FY-4卫星高光谱大气探测驻留控制与定位精度分析

静止轨道干涉式大气垂直探测仪装载在中国新一代静止轨道气象卫星风云四号上,是世界上第一个运行在静止轨道上的高光谱垂直探测仪器。在高光谱探测过程中,使“驻留”观测的目标保持高精度稳定是静止轨道高光谱红外大气探测的关键。风云四号卫星是我国高轨气象卫星首次采用三轴稳定姿态控制平台的卫星,这给探测仪的高精度定位带来很大挑战。高精度的观测计划稳定性需要卫星平台、姿态控制、有效载荷和地面系统共同完成,过程非常复杂。本文在介绍探测仪的探测原理和工作模式设计的基础上,对探测仪星地一体化定位的关键技术进行研究,并利用仪器在轨获得的实测数据对驻留控制精度与定位精度开展检验及分析。结果表明,探测仪达到了1/10像元的驻留控制精度与1像元的定位精度。

高精度永磁同步电动机控制系统设计

介绍利用CPLD和DSP组成的高精度永磁同步电动机驱动控制的设计方案。CPLD读取光栅编码器输出的位置信号,DSP完成控制环节的闭环校正,并进行矢量脉宽调制。从硬件构成和软件流程上对系统进行具体说明,试验表明系统具有良好的控制精度。

用于辅助光校的高精度五维调节架设计

随着光学系统的日益广泛使用,光学系统光校的复杂度逐渐体现出来。高精度、自动化、定量化的多维调节架成为光校系统的技术保证。针对某光学系统镜子重量大、精度要求高,设计了五维调节架机械机构、控制系统。即采用步进电机驱动滚珠丝杠副带动镜子走动、通过编码器进行位置测量,采用计算机和无线小键盘控制五维调节架定量化走动,给出了系统的机械设计、电控硬件和控制软件设计,并对其中的关键技术做了重点阐述。

低速大惯量高精度扫描控制系统的电流环研究

本文介绍了卫星扫描控制系统的一般原理，阐明了电流环对电机控制系统的重要性，在对国内外电流环实际水平所作分析的基础上，提出了一条适合风云四号气象卫星扫描辐射计扫描控制系统的电流环控制方法，最后给出了该电流环的原理框图和硬件实现框图。

一种离轴使用的同轴三反射系统的设计和装调

本文设计了一种视场角为3°的离轴使用的同轴三反射系统,并从理论上分析了焦平面如何离焦补偿像差、反射镜倾斜和偏心之间的补偿关系。通过采取离焦、折镜的平动或转动、反射镜本身的偏心和倾斜相互补偿的方法,来补偿反射镜的装调误差。事实证明,比普通离轴三反射系统的装调容易实现,精确度高。

绝对式圆感应同步器粗精数据融合

为了在测角系统中获得绝对角度,需要对绝对式圆感应同步器的粗通道和精通道数据进行融合。提出了一种粗精数据融合方法,具体阐述了粗通道的角度补偿和精通道的周期修正,相对于传统的不对粗通道进行补偿的方式,该方法可以使得测角系统适应更加恶劣的环境,拥有更高的可靠性,试验结果表明,数据融合算法正确可靠,在高低温真空条件下仍然可以获得准确的绝对角度。

干涉图零光程差位置的确定方法

风云四号A星干涉式大气垂直探测仪在轨运行以来发现,受噪声、采样误差、条纹计数错误等影响,干涉图零光程点会发生定位偏差.干涉条纹平移引起的相位误差与波数成线性关系,对残余相位进行线性回归分析可以得到零光程差位置的偏移量.利用在轨实测数据,应用残余相位方法,分析了零光程点定位偏差校正前后对相位谱及辐射光谱的影响.该方法已经应用于风云四号A星干涉式大气垂直探测仪的在轨数据预处理中,并取得了很好的应用效果.

基于扰动观测器的逆变器死区补偿方法研究

为了减小永磁同步电机矢量控制系统中由PWM逆变器死区效应引起的电流波形失真,对死区效应产生的原理以及影响进行了详细分析,设计了一种新的基于扰动观测器的在线死区补偿算法。该方法在两相旋转坐标系下对误差电压幅值进行估计并补偿,无需增加额外的硬件电路与电流极性检测,简单且易于实现,并且利用MATLAB对该方法进行了仿真。结果表明,该方法能够有效地抑制高次谐波电流分量,减小电机转速的波动。

一种种群自适应收敛的快速遗传算法

作为一种全局搜索算法,遗传算法的局部搜索能力较低,后期产生的无效进化与早熟收敛影响优化的速度和精度。已有的改进策略多以算法的时间复杂度为代价提高后期效率,严重限制了遗传算法在工业控制系统中的应用。针对这种情况,提出了一种新型种群自适应收敛的快速遗传算法,即通过提高种群的遗传质量,在严格控制算法复杂度的前提下提高优化性能。仿真结果证明,在不增加时间复杂度的前提下,新算法显著地提升了收敛精度和收敛速度。

感应同步器测角系统的电路设计与软件补偿

为了实现高速高精度电机扫描控制,设计了基于高性能追踪型轴角转换器RDC19220的绝对式圆感应同步器测角系统。该系统包括激磁电路、信号调理电路、轴角转换电路以及数字逻辑电路。为了提高测角精度,降低系统噪声对输出角度数据的影响,设计了低噪声的模拟信号处理电路,同时对绝对角度误差修正与数据融合的方法进行了研究与算法实现。实验表明,系统能够有效地消除噪声,输出角度分辨率可达0.2″。

空间应用的两相混合式步进电动机细分电路设计

针对空间应用的两相混合式步进电动机,设计了基于FPGA的电流细分电路,电路的设计采用了矢量恒幅均匀旋转细分法以及恒流斩波驱动技术,形成多个稳定的中间电流状态,以实现将一个步距角细分成若干步的功能。实验结果表明,该细分电路可以有效地提高步进电动机转动平稳性,尤其可以很好地改善步进电动机的低频振荡现象。

基于FPGA的绝对式圆感应同步器测角系统的设计与实现

为了实现对扫描控制机构的高精度角度测量,以绝对式圆感应同步器作为角度测量传感器,设计了高精度、高稳定度的测角系统。通过硬件电路设计,该系统实现了高测角精度和测角稳定度;通过FPGA程序实现了绝对角度测量的高可靠性。实际测试结果表明,该系统的抗干扰能力强,角度稳定分辨率可达0.1",角度标定指向精度优于1.1″(3σ)。

基于TSC695-FPGA架构的空间扫描运动控制系统设计

提出一种新型空间扫描运动控制系统TSC695—FPGA架构设计方案。方案以空间级32位浮点处理器TSC695为算法处理器,以XCV600 FPGA作为脉宽调制波形发生器和采样/通讯数据管理器,结合了TSC695的浮点运算单元和检错/纠错模块,以及FPGA的并行处理能力。实验证明,与传统的工业控制芯片相比,该架构能够显著提高空间扫描控制系统的可靠性和控制精度。

风云四号A星干涉式大气垂直探测仪在轨定标及性能评价

干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)是风云四号A星(FY-4A)的三大主载荷之一,其主要功能是实现大气温度和湿度参数的垂直结构观测.为了满足卫星数据定量化应用的要求,FY-4A星成功发射之后,围绕GIIRS开展了一系列的在轨定标和性能评价工作.评价结果表明:除部分通道受到有机挥发物的影响,85%的通道灵敏度优于设计指标;利用大气辐射传输模式,通过比较观测光谱与模拟光谱的均方根误差来确定激光有效采样频率,实现了GIIRS在轨光谱定标,精度达到10 ppm;利用星上面源黑体,考虑到非理想干涉图的相位影响,采用改进后的两点式外黑体定标法,实现了星上在轨辐射定标,长波和中波的平均亮温偏差均小于1 K,优于设计指标.

红外傅里叶光谱仪的仪器线形函数及工程应用

提出了利用定量化的仪器线形函数对面阵傅里叶光谱仪像元进行光谱修正的方法。系统介绍了傅里叶光谱仪的仪器线形函数,结合仪器的自身特征建立了仪器线形函数模型,并利用MATLAB进行了仿真计算。通过理论计算给出了中心像元和边缘像元的激光光谱波峰之间的差值,其同实际值的相对误差均值仅为4.21%,修正后的边缘像元光谱准确度达到10-5量级。得到的结果从理论角度证明了利用仪器线形函数对面阵型傅里叶光谱仪进行光谱修正的有效性。最后从实际工程应用的角度出发,提出了针对面阵傅里叶光谱仪非中心像元光谱修正的方法。实验显示该方法具有很强的普适性,可在保证较高光谱准确度的基础上极大地提高光谱定标的效率,降低光谱定标的工作量。

基于L1范数优化模型的遥感图像条纹去除方法

从条纹噪声的结构属性进行分析,通过分离出条纹成分来实现去条纹的目的。在优化模型中,基于L1范数的正则化表示条纹的全局稀疏特性;基于差分的约束条件用于描述条纹方向上的平滑度和条纹垂直方向上的不连续性。为了更好地保护图像的细节信息,在条纹垂直方向的约束上引入了边缘权重因子,最后通过交替方向乘子法(ADMM)对所提模型进行求解和优化。用多通道扫描辐射计(AGRI)获取的在轨数据对算法进行了验证并与典型方法进行了比较,结果表明,消除条纹噪声的同时更好地保留了细节信息,并且呈现出较好的定性和定量结果。

傅里叶光谱仪高精度光谱定标研究

为了提高傅里叶光谱仪光谱定标精度,减小光谱定标误差,基于风云四号大气垂直探测仪实验室气体池光谱定标数据,进行傅里叶光谱仪高精度光谱定标算法研究。首先,分析了傅里叶光谱仪的分光原理,并在对参考激光波数漂移、光线离轴、以及有限视场引起光谱波数偏移的原理进行分析后,得出傅里叶光谱仪光谱定标公式及定标参数的计算方法;接着分析了快速傅里叶变换(FFT)的栅栏效应和干涉图截断产生的sinc函数造成的光谱定标误差较大的原因;然后通过对比几种不同的光谱细化方法,选择高效的快速Chirp Z-transform(CZT)进行光谱细化,解决FFT光谱分辨率较低导致光谱误差较大的问题;通过对气体池参考气体在HITRAN数据库中的理论谱线,用Gaussian线型展宽并卷积sinc函数处理后作为光谱定标参考谱线的方式,减小由sinc函数引起的谱线间串扰造成的光谱定标误差,从而提高光谱定标精度。最后,使用实验测得的数据对该光谱定标算法进行验证,对比使用CZT细化光谱前后定标误差,和参考谱线处理前后的定标误差,证明该算法可以有效提高光谱定标精度,最高可将光谱定标误差减小10倍以上。

傅里叶变换光谱仪探测器非线性的影响及其校正方法

针对傅里叶变换光谱仪探测器引起的非线性进行研究,阐述了非线性的产生、分析了非线性对光谱的影响以及介绍了两种校正二次项非线性的方法:卷积法和迭代法。并采用这两种方法对干涉图进行二次非线性校正,然后在卷积法与迭代法的基础上提出一种更适用于实际数据的新方法。最后采用这三种方法对模拟数据以及实际采集数据分别进行非线性校正,实验数据说明校正后非线性能得到抑制。并且通过对比发现,新的校正方法有较好的精度及更快的速度。

基于半实物仿真的高精度永磁同步电机控制方案

永磁同步电机凭借其转换效率高、调速范围宽等得到了广泛应用。在其控制方案的设计中,从影响系统控制精度的因素出发,采用了模型参考自适应控制方案,同时使用了编码器和感应同步器作为粗精通道,融合得到高精度的位置信息作为轴角反馈信息,通过使用MATLAB/Simulink建立离线数学模型,使用Hi Gale系统的软硬件环境,搭建了半物理仿真模型。试验结果表明,PID等参数一致时,离线模型与半实物模型仿真结果一致,同时达到了1″的稳态控制精度。

基于响应率修正的傅里叶变换光谱仪非线性校正算法研究

傅里叶变换高光谱仪器在定量化遥感领域展现出极大的优势,非线性校正是保证在轨辐射定标精度不可缺少的过程。针对搭载于风云四号静止轨道干涉式红外探测仪(FY-4/GIIRS)运行轨道受日晒分布不均匀、仪器环境温度日变化剧烈的特点,推导出一种基于仪器光谱响应率修正的非线性校正算法,通过测量一组标准参考辐射源光谱量化值和光谱响应率,拟合得到光谱响应率一次项修正系数。在仪器环境温度变化后,利用一次项修正系数、黑体观测光谱值和黑体观测光谱响应率重新计算光谱响应率常数项修正系数,就可以得到任意仪器环境温度下的仪器非线性校正系数。经仪器发射前地面热真空(TVAC)定标试验数据验证,该算法简单有效,在各试验环境温度工况下,对180~320 K观测范围内的辐射定标精度均有明显的提高。