiàn)指向和位置存在系統(tǒng)誤差說(shuō)明光束掃描機(jī)構(gòu)之間的安置關(guān)系測(cè)量存在誤差，或運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程的誤差修正并不徹底。進(jìn)一步提高控制準(zhǔn)確性需要采用更高精度的測(cè)量方式測(cè)量光束掃描子系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的安置關(guān)系，并采取更加充分、詳細(xì)的誤差修正處理辦法。

3 結(jié)束語(yǔ)

光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)由于具有光束掃描的能力，并配備極黑模擬目標(biāo)和空間環(huán)境模擬暗室，可以在地面模擬衛(wèi)星在軌運(yùn)行全年的被照情況，驗(yàn)證、評(píng)估光學(xué)相機(jī)的雜散光抑制能力，分析其成像軌道和時(shí)間特點(diǎn)。

本文針對(duì)光學(xué)遙感衛(wèi)星雜散光測(cè)試的特點(diǎn)，對(duì)雜散光掃描測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了安全性、有序性、有效性、準(zhǔn)確性、重現(xiàn)性、完整性和通信控制等測(cè)控設(shè)計(jì)，確保衛(wèi)星雜散光測(cè)量過(guò)程安全、準(zhǔn)確，測(cè)試結(jié)果有效，數(shù)據(jù)分析判據(jù)充分。經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確性檢測(cè)，光束掃描位置精度優(yōu)于10mm，方位角精度優(yōu)于0.2°，俯仰角精度優(yōu)于0.1°，具有較高的控制準(zhǔn)確性。

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（編輯：馮露漪）

Design of measurement and control for stray light scanning test system of optical remote sensing satellite

LI Junlin1, WANG Shaolin2, ZHANG Liming1, SI Xiaolong1, MA Wenjia2, YANG Chunyan2,LI Xin1, LIU Hui1, LI Yang2

(1. Key Laboratory of Optical Calibration and Characterization, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China;2. Shanghai Satellite Engineering Research Institute, Shanghai 200240, China)

This paper presents a stray light scanning test system for the optical remote sensing satellite to simulate, analyze and validate the optical load’s stray light suppression before launch. According to the characteristics of the stray light test of the satellite, the stray light scanning system is designed with regard to the safety, the sequence, the effectiveness, the accuracy, the repeatability, the integrity and the communication control, meanwhile the control equation for the beam scanning subsystem is deduced. From the control precision measurements of the stray light scanning system, the positional accuracy is better than 10mm, the azimuth angle accuracy is better than 0.2°, and the pitch angle accuracy is better than 0.1°.

optical payload; stray light; solar simulator; robot; dark room

V524.2; V416.8

A

1673-1379(2017)02-0195-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.015

2016-10-09；

2017-03-09

李俊麟（1985—），男，博士學(xué)位，主要從事遙感相機(jī)輻射和幾何綜合定標(biāo)方面的研究。E-mail: lijunlin@aiofm.ac.cn。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544