CN108871348A - 一种利用天基可见光相机的低轨卫星自主定轨方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低轨卫星的自主定轨方法。选择若干高轨目标(包括大型空间碎片)作为标定星，获得其精密星历；当低轨卫星无法获取其精密星历时，利用搭载的天基可见光相机，指向高轨标定星，进行一段时间的跟踪，获取仅测角测量量；利用星载计算机，结合低轨卫星的粗略星历、高轨目标的精密星历和测量量，反向确定出低轨卫星的精密轨道。本发明提供了一种新的卫星自主定轨途径，当无法利用全球定位导航卫星信息时，可以作为替代方法使用。本发明计算模型相对简单，充分利用了空间资源，同时天基可见光观测成本低、耗能小，工程适用性强。

Description

一种利用天基可见光相机的低轨卫星自主定轨方法

技术领域

本发明涉及一种卫星自主定轨方法，具体讲的是利用低轨卫星搭载的天基可见光相机对标定目标的观测，反向确定自身精密轨道的方法，属于卫星定位导航技术领域。

背景技术

卫星能够尽可能少的依赖地面设备，实现自主定轨，不但具有很好的经济价值，还便于卫星的管理，能更好的完成相应的空间任务。如果低轨卫星没有自主定轨能力，就只能依靠地面设备为其提供定轨信息，由于其运动特点，接受到地面设备测量的时间十分有限。因此开展自主定轨技术研究十分必要。结合卫星运行、发射、制造成本的需求，要求自主定轨设备需要具备低成本、质量轻、体积小、可靠性好的特点。最早国外提出过使用星载的磁力计和星敏感器来进行自主轨道确定的方法，虽然达到了设备的使用要求，但是估计精度较低。目前，卫星携带GPS接收机，依靠接收到的伪距、载波相位等信息，实现自身轨道确定是主要的自主定轨方法。其优点在于可以实现连续不间断地自主定轨，并获取大量丰富的测量信息，但为了将定轨精度进一步提升，往往还要直接或间接地依靠地面站对GPS的测量信息进行差分运算，来抵消误差因素造成的影响。为了完全实现自主定轨，还提出了利用X射线脉冲星来进行定轨的思路，利用天然星体的脉冲信号实现自主定轨，但该方法主要运用于星际航行中，目前仍有不少复杂的问题需要解决。

天基空间目标观测的发展为自主定轨打开了新的道路，经过实践检验，低轨卫星搭载天基可见光相机能够有效的对高轨目标进行观测。并且随着技术的发展，低成本、高精度的天基可见光相机也相继产生，也为运用光学设备进行自主定轨提供了可能。在一些军事和实际应用中，为了保证绝对的可靠性，不能只依靠全球定位导航(GNSS)卫星提供的信息进行自主定轨。一方面，GNSS卫星发射的电磁波信号很容易受到干扰；另外，精度最高的GPS的使用权也掌握在美国手中。因此，利用天基可见光相机，发展可替代的自主定轨技术也十分必要。

发明内容

本发明解决的技术问题是：本发明设计了一种新的低轨卫星自主定轨方式，给出了在该种方式下的精密定轨方法，通过搭载的天基可将光相机对选定高轨标定星的持续跟踪，利用获取的赤经赤纬测量量，实现精密定轨，如图1所示。

本发明主要包含三个部分：

(1)自主定轨的思路

人类的航天器大都运行在地球同步轨道(GEO)之内，GEO上有许多重要的空间目标需要地面设备进行实时测控，包括大型的空间碎片和遂行任务的卫星，具有体积大、反光特性好的特点。一方面这些目标的星历是被准确测定的，另一方面其光学特性较好，具备了可见光观测的良好条件。因此，本方法的出发点在于：充分利用空间的资源和准确的数据信息，将这类目标视为标定目标，即可以为其他卫星提供空间方位的参考标准，类似于空间中的“灯塔”；

天基可见光观测具有成本低、高效率的特点。因此本方法的核心是：利用低轨卫星搭载的天基可见光相机对大型高轨空间目标进行观测，反向确定观测目标本身的精密轨道。具体思路为：通过综合手段得到高轨空间目标的准确星历信息，其他位于低轨的卫星，搭载天基可将光相机对这些已经测定的大型高轨空间目标进行持续的观测，获得对目标的赤经赤纬测量量。利用高轨标定目标的精密星历、测量数据以及观测卫星的粗略星历对观测卫星的轨道进行自主改进，达到自主定轨的目的。

(2)标定星的选择

低轨卫星利用天基可见光相机对高轨空间目标进行观测时，其可观测范围主要受被观测目标反光特性的影响。目标对太阳光的反射性能越好，该目标的亮度越高，对该目标的持续跟踪观测时间越长。测量数据的采集与相机的曝光时间有关，即也与目标的亮度有关。目标的亮度越高，相机观测时的曝光时间就可以设置的越小，获取数据的频率就越高。同时，为了能及时的找到标定目标，标定目标具有特殊特性的筛选条件也十分必要。综合而言，标定星的选择标准为：

i.标定目标必须能够通过现有的地基和天基观测设备组成的空间目标信息网给出其准确的星历；

ii.标定目标应该具有很好的反光特性，具体要求其在相同光照条件下的亮度高于其他大部分GEO目标的亮度，以有利于可见光观测和观测数据获取；

iii.标定星之间应保持一定相位，具体要求相机不要同时覆盖多颗标定星，同时对于相邻空间的其他目标具有更高的亮度，以便于对标定目标的筛选。

(3)自主定轨的方法

①：相机指向的调整及跟踪条件。利用天基可见光相机的星历跟踪模式，在考虑地影约束条件、太阳角约束条件下对已识别的标定星进行长时间跟踪，获取测量数据；

②：自主定轨的数学模型

在地心惯性坐标系中，天基可见光相机对目标跟踪后获得的测量数据为赤经α、赤纬β。设t时刻在地心惯性坐标系下观测卫星的位置向量为r_p，标定星的位置向量为r_c，测量量与两卫星状态量的关系为：

其中，x_c(t)、y_c(t)、z_c(t)分别为t时刻标定星的位置在地心惯性系下三个方向的分量，x_p(t)、y_p(t)、z_p(t)为t时刻观测卫星的位置在地心惯性系下三个方向的分量，α(t)、β(t)为t时刻的测量值赤经和赤纬，ε_α(t)、ε_β(t)为测量赤经赤纬的测量噪声。赤经、赤纬测量量只与卫星的位置有关，因此空间目标自主轨道确定的状态方程可描述为：

其中r_p(t)为t时刻在地心惯性坐标系下观测卫星的位置向量，r_p(t₀)为t₀时刻在地心惯性坐标系下观测卫星的位置向量，为轨道状态转移矩阵，表示t₀时刻位的状态量对t时刻状态量的影响；h(t)为t时刻的观测值，f(r_c(t))为t时刻赤经赤纬的测量方程，ε(t)为t时刻的测量噪声向量。令

x(t)＝x_c(t)-x_p(t),y(t)＝y_c(t)-y_p(t),z_t＝z_c(t)-z_p(t)，可得反向自主定轨模型下的观测量赤经赤纬对状态量的偏导数矩阵J(t)为：

通过给出的数学模型，便可利用最小二乘或卡尔曼滤波方法对轨道的状态量进行求解。

本发明的优点是充分利用空间资源，标定目标在遂行其他任务的同时兼具标定作用，或是利用已经废弃的空间碎片；跟踪某一特定的高轨目标，观测弧段长，特定目标的亮度高，采样频率高，能获得连续丰富的测量信息，有利于轨道改进。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

本发明是利用跟踪高轨标定星的跟踪信息，在已知标定星精密星历和观测卫星粗略星历的前提下对观测卫星进行精密轨道确定。结合发明流程图，如图2所示，具体实施方式如下：

(1)卫星自主定轨系统从所有的GEO目标数据库中，根据①现有的空间目标信息网能否提供目标准确星历；②当目标在太阳光照射下的亮度是否较周围其他目标的高，两个条件选择GEO标定目标。当观测卫星失去了精密的轨道状态信息，根据历史状态，估计出自身粗略的星历信息；当地面观测设备对观测卫星可见时，将标定目标的精密星历发送给观测卫星，使其获得了当前所有标定星的信息。

(2)利用星载计算机计算当前一个时段，观测卫星对标定星的可跟踪情况，确定最优的标定星。首先观测卫星根据自身的粗略星历推算自己在这一段时间的粗略位置，也根据标定星的精密星历，计算标定星在同一时段的精确位置；其次，根据计算的约束条件进行判断，包括：观测卫星与标定星之间不被其他物体遮挡，标定星、观测卫星、太阳三者构成的太阳相角小于预设的门限值，相机指向的调整能力不超过预设的调整门限值。满足上述要求，即视为可跟踪。最后，通过之前的计算结果，确定可观测弧段，计算粗略的相机指向的方位，设计相机指向的调整过程。

(3)到达预先计算的观测窗口后，调整相机指向，在预先指定的区域附近进行标定星的搜索；根据观测卫星粗略的星历、GEO标定星准确的星历信息及视星等等信息对所观测到的目标进行筛选，确定标定星。一旦确定标定星后，调整相机的指向，对目标进行持续跟踪；同时星载计算机处理跟踪拍到的图像信息，获得实时的赤经赤纬这两个测量量，得到：h(t₀),h(t₁),…h(t_n-1)，共n组观测量结果。

(4)经过一段时间的观测之后，利用跟踪获取的n组观测量数据、标定星的精密星历、自身的粗略星历信息，使用星载计算机对自身轨道进行精密确定；首先，估计测量卫星自身在t时刻粗略位置为r_p(t)，并得到标定卫星t时刻的精确位置为r_c(t)，计算t时刻的偏导矩阵：

同时在t时刻有系统的状态方程和观测方程为：

令

H＝[h(t₀),h(t₁),…h(t_n-1)]^T,J＝[J(t₀),J(t₁),…J(t_n-1)]

其中：h(t)为t时刻的观测值，h(t₀)为t₀时刻的观测值，h(t₁)为t₁时刻的观测值，h(t_n-1)为t_n-1时刻的观测值，通过建立好的系统的数学模型，便可利用最小二乘或卡尔曼滤波方法对轨道的状态量进行求解。

(5)由于相机与跟踪的设计所用的星历信息中，观测卫星的星历是不准确的，因此，很可能出现跟踪一段时间，目标丢失的情况。如果该种情况发生，则利用已经获取的数据，对卫星的轨道进行确定，具体算法重复步骤(4)。对轨道进行改进后，利用观测卫星更新的星历信息，重新结合标定星的精密星历进行相机指向的计算，即重复步骤(2)和(3)，从而重新跟踪到标定目标，获取观测数据。

(6)在这一时段利用观测数据对卫星轨道改进后，继续更新低轨观测卫星的星历，对以后的状态进行在线估计，为下一观测窗口或者执行其他任务提供较准确的轨道数据保障。在自主定轨的过程中，也可根据实际需求，在累计一段观测数据后就对轨道进行一次的修正，在整个定轨任务中，通过多次的反复修正，得到一个精密的轨道。

Claims (4)

1.一种利用天基可见光相机的低轨卫星自主定轨方法，通过搭载的天基可见光相机对选定高轨标定星的持续跟踪，利用获取的赤经赤纬测量量，实现精密定轨，其特征在于，包括以下步骤：

(1)卫星自主定轨系统从所有的GEO目标数据库中选择GEO标定目标，当观测卫星失去了精密的轨道状态信息，根据历史状态，估计出自身粗略的星历信息；当地面观测设备对观测卫星可见时，将标定目标的精密星历发送给观测卫星，使其获得当前所有标定星的信息，

(2)利用星载计算机计算当前一个时段，观测卫星对标定星的可跟踪情况，确定最优的标定星，

(3)到达预先计算的观测窗口后，调整相机指向，在预先指定的区域附近进行标定星的搜索；根据观测卫星粗略的星历、GEO标定星准确的星历信息及视星信息对所观测到的目标进行筛选，确定标定星，一旦确定标定星后，调整相机的指向，对目标进行持续跟踪；同时星载计算机处理跟踪拍到的图像信息，获得实时的赤经赤纬这两个测量量，得到：y(t₀),y(t₁),…y(t_n-1)，共n组测量结果，其中y(t₀)为t₀时刻的观测值，y(t₁)为t₁时刻的观测值，y(t_n-1)为t_n-1时刻的观测值；

(4)经过一段时间的观测之后，利用跟踪获取的n组测量数据、标定星的精密星历、自身的粗略星历信息，使用星载计算机对自身轨道进行精密确定；

(5)由于观测卫星的星历是不准确的，因此，可能出现跟踪一段时间，目标丢失的情况，如果该种情况发生，则利用已经获取的数据，对卫星的轨道进行确定，具体方法是：先重复步骤(4)，对轨道进行改进后，利用观测卫星更新的星历信息，重新结合标定星的精密星历进行相机指向的计算，即重复步骤(2)和(3)，从而重新跟踪到标定目标，获取观测数据，

(6)利用观测数据对卫星轨道改进后，继续更新低轨观测卫星的星历，对以后的状态进行在线估计，为下一观测窗口或者执行其他任务提供较准确的轨道数据保障，在自主定轨的过程中，也根据实际需求，在累计一段观测数据后就对轨道进行一次修正，在整个定轨任务中，通过多次的反复修正，得到一个精密的轨道。

2.根据权利要求1所述的一种利用天基可见光相机的低轨卫星自主定轨方法，其特征在于，所述步骤(4)具体过程如下：

首先，估计测量卫星自身在t时刻粗略位置为r_p(t)，并得到标定卫星t时刻的精确位置为r_c(t)，计算t时刻的偏导矩阵：

其中：x(t)＝x_c(t)-x_p(t),y(t)＝y_c(t)-y_p(t),z_t＝z_c(t)-z_p(t)，x_c(t)、y_c(t)、z_c(t)分别为t时刻标定星的位置在地心惯性系下三个方向的分量，x_p(t)、y_p(t)、z_p(t)为t时刻观测卫星的位置在地心惯性系下三个方向的分量，

同时在t时刻有系统的状态方程和观测方程为：

令

H＝[h(t₀),h(t₁),…h(t_n-1)]^T,J＝[J(t₀),J(t₁),…J(t_n-1)]

其中：h(t)为t时刻的观测值，h(t₀)为t₀时刻的观测值，h(t₁)为t₁时刻的观测值，h(t_n-1)为t_n-1时刻的观测值，r_p(t)为t时刻在地心惯性坐标系下观测卫星的位置向量，为轨道状态转移矩阵，表示t₀时刻位的状态量对t时刻状态量的影响；y(t)为t时刻的观测值，f(r_c(t))为t时刻赤经赤纬的测量方程，ε(t)为t时刻的测量噪声向量，

通过系统的状态方程和观测方程，利用最小二乘或卡尔曼滤波方法对轨道的状态量进行求解。

3.根据权利要求1所述的一种利用天基可见光相机的低轨卫星自主定轨方法，其特征在于，所述步骤(1)根据下面2个条件选择GEO标定目标：①现有的空间目标信息网能否提供目标准确星历；②当目标在太阳光照射下的亮度是否较周围其他目标的高。

4.根据权利要求1所述的一种利用天基可见光相机的低轨卫星自主定轨方法，其特征在于，所述步骤(2)根据下面步骤确定最优的标定星：

首先观测卫星根据自身的粗略星历推算自己在这一段时间的粗略位置，同时根据标定星的精密星历，计算标定星在同一时段的精确位置；其次，根据计算的约束条件进行判断，包括：

观测卫星与标定星之间不被其他物体遮挡，标定星、观测卫星、太阳三者构成的太阳相角小于预设的门限值，相机指向的调整能力不超过预设的调整门限值，满足上述要求，即视为可跟踪，最后，通过计算结果，确定可观测弧段，计算粗略的相机指向的方位，设计相机指向的调整过程。