CN105547256B - 空间全景态式感知卫星及其设计方法和应用方法 - Google Patents

空间全景态式感知卫星及其设计方法和应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间全景态式感知卫星及其设计方法和应用方法，该类卫星通过采用坐标变换的方式来实现相机位置以及相机观测特征轴的设定。该卫星采用多头拼接式图像拼接原理进行设计，形成一种由多个相机组成的集成系统。该集成系统能够对周围空间进行全景成像，实现全景态势感知，卫星在使用中无需对目标特定方向进行定向。在轨工作时，星体对相机的视场无遮挡，任一相机的视场同其相邻相机的视场重叠比例超过5％，满足视场拼接需求。

Description

空间全景态式感知卫星及其设计方法和应用方法
技术领域
本发明涉及卫星技术领域和空间态势感知技术领域，具体涉及一种空间全景态式感知卫星及其设计方法和应用方法。
背景技术
空间维护技术是目前航天技术领域研究的热点。对目标航天器的监测是空间维护技术的一项重要的支撑技术。目前在对目标航天器进行监测时，通常需要对目标航天器进行绕飞、掠飞、伴飞等操作。执行此类操作多采取依赖姿态控制和轨道控制同时进行的方式，使得观测航天器在相对目标航天器运动的同时保持其相机观测的特征轴沿视线方向指向目标。该操作方式导致了观测星的控制算法复杂，且观测相机对卫星平台控制系统的响应速度、响应能力以及控制精度的要求更加苛刻。
本发明公布的一类观测卫星能够对周围空间进行全景态势感知，监测目标航天器时，适用于观测星同目标航天器之间任意的相对姿态，目标航天器一直处于观测卫星的视场中。所以在不需要特别考虑观测姿态指向的情形下，本发明实现了观测星对目标航天器的监测。这种方法在较大程度上降低了观测相机对姿态控制系统的要求，简化了姿态控制系统的设计。
该背景下，支撑本发明的关键技术有两个：卫星平台设计技术、多相机成像全景合成技术。卫星平台需要为观测相机提供电力、热防护等保障，同时需要同相机进行数据传输。多相机成像全景合成技术将相机的图像拼接为整个空间的全景成像图像。目前卫星平台的设计理论和设计方法相对成熟，合理设计卫星平台能够满足相机的电力、热控等需求。图像拼接的方法已经成熟，但在多相机空间全景成像的拼接技术领域，国内外仍处于探索阶段。在民用领域，基于多相机的全景拼接相机已经有产品上市，这些产品多数有图像畸变相对严重等不足。目前在空间态势感知飞行器总体设计领域，尚未发现同本发明类似的设计思想。同时该领域尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种设计简单，拍摄清晰全面的全景态式感知卫星。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种空间全景态式感知卫星的设计方法，包括以下步骤：
S1.0、提供卫星平台和相机；
S1.1、定义卫星布局坐标系xyz、观测特征坐标系xcnycnzcn、相机编号n、相机安装坐标(xn，yn，zn)和坐标转换矩阵Tcn，n为大于或等于1的整数；
S1.2、根据卫星布局坐标系xyz和相机安装坐标将相机安装在卫星平台上；S1.3、根据坐标转换矩阵Tcn确定相机的观测特征轴；并调整相机的朝向。
作为优选的，卫星布局坐标系xyz和观察特征坐标系xcnycnzcn为右手坐标系。
作为优选的，所有相机的观测特征轴的法平面形成一个正十二面体。
本发明还提供了一种空间全景态式感知卫星，通过上述其中一项的空间全景态式感知卫星的设计方法得到；包括所述卫星平台和相机；
所述相机安装在所述卫星平台的表面上。
作为优选的，相机的观测特征轴指向在空间均匀分布。
作为优选的，所有相机的观测特征轴的法平面形成一个正十二面体。
作为优选的，相机的视场角为90°。
作为优选的，卫星平台以边长为l的正方体为基准设计，相机安装在卫星平台上下表面的面心和棱上。
本发明还提供了一种航天器空间全景成像方法，采用上述任意一种空间全景态式感知卫星，包括以下步骤：
S2.1、在接收到监测指令后，由外部控制系统控制空间全景态式感知卫星移动至待测航天器周边，识别待测航天器；
S2.2、空间全景态式感知卫星按照外部控制系统预设的绕转轨道绕待测航天器转动，并记录待测航天器周边影像；
S2.3、完成监测后，由外部控制系统控制空间全景态式感知卫星返回待命区域。
作为优选的，在步骤S2.1完成后，外部控制系统控制空间全景态式感知卫星打开相机；在步骤S2.2完成后，外部控制系统控制空间全景态式感知卫星关闭相机。
本发明相比现有技术的空间全景态式感知卫星及其设计方法和应用方法，具有以下优点：
1、能够对周围空间进行全景态势感知，避免了卫星对目标航天器定向的需求。
2、设计步骤简化，通过建立坐标轴以及坐标轴变换矩阵来确定相机和相机特征轴的朝向，设计方法简便。
3、相邻两个相机拍摄的重合范围大，降低后续拼接的难度。
附图说明
图1为本发明一实施例中十二个相机的观测指向法平面在空间的分布构成正十二面体的示意图，图中仅给出了其中六个可见法平面的观测轴；
图2为本发明一实施例中星上全景态势感知卫星相机的安装坐标系与星箭安装坐标系示意图；
图3为本发明一实施例中3号相机与9号相机在观测距离为50l时两相机视场重叠情形示意图；
图4为本发明一实施例中态势感知卫星在轨对目标航天器进行绕飞监测的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。
本发明的一种实施方式提供了一种空间全景态式感知卫星，其采用的设计方法包括以下步骤：
S1.0、提供卫星平台和相机；
S1.1、定义卫星布局坐标系xyz、观测特征坐标系xcnycnzcn、相机编号n、相机安装坐标(xn，yn，zn)和坐标转换矩阵Tcn，n为大于或等于1的整数；
S1.2、根据卫星布局坐标系xyz和相机安装坐标将相机安装在卫星平台上；
S1.3、根据坐标转换矩阵Tcn确定相机的观测特征轴；并调整相机的朝向。
在本实施例中，为了实现卫星的全景态势感知，采用十二个视场角为90°的相机，各相机编号见附图2。相机的观测特征轴指向在空间均匀分布。观测轴的法平面在空间形成一正十二面体，如图1所示。
定义两个坐标系以定量化描述相机同星体的装配关系。星体上相距张角90°的四条子午线，从卫星头部向尾部方向，按逆时针顺序分别称为基准线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。定义卫星布局坐标系xyz：原点O位于星体底面的几何中心，z轴垂直于星体底面，指向卫星头部，x轴指向基准线I方向，y轴构成右手坐标系。定义相机在星体上的安装坐标系相机安装坐标系xcnycnzcn(n为相机编号)：原点Oc位于相机与星体安装面的几何中心，zcn轴为相机的观测特征轴，xcn轴平行卫星布局坐标系的x-y平面，指向与x轴夹角不大于90°的一侧，ycn构成右手坐标系。两种坐标系示意图见附图2。相机安装在星体上下表面的面心和棱上，该安装方式能够避免星体对相机视场的遮挡。卫星布局坐标系下各相机的安装位置见下表：
相机星体安装坐标系到卫星布局坐标系的各个坐标转换矩阵见下表。
在本实施例中，星体以正六面体为设计基准，边长为l，尺寸为l×l×l。在不同感知距离时，相机视场重叠率的变化。如下表所示，
从此表可以推断出，当目标星与观测星质心的距离大于16l时，任意两相邻相机的视场重叠率大于5％，即卫星在进行态势感知时，有效感知距离大于16l。图3以3号相机与9号相机为例，给出了目标航天器同观测星距离为50l时两相机视场重叠情形示意图。
观测相机选用12个视场角90°，观测距离大于16l的相机，编号从1到12。通过上述表格，即可得到各相机在布局坐标系下的安装位置；
以及相机在星体布局坐标系下的安装方向。
态势感知卫星执行空间监测任务过程分为三个阶段。第一个阶段为进入监测段，卫星从起始状态做出机动，到达进行监测的初始状态。第二个阶段为监测段。观测相机打开，卫星平台通过处理相机采集的信息实现对周围空间的全景态势感知。之后识别目标航天器，对其进行不间断监测。在监测过程中，目标航天器始终处于卫星最小感知距离球面和最大感知距离球面所围成的区域内。第三个阶段为退出监测段，监测任务完成后，退出监测状态，开始等待下一个监测指令。
以绕飞观测为例，给出了卫星执行空间监测任务的过程。整个绕飞过程中，观测星对周围空间进行全景成像，目标航天器始终落在观测星的态势感知范围内。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种空间全景态式感知卫星的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.0、提供卫星平台和相机；
S1.1、定义卫星布局坐标系xyz、观测特征坐标系xcnycnzcn、相机编号n、相机安装坐标(xn，yn，zn)和坐标转换矩阵Tcn，所述n为大于或等于1的整数；
S1.2、根据所述卫星布局坐标系xyz和所述相机安装坐标将相机安装在卫星平台上；
S1.3、根据所述坐标转换矩阵Tcn确定所述相机的观测特征轴，所有所述相机的观测特征轴的法平面形成一个正十二面体；并调整所述相机的朝向。
2.根据权利要求1所述的空间全景态式感知卫星的设计方法，其特征在于，所述卫星布局坐标系xyz和所述观测特征坐标系xcnycnzcn为右手坐标系。
3.一种空间全景态式感知卫星，其特征在于，通过权利要求1或2所述的空间全景态式感知卫星的设计方法得到；包括所述卫星平台和相机；
所述相机安装在所述卫星平台的表面上。
4.根据权利要求3所述的空间全景态式感知卫星，其特征在于，所述相机的观测特征轴指向在空间均匀分布。
5.根据权利要求3所述的空间全景态式感知卫星，其特征在于，所述相机的视场角为90°。
6.根据权利要求3所述的空间全景态式感知卫星，其特征在于，所述卫星平台以边长为l的正方体为基准设计，所述相机安装在所述卫星平台上下表面的面心和棱上。
7.一种航天器空间全景成像方法，其特征在于，采用权利要求3所述的空间全景态式感知卫星，包括以下步骤：
S2.1、在接收到监测指令后，由外部控制系统控制所述空间全景态式感知卫星移动至待测航天器周边，识别待测航天器；
S2.2、所述空间全景态式感知卫星按照外部控制系统预设的绕转轨道绕所述待测航天器转动，并记录待测航天器周边影像；
S2.3、完成监测后，由外部控制系统控制所述空间全景态式感知卫星返回待命区域。
8.根据权利要求7所述的一种航天器空间全景成像方法，其特征在于：
在步骤S2.1完成后，外部控制系统控制所述空间全景态式感知卫星打开所述相机；
在步骤S2.2完成后，外部控制系统控制所述空间全景态式感知卫星关闭所述相机。
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