摘要：本文介绍的全物理仿真试验用于对实施多体复合控制全物理仿真试验中的仿真天线指向目标进行捕获和跟踪。简要介绍了多体复合控制全物理仿真试验的系统结构，探讨了如何根据试验要求选定CCD相机、镜头及图像采集卡等部件。

关键词：全物理仿真；CCD相机；图像处理系统

1. 引言

多体复合控制全物理仿真试验，包括采用三轴气浮台实现卫星姿态运动全物理仿真，以及采用双轴天线驱动机构实物实现对天线的指向控制，是演示并验证多体复合控制技术的可行性和有效性的最为直观的方法。

三轴气浮台实现卫星空间近似无摩擦的相对运动条件，以模拟卫星在外层空间所受干扰力矩很小的力学环境。作为卫星运动仿真器，采用球面气浮轴承支持的三轴气浮台，不但在三轴方向有所需要的姿态运动范围，而且还能模拟卫星三轴耦合动力学。与卫星控制系统半物理仿真相比，全物理仿真不需要仿真计算机，卫星运动学、动力学完全由气浮台来模拟。全物理仿真采用卫星实物部件组成与卫星姿控相同的系统，并置于气浮台上，该系统使用星上实际的控制规律，实际的运行软件，完成对气浮台的姿态控制，实现卫星姿态控制回路。

另外实现卫星姿态控制回路仿真的同时，用两套安装在气浮台上的双轴天线驱动机构（GDA）实物，实现天线指向控制回路的仿真。两幅天线在指向控制时的大角度机动，完成对目标的捕获和跟踪。由于实际天线波速仿真困难，采用对被跟踪目标和地面站的实时位置用运动模拟器产生两维运动的对比光点来模拟，通过安装在天线双轴机构和负载模拟装置上的CCD相机的标称方位轴线和CCD相机采集的光点位置进行比较，来模拟天线波速对目标的捕获和跟踪。为此需要研制一套CCD相机及图像处理系统。

2．CCD相机及图像处理系统介绍

2.1 用途
用CCD相机标称轴心线方位等效天线发射波速。通过CCD实现目标光点位置，然后进行图像处理对CCD相机的标称方位轴线方位点和CCD相机采集的光点位置点两点比较，得到双轴天线指向跟踪与被跟踪目标和地面站的误差。CCD相机及图像处理系统通过误差分析，解算出天线指向误差角度及相关数据，来估计天线跟踪指向精度和星体复合控制对天线跟踪指向精度的影响。

在自主跟踪试验中，通过对比采集标称轴心线方位点及采集到的目标光点，得到天线指向误差角度及相关数据，并引入复合控制器输入端，通过反馈复合控制星体姿态和天线指向，使得采集标称轴心线方位点和采集到的目标光点重合，这样就保证了实时跟踪被跟踪目标和地面站，最终为方案确定提供实验数据保障。

2.2 CCD相机及图像处理系统组成
为简化仿真系统，不考虑其他系统，仅将CCD相机及图像处理系统单独提出。星体姿态测量信息采用三轴气浮台姿态角测量信号，天线指向信息用轴向角测量装置测量信号，通过星体姿态和天线指向数据输入接口引入图像结算和处理机。通过CCD定焦镜头1、CCD滤光片1、CCD摄像头1得到黑白光强的视频信号，通过图像数据采集卡将视频信号采集到图像解算和处理机中，得到前向天线位置误差信号；通过CCD定焦镜头2、CCD滤光片2、CCD摄像头2得到黑白光强的视频信号，通过图像数据采集卡将视频信号采集到图像解算和处理机中，得到指地天线位置误差信号。应用图像数据处理软件，根据星体姿态和天线指向数据，解算出误差角度及相关数据，通过误差角度及相关数据接口提供给星载计算机。其组成如图1所示。

为调试方便，选择两套相同CCD定焦镜头、CCD滤光片和CCD摄像头，一块可同时采集多路的图像数据采集卡。另外配备了监视视频输出系统和鼠标、键盘。

3．系统各部件的要求及选定

3.1 对CCD摄像头的要求
 根据整个系统最终需要达到的目标和现场安装条件的限制，对CCD摄像头提出了以下要求：
（1）CCD摄像头有效像素大于540*540；
（2）最低照度小于0.4lux；
（3）读出可控制；
（4）可以异步采集；
（5）快门速度限定在1/3000—1/30秒，具体根据总体要求参考CCD定焦镜头光圈大小和运动目标光点速度特性确定，保证0.5m—2m目标光点清晰度和对比度最佳；
（6）体积不大于60mm*60mm*150mm。
 根据上述要求，我们选择了美国UNIQ公司的UM201CCD摄像头。

3.2 对滤光片的要求
在设备现场，根据具体屏幕特点，以最佳对比度选配。

3.3 对定焦镜头的要求
根据总体要求，保证0.5m—2m目标光点清晰度和视场最佳，并且参照镜头焦距计算公式：
F = ( a * np ) / (Lx + np )
其中：F 为焦距；
a 为物距；
Lx 为目标体长度；
np 为相机靶面长度；
我们将CCD定焦范围限定在35mm—200mm内。

3.4 对图像数据采集卡的要求
确定了相机和可能用到的工作模式，我们选择了可以同时采集多路黑白信号的加拿大Matrox MeteorII/Multi-Channel 采集卡。

4．图像处理软件

该系统软件主要是计算出视野范围内近似百背景上的黑斑点的中心位置，功能要求有：（1）实时显示所选通道的图像；
（2）两路图象同时采集，每50ms分析一次图像中的光斑坐标；
（3）待命发送光斑坐标值。

5．结束语

全物理仿真试验用CCD相机及图像处理系统经过实地应用，很好的对实施多体复合控制全物理仿真试验中的仿真天线指向目标进行了捕获和跟踪，有效的演示并验证多体复合控制技术的可行性。

参考文献:

1． Matrox Mil 7.5 Help document.
2． 何斌、马天予等著《Visual C++数字图像处理》，北京-人民邮电出版社，2001.4