CN104776848A - 一种空间目标识别、定位、跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

一种空间目标识别、定位、跟踪方法，包括：由在轨卫星平台上的星敏感器对星空拍摄照片；将拍摄的照片发送给地面信息接收装置；地面信息接收装置将照片传给数据处理计算机进行特征提取，得到恒星图的同时识别出图中的空间目标；确定拍照时刻卫星平台上装载的星敏感器在空间的指向，确定空间目标相对于卫星平台的位置；最终确定照片中空间目标在空间的位置。本发明是在不影响卫星原有任务的基础上，使之兼做了空间目标监视卫星，利用每颗卫星搜集的“无意识”信息来完成一种普查式的空间目标监视，并利用数量上和体系的优势，弥补了我国专用监视卫星较少和载荷监视能力不强的弱点，进而构建起我国的天基空间目标监视系统。

Description

一种空间目标识别、定位、跟踪方法
技术领域
本发明涉及一种空间目标识别、定位、跟踪方法，属于空间技术领域，用于对空间目标进行探测跟踪、定轨预报、识别编目。本发明同时公开一种基于星敏感器的天基空间目标监视系统。
背景技术
空间目标监视系统是指对空间目标进行探测跟踪、定轨预报、识别编目、侦收分析的情报系统。它具有监测非合作目标的能力。空间目标是指在宇宙空间运行的航天器和空间碎片。
空间目标监视系统包括探测系统、信息处理系统、通信系统和时统系统四个部分，其中探测系统主要包括各种监视雷达、光学望远镜、激光测距仪和无线电侦察设备等。如果按照部署的位置来划分，可以将空间目标监视系统分为地基空间目标监视系统和天基空间目标监视系统。目前，世界上部署的较多的还是地基空间目标监视系统。但是，为了适应空间安全新挑战，美国、俄罗斯等国家正在积极研究部署天基空间目标监视系统。
天基空间目标监视系统是指将空间目标探测设备部署在太空轨道上，利用“卫星看卫星”来探测空间目标的一种空间目标监视系统。但是，由于通常使用的空间目标探测设备(例如雷达、光学望远镜等)体积较大，对体积平台的设计需求较高，使得专门设计、研制和部署一套天基空间目标监视系统成本高昂，因此，目前世界上只有美国部署了由1颗SBSS卫星组成的天基空间目标监视系统。虽然从单颗卫星性能上讲美国的SBSS卫星的空间目标监视能力还是比较强的，但是，由于SBSS卫星的数量有限使得整个系统的空间目标监视能力还是非常有限。
发明内容
本发明提供了一种空间目标识别、定位、跟踪方法，利用在轨卫星平台上都必备安装的星敏感器作为空间目标探测设备，发挥在轨卫星数量多、分布广的特点，无需专门发射空间目标监视卫星就可以实时的探测到大量的空间目标，并从中获取空间目标监视信息。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来具体实现：
一种空间目标识别、定位、跟踪方法，包括：
步骤一、由在轨卫星平台上的星敏感器对星空拍摄照片；
步骤二、将拍摄的照片发送给地面信息接收装置；
步骤三、地面信息接收装置将照片传输给数据处理计算机，由数据处理计算机对接收到的照片进行特征提取，得到恒星图的同时识别出图中的空间目标；
步骤四、将提取出的恒星图与数据库中的恒星图进行匹配，确定拍照时刻卫星平台上装载的星敏感器在空间的指向，并结合照片中识别出来的空间目标在照片中的相对位置，确定空间目标相对于卫星平台的位置；
步骤五、结合卫星平台自身在空间的位置和空间目标相对于卫星平台的位置，确定照片中空间目标在空间的位置。
所述在轨卫星为低轨道卫星，并且所述空间目标为高轨道卫星。
进一步的，所述低轨道卫星包括太阳同步轨道卫星，所述高轨道卫星包括地球同步轨道卫星。
步骤三中，对星敏感器拍摄的照片进行特征提取之前，先将照片处理成模拟图。
步骤三中，将照片中的拖长轨迹作为空间目标进行识别。
步骤四中，所述数据库中预存恒星星图，利用数据库内的信息与星敏感器拍摄的恒星照片进行比对，从而确定星敏感器在空间的指向。具体的比对方法，可采用最普遍也最简单的三角形星图识别算法，也可以采用其他的识别算法，如采用角距匹配的改进三角形星图识别算法、基于P向量的星图识别算法等。本发明所述的一种空间目标识别、定位、跟踪方法，通过多个星敏感器同时拍照和后续处理，可以很快得到空间目标的位置信息，与现在国外卫星采用旋转拍摄的方式相比，具有快速高效、可用信息多、普查能力强的特点。
本发明还提供了一种基于星敏感器的天基空间目标监视系统，主要由在轨卫星平台上的星敏感器、地面信息接收装置、数据处理计算机和数据库组成，其中，
所述星敏感器，用于对星空拍摄照片，并将拍摄的照片发送给地面信息接收装置；
所述地面信息接收装置，用于接收由星敏感器拍摄并传回的照片，并将照片发送给数据处理计算机；
所述数据处理计算机，用于接收地面信息接收装置发送的照片信息，对星敏感器下传的照片处理后进行特征提取，得到恒星图的同时识别出图中的空间目标；将提取出的恒星图与数据库中的恒星图进行匹配，以确定拍照时刻卫星平台上装载的星敏感器在空间的指向，并结合照片中识别出来的空间目标在照片中的相对位置，确定空间目标相对于卫星平台的位置；结合卫星平台自身在空间的位置和空间目标相对于卫星平台的位置，确定照片中空间目标在空间的位置；
所述数据库，用于储存恒星图库，供数据处理计算机调用。地面的数据处理计算机要将星敏感器观测到的恒星图与数据库中的恒星图进行比对，从而确定卫星平台上装载的星敏感器在空间的指向；
所述在轨卫星为低轨道卫星，并且所述空间目标为高轨道卫星。
所述低轨道卫星包括太阳同步轨道卫星，所述高轨道卫星包括地球同步轨道卫星。
所述数据库中预存恒星信息，利用数据库内的恒星星图信息与星敏感器拍摄的恒星照片进行比对，从而确定星敏感器在空间的指向。这些信息可以为星敏感器拍摄的照片提供比对的依据，进而为后续的相关工作提供支持。
本发明所提出的基于星敏感器的天基空间目标监视系统就是在不影响卫星原有任务的基础上，使之兼做了空间目标监视卫星，利用每颗卫星搜集的“无意识”信息来完成一种普查式的空间目标监视，并利用数量上和体系的优势，弥补了我国专用监视卫星较少和载荷监视能力不强的弱点，进而构建起我国的天基空间目标监视系统。同时，基于星敏感器的天基空间目标监视系统的数据采集渠道、采集信息量和实时性都会大幅提升，有利于迅捷的空间目标编目库的数据更新。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1为现有技术利用星敏感器进行拍摄和识别的工作原理图。
图2是本发明所述空间目标识别、定位、跟踪方法的原理图。
图3是经过特征提取后的星图。
图4是虚拟轨道的求解示意图。
图5是曝光时间内目标卫星拖长轨迹与虚拟卫星拖长轨迹对比示意图。
具体实施方式
如图1所示，星敏感器又称为恒星敏感器是当前被广泛应用的一种天体敏感器，它是天文导航系统中一个重要的组成部分。它以恒星作为姿态测量的参考基准，可以输出恒星在星敏感器坐标下的矢量方向，从而为航天器的姿态控制和天文导航提供高精度的测量数据。其实，星敏感器就是一个专门用来拍摄恒星照片的星载照相机，应用星敏感器对卫星姿态进行确定的工作流程就是：首先，对星空拍摄照片；然后，从照片中提取恒星图；第三，将照片中的恒星图与星载数据库中的恒星图进行匹配，从而确定拍照时刻卫星平台上装载的星敏感器在空间的指向；最后，由于星敏感器与卫星平台上的相对位置关系是固定的且已知，因此就可以确定卫星在空间的姿态。
如图2所示，本发明实施例所述空间目标识别、定位、跟踪方法，包括：
步骤一、由在轨卫星平台上的星敏感器对星空拍摄照片；
步骤二、将拍摄的照片发送给地面信息接收装置；
步骤三、地面信息接收装置将照片传输给数据处理计算机，由数据处理计算机对接收到的照片进行特征提取，得到恒星图的同时识别出图中的空间目标；
步骤四、将提取出的恒星图与数据库中的恒星图进行匹配，确定拍照时刻卫星平台上装载的星敏感器在空间的指向，并结合照片中识别出来的空间目标在照片中的相对位置，确定空间目标相对于卫星平台的位置；
步骤五、结合卫星平台自身在空间的位置和空间目标相对于卫星平台的位置，确定照片中空间目标在空间的位置；
所述在轨卫星为低轨道卫星，并且所述空间目标为高轨道卫星。
进一步的，所述低轨道卫星包括太阳同步轨道卫星，所述高轨道卫星包括地球同步轨道卫星。
步骤三中，对星敏感器拍摄照片进行特征提取之前，先将照片处理成模拟图。
步骤三中，将照片中的拖长轨迹作为空间目标进行识别。
步骤四中，所述数据库中预存恒星星图，利用数据库内的信息与星敏感器拍摄的恒星照片进行比对，从而确定星敏感器在空间的指向。
本发明所述的一种空间目标识别、定位、跟踪方法，通过多个型传感器同时拍照和处理，可以很快得到空间目标的位置信息，与现在国外卫星采用旋转拍摄的方式相比，具有快速高效、可用信息多、普查能力强的特点。
一种基于星敏感器的天基空间目标监视系统，主要由在轨卫星平台上的星敏感器、地面信息接收装置、数据处理计算机和数据库组成，其中，
所述星敏感器，用于对星空拍摄照片，并将拍摄的照片发送给地面信息接收装置；
所述地面信息接收装置，用于接收由星敏感器拍摄并传回的照片，并将照片发送给数据处理计算机；
所述数据处理计算机，用于接收地面信息接收装置发送的照片，对星敏感器下传的照片处理后进行特征提取，得到恒星图的同时识别出图中的空间目标；将提取出的恒星图与数据库中的恒星图进行匹配，以确定拍照时刻卫星平台上装载的星敏感器在空间的指向，并结合照片中识别出来的空间目标在照片中的相对位置，确定空间目标相对于卫星平台的位置；结合卫星平台自身在空间的位置和空间目标相对于卫星平台的位置，确定照片中空间目标在空间的位置；
所述数据库，用于储存恒星图库，供数据处理计算机调用。地面的数据处理计算机要将星敏感器观测到的恒星图与数据库中的恒星图进行比对，从而确定卫星平台上装载的星敏感器在空间的指向。
所述在轨卫星为低轨道卫星，并且所述空间目标为高轨道卫星。
所述低轨道卫星包括太阳同步轨道卫星，所述高轨道卫星包括地球同步轨道卫星。
所述数据库中预存恒星信息，这些信息可以为星敏感器拍摄的照片提供比对的依据，进而为后续的相关工作提供支持。
图3是经过特征提取后的星图。
如图4所示，其为虚拟轨道的求解示意图。根据三角函数关系，(Re+h2)2＝(Re+h1)2+u2-2Reucos(α+π/2)(式中，r为虚拟轨道距地心的距离，Re为地球半径，u为相机的物距，α表示星敏感器的安装角，h表示卫星轨道高度，下标1表示已知卫星平台，下标2表示虚拟卫星)确定相应轨道高度的虚拟卫星轨道。其中相机的物距u可由公式1/u+1/v＝1/f(其中，v为相机的相距，f为相机的焦距)求得。
如图5所示，再运用活力公式(其中，v为卫星的运行线速度，μ＝3.986×105km3/s2，为地球引力常数取；Re＝6371km，为地球半径；h为卫星轨道距地面的高度)，计算该轨道上虚拟卫星的运行速度v2，再通过曝光时间t，根据L＝v*t计算虚拟卫星在镜头内的虚拟线段长度L2。这样通过对比虚拟线段L2和星图的卫星轨迹L3的长度关系，L2/v2＝L3/v3，即可求得目标卫星的运行速度v3。(下标3表示星图中的待测卫星)
再通过反算的方式就可知目标卫星的轨道高度h3。用h3与平台卫星的轨道高度h1相减，再结合角度信息α，即可得卫星平台与目标卫星的相对位矢信息同理，运用反复此方法就可相继求得其他已知卫星平台与目标卫星之间的位矢信息等，此时运用球面相交的定位原理，即可解算出目标卫星的空间位置。在获得超过三组信息之后，也可以用最小二乘法等方法来进一步优化所确定的空间位置信息。
本发明所提出的基于星敏感器的天基空间目标监视系统就是在不影响卫星原有任务的基础上，使之兼做了空间目标监视卫星，利用每颗卫星搜集的“无意识”信息来完成一种普查式的空间目标监视，并利用数量上和体系的优势，弥补了我国专用监视卫星较少和载荷监视能力不强的弱点，进而构建起我国的天基空间目标监视系统。同时，基于星敏感器的天基空间目标监视系统的数据采集渠道、采集信息量和实时性都会大幅提升，有利于迅捷的空间目标编目库的数据更新。
最后应说明的是：以上所述仅为发明的优选实施例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间目标识别、定位、跟踪方法，包括：
步骤一、由在轨卫星平台上的星敏感器对星空拍摄照片；
步骤二、将拍摄的照片发送给地面信息接收装置；
步骤三、地面信息接收装置将照片传输给数据处理计算机，由数据处理计算机对接收到的照片进行特征提取，得到恒星图的同时识别出图中的空间目标；
步骤四、将提取出的恒星图与数据库中的恒星图进行匹配，确定拍照时刻卫星平台上装载的星敏感器在空间的指向，并结合照片中识别出来的空间目标在照片中的相对位置，确定空间目标相对于卫星平台的位置；
步骤五、结合卫星平台自身在空间的位置和空间目标相对于卫星平台的位置，确定照片中空间目标在空间的位置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在轨卫星为低轨道卫星，并且所述空间目标为高轨道卫星。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述低轨道卫星包括太阳同步轨道卫星，所述高轨道卫星包括地球同步轨道卫星。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中，对星敏感器拍摄的照片进行特征提取之前，先将照片处理成模拟图。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中，将照片中的拖长轨迹作为空间目标进行识别。
6.如权利要求1至3所述的方法，其特征在于，步骤四中，所述数据库中预存恒星星图，利用数据库内的恒星星图信息与星敏感器拍摄的恒星照片进行比对，从而确定星敏感器在空间的指向。
7.一种基于星敏感器的天基空间目标监视系统，主要由在轨卫星平台上的星敏感器、地面信息接收装置、数据处理计算机和数据库组成，其特征在于，其中，
所述星敏感器，用于对星空拍摄照片，并将拍摄的照片发送给地面信息接收装置；
所述地面信息接收装置，用于接收由星敏感器拍摄并传回的照片，并将照片发送给数据处理计算机；
所述数据处理计算机，用于接收地面信息接收装置发送的照片，对星敏感器下传的照片处理后进行特征提取，得到恒星图的同时识别出图中的空间目标；将提取出的恒星图与数据库中的恒星图进行匹配，以确定拍照时刻卫星平台上装载的星敏感器在空间的指向，并结合照片中识别出来的空间目标在照片中的相对位置，确定空间目标相对于卫星平台的位置；结合卫星平台自身在空间的位置和空间目标相对于卫星平台的位置，确定照片中空间目标在空间的位置；
所述数据库，用于储存恒星图库，供数据处理计算机调用。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述在轨卫星为低轨道卫星，并且所述空间目标为高轨道卫星。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述低轨道卫星包括太阳同步轨道卫星，所述高轨道卫星包括地球同步轨道卫星。
10.如权利要求7至9所述的系统，其特征在于，所述数据库中预存恒星信息，利用数据库内的恒星星图信息与星敏感器拍摄的恒星照片进行比对，从而确定星敏感器在空间的指向。
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