CN109709537A - 一种基于卫星编队的非合作目标位置速度跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于卫星编队的非合作目标位置速度跟踪方法。针对利用卫星编队平台的天基测角跟踪对非合作目标观测性较差、难以实时跟踪的问题，提出了一种结合双目视觉测量与扩展卡尔曼滤波(EKF)算法的天基非合作目标位置速度跟踪方法。该方法通过双星串行编队构成的长基线进行双目测量；针对双星编队的几何特点，对目标粗测值加以修正；最后以带J2摄动项的卫星动力学模型作为系统方程，以卫星轨道坐标系到地心惯性坐标系的转移矩阵作为观测方程，对目标的位置与速度更新估计。与现有技术相比，本发明测距系统功耗较低，计算开销小，且基线长度可调节，适用于对非合作目标的位置速度实时跟踪。

Description

一种基于卫星编队的非合作目标位置速度跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种非合作空间目标的位置速度跟踪方法，尤其是依靠卫星编队构成双目测量基线的目标跟踪方法。

背景技术

天基非合作目标跟踪是指基于卫星、航天飞机、空间站等天基平台，利用雷达、可见光、红外等多种探测技术手段对空间非合作目标进行精确探测和跟踪，以确定目标航天器的工作任务、尺寸、形状和轨道参数等重要目标特性，对目标特性进行归类和分发等，进而确定目标威胁度、警戒空间碰撞、提供安全告警信息。天基非合作目标跟踪系统是空间安全体系的基础，其能力制约着空间攻防对抗作战效能。根据探测方式的不同，可分为天基雷达跟踪与天基光电跟踪两种方式，前者以激光雷达、微波雷达为探测载荷，后者以可见光或红外敏感器作为探测载荷。另外，根据观测资料的不同，还可分为天基测角跟踪与天基测距跟踪两种方式。

利用卫星编队及星座作为观测平台是天基非合作目标跟踪的重点发展方向之一。卫星编队及星座具有小型化、成本较低、可靠性高等特点，近年来受到航空机构与企业的青睐。美国国家侦查局(NRO)开展的STARE计划(The Space-based Telescopes forActionable Refinement of Ephemeris，可操作精化星历表天基望远镜)是以3U立方星为载荷的纳卫星星座空间监视项目，其LEO目标定轨精度可达100m。美国洛马公司提出的GEO目标监视纳卫星星座系统由运行在GEO轨道以上500km处的多颗3U立方星组成，卫星前后侧分别配备18°宽视场可见光相机，可在不转动星体的条件下观测GEO轨道东西两侧的空间目标。

目前的研究与应用中，天基测角跟踪是天基非合作目标跟踪的主要方式。一方面，测角信息对地心位矢方向上位置与速度的观测性较差，本质上存在病态性；另一方面，受动力学和敏感器视野的限制，天基测角跟踪难以对空间目标进行实时跟踪，对于非合作目标，这些不利影响尤其显著。对此，本文提出一种利用测距资料的非合作目标跟踪方法，基于卫星编队平台，利用多个光学敏感器构成双目测量基线，解算得到目标的相对位置信息，进而跟踪非合作目标的位置与速度。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于卫星编队的非合作目标位置速度跟踪方法，克服了现有技术的不足，解决了利用卫星编队平台的天基测角跟踪对非合作目标观测性较差、难以实时跟踪的问题。

本发明的技术方案是，一种基于卫星编队的非合作目标位置速度跟踪方法，步骤如下：

1)以同轨串行卫星编队中的两颗成员星作为测量单元，为这两颗成员星设定目标星状态量初始值{X_L0、P_L0、Q_L0、R_L0}，与{X_R0、P_R0、Q_R0、R_R0}；L和R分别代表卫星行进方向上的前后两颗成员星；

2)利用两成员星携带的光学相机对目标成像，提取目标质心坐标

3)根据姿态敏感器测得的卫星本体姿态对目标质心坐标进行修正，得到{u_L、v_L}、{u_R、v_R}。

4)两成员星通过星间测距获得基线长度T,根据双目视觉公式，利用{u_L、v_L、u_R、v_R、T}即可解算目标在卫星轨道坐标系下的相对位置{x_L’、y_L’、z_L’}、{x_R’、y_R’、z_R’}。

5)根据粗测信息修正公式，解算得到精度较高的目标在卫星轨道坐标系下的相对位置{x_L、y_L、z_L}、{x_R、y_R、z_R}。

6)根据EKF滤波方程，以带J2摄动项的轨道动力学方程作为系统方程，以卫星轨道坐标系到地心惯性坐标系的转移矩阵作为观测方程，从而得到目标在地心惯性系下的位置与速度估计{x_E、y_E、z_E、v_EX、v_EY、v_EZ}。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)实时性高。相比于测角资料，利用测距资料跟踪空间非合作目标，是对目标空间位置的即时跟踪，具有更快的收敛性，更高的实时性。

2)基线长度可调节。与一般双目测距设备相比，通过卫星编队构成的测量基线，其基线长度可控可调，从而可根据任务需要调节基线长度。

3)计算量低。与其他天基平台的测角跟踪相比，双目构型可直接解算出目标的相对位置，具有更小的计算开销。

附图说明

图1为本发明适用的卫星编队示意图。

图2为本发明方法的原理流程图。

具体实施方式

本发明适用的卫星编队如图1所示，为便于说明，本文定义如下坐标系：

O_E-X_EY_EZ_E：地心惯性坐标系。O_E为地心，Z轴指向北极，X轴指向春分点。

O_L-X_LY_LZ_L：左成员星轨道坐标系。O_L为左成员星质心，Y轴指向左成员星沿轨道飞行方向，X轴背向地心。

O_R-X_RY_RZ_R：右成员星轨道坐标系。定义与左成员星轨道坐标系类同，二者统称成员星轨道坐标系。

成员星本体坐标系。本方法中卫星姿态尽可能保持对地稳定，波浪线上标“～”代表卫星本体姿态相对于对地稳定姿态(即成员星轨道坐标系)之间的扰动。

O_L-U_LV_L、O_R-U_RV_R：相机图像坐标系。可取成员星本体坐标系X轴为相机视轴，此时相机U轴与成员星本体坐标系中Y轴重合，V轴与成员星本体坐标系中Z轴重合。

如图2所示，为本发明方法的流程原理图，其具体步骤如下：

1)设定初值：在执行任务前首先设置非合作目标状态量的初始值。取非合作目标P在地心惯性坐标系中的位置矢量与速度矢量作为状态变量：

并为其设置EKF滤波方程初值{X_L0、P_L0、Q_L0、R_L0}，与{X_R0、P_R0、Q_R0、R_R0}。其中X为状态变量，ρ_E为目标在地心惯性坐标系下位置矢量，v_E为目标在地心惯性坐标系下速度矢量，P为状态协方差矩阵，Q为系统噪声方差阵，R为测量噪声方差阵，L和R分别代表卫星行进方向上的前后两颗成员星。

2)目标质心提取：非合作目标P在两成员星目标星P在左成员星O_L与右成员星O_R的相机上分别成像为一圆形光斑，通过质心提取得到其质心坐标 与

3)姿态扰动修正：若扰动不存在，则从轨道坐标系相对位矢ρ_L、ρ_R到相机图像坐标系下质心像素坐标(u_L,v_L)与(u_R,v_R)的光学成像过程可由下式计算：

式中f为相机焦距，u₀、v₀为相机感光元件主点坐标，F为相机内参矩阵，k为比例系数。

以左成员星为例(如无特殊说明，如下同)。当卫星姿态对地存在扰动时：

式中R_L为卫星本体姿态矩阵，结合两式可得：

式中(u_L,v_L)为姿态扰动修正后的像点坐标。

4)双目视觉测量：两成员星上的光学相机构成双目测量系统，基线长度T即为双目测量基线，根据目标点P在左右两相机成像的质心坐标与基线长度，即可解算点P在成员星轨道坐标系下的相对位置矢量ρ_L、ρ_R。

式中，d即代表了点P在该双目系统中的视差。

5)粗测信息修正：姿态复原步骤将坐标系由成员星本体坐标系转移至轨道坐标系，但轨道坐标系上的两相机视轴仍然不严格平行。由图2可知，双星串行编队模型中，两成员星在近地圆轨道上前后运动，其轨道坐标系之间沿Z轴存在微小夹角θ：

式中，H为编队轨道高度，Re为地球半径。

以左成员星轨道坐标系为基准，若两坐标系不存在夹角，右成员星轨道坐标系相对左成员星轨道坐标系只存在平移：

当右成员星轨道坐标系沿Z轴存在夹角θ时：

由此可知微小夹角θ对右成员星轨道坐标系的影响值：

Δx_R＝x_R'-x_R＝(y_L-T)sinθ-x_L(1-cosθ)

Δy_R＝y_R'-Y_R＝-x_Lsinθ-(y_L-T)(1-cosθ)

将考虑微小夹角θ影响后的测量值由真值表示，结合步骤5与步骤3得：

该式表示了考虑微小夹角θ的双目解算值与相对位矢真值之间的关系。对真值求解，可得：

式中等式右侧第一项为双目解算值，第二项即为θ引起的修正项。由于夹角θ足够小，应用中可将修正项中Δx_R、Δy_R的高阶小量舍去：

6)EKF滤波估计：为获得较高的跟踪精度，对相对位置矢量ρ_L、ρ_R采用EKF方法估计非合作目标在地心惯性系中的位置与速度。非合作目标的系统方程采用考虑地球中心引力和地球形状摄动的J2项的轨道运动方程。

目标的非线性系统方程为：

式中：

W＝[0 0 0 w_vx w_vy w_vz]^T

式中，μ为地球引力常数，r为航天器到地心的距离，J₂为地球非球形摄动二阶带谐项系数，w_vx、w_vy、w_vz为加速度随机噪声。

由非线性系统方程确定的状态转移矩阵为：

Φ_k/k-1＝I_6×6+F(X_E)Δt

式中，I_6×6为6阶单位矩阵，Δt为仿真步长，F(X_E)为f(X_E)对状态量X_E的雅各比矩阵。

对于观测方程，首先将成员星轨道坐标系位矢ρ_L转换为地心惯性系位矢ρ_E：

ρ_E＝T_LEρ_L,T_LE＝[b₁b₂b₃],

转换后相当于对状态量X_E中的位置矢量ρ_E直接观测，此时观测方程为：

H＝[I_3×3 0_3×3]

由以上系统方程与观测方程，非合作目标跟踪模型流程如下：

①一步预报：

②协方差阵预报：

③增益矩阵：K_k＝P_k/k-1H^T(HP_k/k-1H^T+R)^-1

④状态更新：

⑤协方差阵更新：P_k＝(1-K_kH)P_k/k-1

式中，Z_K为k时刻的观测量，h[X_k/k-1]为根据一步预报值估计的k时刻观测量。

Claims (3)

1.一种基于卫星编队的非合作目标位置速度跟踪方法，其特征在于步骤如下：

1)以同轨串行卫星编队中的两颗成员星作为测量单元，为这两颗成员星设定目标星状态量初始值{X_L0、P_L0、Q_L0、R_L0}，与{X_R0、P_R0、Q_R0、R_R0}；L和R分别代表卫星行进方向上的前后两颗成员星；

2)利用两成员星携带的光学相机对目标成像，提取目标质心坐标

3)根据姿态敏感器测得的卫星本体姿态对目标质心坐标进行修正，得到{u_L、v_L}、{u_R、v_R}；

4)两成员星通过星间测距获得基线长度T,根据双目视觉公式，利用{u_L、v_L、u_R、v_R、T}即可解算目标在卫星轨道坐标系下的相对位置{x_L’、y_L’、z_L’}、{x_R’、y_R’、z_R’}；

5)根据粗测信息修正公式，解算得到精度较高的目标在卫星轨道坐标系下的相对位置{x_L、y_L、z_L}、{x_R、y_R、z_R}；

6)根据EKF滤波方程，以带J2摄动项的轨道动力学方程作为系统方程，以卫星轨道坐标系到地心惯性坐标系的转移矩阵作为观测方程，从而得到目标在地心惯性系下的位置与速度估计{x_E、y_E、z_E、v_EX、v_EY、v_EZ}。

2.根据权利要求1所描述的基于卫星编队的非合作目标位置速度跟踪方法，其特征在于：所述的步骤5中，双目视觉公式如下：

d＝u_L-u_R

式中，f为两成员星携带的光学相机的焦距，T为星间测距所得的两星基线长度，d为目标点在两成员星携带的光学相机构成的双目系统中的视差。

3.根据权利要求1所描述的基于卫星编队的非合作目标位置速度跟踪方法，其特征在于：所述的步骤6中，粗测信息修正公式如下：

式中，x_L’、y_L’为步骤5解算得到的成员星轨道坐标系下目标相对位置，Δx_R、Δy_R为：

式中，H为卫星编队轨道高度，Re为地球半径。