CN109870155B - 太阳直射光/行星反射光到达时间差分估测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳直射光/行星反射光到达时间差分估测方法，其特征在于：在航天器上搭载两个光电设备，分别用于获取太阳视频和观测行星反射光强轮廓；根据行星反射光形成的机理，利用太阳视频构建行星反射光强轮廓；将构建的行星反射光强轮廓与观测的行星反射光强轮廓进行对比，得到到达时间差。本发明构建的行星反射光轮廓精度高，实时性好，对设备性能要求不高，能够支持高精度深空探测导航。
Description
技术领域
本发明属于航天器天文自主导航领域，特别涉及一种太阳直射光与行星反射光到达时间之间差分值的估测方法。
背景技术
导航信息对于深空探测的成败至关重要。受远距离和长时延的影响，地面站无法提供实时高精度的导航信息，特别是在捕获段。而航天器天文自主导航系统可以做到这一点。因此，对于捕获段而言，天文自主导航信息是极其重要的。面向捕获段的天文自主导航最终目的是提供相对于目标天体的位置和速度信息。近年来，能直接提供这类导航信息的天文导航方法已称为研究热点。
目前，申请人已发明了《一种太阳耀斑到达时间差分量测及组合导航方法、系统》(2018年授权)，并发表SCI论文《Solar flare TDOA navigation method using directand reflected light for Mars exploration》IEEE Transactions on Aerospace andElectronic Systems。该方法将太阳直射光强波形与行星反射光强波形进行比较，得到二者的到达时间差，直接提供了航天器相对于目标天体的距离信息，并作为导航观测量。可在已有设备(超高速相机)、低精度的目标天体星历、无太阳耀斑计时模型的条件下正常工作。但经过进一步研究发现，该发明仅仅构建了太阳耀斑到达时间差分导航的基本框架，尚未涉及误差源分析。误差源分析是高精度量测值估计方法的前提条件。
文献《Geometry error analysis in solar Doppler differencenavigationfor the capture phase(面向捕获段的太阳多普勒差分导航中的几何误差分析)》，IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems发现太阳这一巨大球形会对到太阳直射光与行星反射光达差分时间造成扩展效应。在转移段末端，扩展时间达到0.001s～0.01s量级，引起的测距误差约为300km～3000km。因此，将太阳直射光强波形与行星反射光强波形直接进行比较，会引起较大的误差。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明针对这一误差源的特性，提出了一种太阳直射光/行星反射光到达时间差分估测方法。
本发明技术方案提供一种太阳直射光/行星反射光到达时间差分估测方法，在航天器上搭载两个光电设备，分别用于获取太阳视频和观测行星反射光强轮廓；根据行星反射光形成的机理，利用太阳视频构建行星反射光强轮廓；将构建的行星反射光强轮廓与观测的行星反射光强轮廓进行对比，得到到达时间差。
而且，所述根据行星反射光形成的机理，利用太阳视频构建行星反射光强轮廓，实现如下，
设有拍摄速率f、拍摄时长T、图像帧数S，在观测时间间隔[0,T]内，超高速相机获得的太阳直射光序列图像为Is,s＝1,2,…,S；
设Is(m,n)为太阳直射光序列图像Is的第m行第n列像素，第s幅太阳直射光序列图像Is对应的行星反射光强子轮廓为ps，图像Is的第n列像素值之和等于ps的第n个元素值ps(n)；
一幅太阳图像对应的时间扩展宽度为ΔT，设太阳图像直径为D个像素，一个像素宽度对应的时间展宽为ΔT/D；
将观测期间内的行星反射光强子轮廓移位叠加，构建成行星反射光强轮廓。
而且，将构建的行星反射光强轮廓与观测的行星反射光强轮廓进行对比，得到到达时间差，实现如下，
设接收的行星反射光强轮廓矢量为PR，进行互相关计算如下，
其中，J为互相关函数取最大值时对应的位移；i,j为变量，P(i)为构建的行星反射光强轮廓矢量P的第i个元素，PR(i+j)为接收的行星反射光强轮廓矢量PR的第i+j个元素；
将该位移值转换为到达时间差δT，
而且，光电设备采用超高速相机。
而且，以火星为观测行星。
而且，用于深空探测导航。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)构建的行星反射光轮廓精度高。本发明考虑了太阳这一巨大球形的扩展效应，将太阳图像转化为一个光强子轮廓。因此，本发明构造的轮廓精度高。
(2)实时性好。太阳图像转化为行星反射光强子轮廓的计算量小。且该计算过程可与太阳图像采集过程同步进行。因而，该发明的实时性好，能够用于高精度深空探测导航。
(3)本发明对设备性能要求不高。市场上已有的超高速相机即可满足本发明的要求，无需研制新仪器，因此成本较低，具有重要的市场价值。
附图说明
图1为本发明实施例的流程示意图。
图2为本发明实施例的直角坐标系示意图。
图3为本发明实施例的太阳图像转行星反射光强子轮廓原理示意图。
图4为本发明实施例的行星反射光强轮廓移位叠加的原理示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例中，以火星为观测行星。航天器搭载两个光电设备：第一超高速相机，用于获取太阳视频；第二超高速相机，用于观测行星反射光强轮廓。根据行星反射光形成的机理，利用太阳视频构建行星反射光强轮廓，将构建的轮廓与观测的轮廓进行对比，即可得到到达时间差。
将太阳视频转换为行星反射光强轮廓的过程如下：太阳视频可视为图像序列。设S为图像帧数，将第s幅太阳图像转换为行星反射光强第s个子轮廓，其中，s为编号，s＝1,2,…,S。。这样，太阳视频可转换为一系列的行星反射光强子轮廓。将这些子轮廓移位叠加，即可构建出行星反射光强轮廓。
参见图1，本发明实施例提供了一种太阳直射光与行星反射光到达时间之间差分值的估测方法，包括以下步骤：
步骤1：建立坐标系。
本发明建立航天器位置的直角坐标系和超高速相机的敏感面阵坐标系，以实现图像配准的效果。
建立航天器位置的直角坐标系为(x,y,z)直角坐标系，如图2所示。原点O为太阳质心。太阳质心、火星质心、航天器质心三点确定YZ平面，Z轴指向火星，X轴的正轴方向是根据右手定则确定的。火星质心和航天器质心坐标分别为(0,0,z1)、(0,y2,z2)。
建立超高速相机的敏感面阵的坐标系。以太阳质心在敏感面阵上的投影为原点，以X’轴和Y’轴建立敏感面阵的坐标系。其中，X’轴与X轴平行，而Y’轴与X’轴垂直。拍摄图像的每一行与X’轴平行，每一列与Y’轴平行。
步骤2：利用太阳视频(太阳序列图像)构建行星反射光强轮廓。
利用超高速相机获取太阳序列图像。以Kirana-01M超高速摄像机为例，其像素数为924(W)×768(H)，最高拍摄速率为107帧/秒。在本发明中，拍摄速率f为105帧/秒。图像中心对准太阳质心。
在观测时间间隔[0,T]内，超高速相机获得的太阳直射光序列图像为Is,s＝1,2,…,S，其中，S为图像帧数。拍摄速率f、拍摄时长T、图像帧数S之间的关系如下：
S＝f·T (1)
构建行星反射光强轮廓包括以下子步骤：
步骤21：构建单幅图像的行星反射光强子轮廓。
太阳图像转行星反射光强子轮廓的基本原理如图3所示。其过程如下：Is(m,n)为Is的第m行、第n列像素。第s幅图像对应的行星反射光强子轮廓为ps。图像Is的第n列像素值之和等于ps的第n个元素值ps(n)：
一幅太阳图像对应的时间扩展宽度为ΔT。
其中，火星位置矢量为rM，卫星位置矢量为r。R为太阳直径，c为光速。
设太阳图像直径为D个像素，那么一个像素宽度对应的时间展宽为ΔT/D。
步骤22：将观测期间内的行星反射光强子轮廓移位叠加。
按照步骤21将图像序列转化为行星反射光强子轮廓，并将这些子轮廓按式(4)移位叠加，通过单幅图像的到达时间扩展波形得到累积波形，即可构建成行星反射光强轮廓，其基本原理如图4所示。
其中，P(n)为构建的行星反射光强轮廓第n个元素，L为构建的行星反射光强轮廓序列长度，其表达式为：
其中，c为光速，v为航天器相对于行星的相对速度。
步骤3：将构建的行星反射光强轮廓与接收的行星反射光强轮廓进行互相关，得即可获得到达时间差分估计值。
设接收的行星反射光强轮廓矢量为PR，进行互相关计算如下，
其中，J为互相关函数取最大值时对应的位移；i,j为变量，P(i)为构建的行星反射光强轮廓矢量P的第i个元素，PR(i+j)为接收的行星反射光强轮廓矢量PR的第i+j个元素。
将该位移值转换为到达时间差δT：
具体实施时，可采用软件技术实现以上流程的自动运行，也可以采用模块化方式提供相应系统。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种太阳直射光/行星反射光到达时间差分估测方法，其特征在于：在航天器上搭载两个光电设备，分别用于获取太阳视频和观测行星反射光强轮廓；根据行星反射光形成的机理，利用太阳视频构建行星反射光强轮廓；将构建的行星反射光强轮廓与观测的行星反射光强轮廓进行对比，得到到达时间差；
所述根据行星反射光形成的机理，利用太阳视频构建行星反射光强轮廓，实现如下，
设有拍摄速率f、拍摄时长T、图像帧数S，在观测时间间隔[0,T]内，超高速相机获得的太阳直射光序列图像为Is,s＝1,2,…,S；
设Is(m,n)为太阳直射光序列图像Is的第m行第n列像素，第s幅太阳直射光序列图像Is对应的行星反射光强子轮廓为ps，图像Is的第n列像素值之和等于ps的第n个元素值ps(n)；
一幅太阳图像对应的时间扩展宽度为ΔT，设太阳图像直径为D个像素，一个像素宽度对应的时间展宽为ΔT/D；
将观测期间内的行星反射光强子轮廓移位叠加，构建成行星反射光强轮廓。
2.根据权利要求1所述太阳直射光/行星反射光到达时间差分估测方法，其特征在于：将构建的行星反射光强轮廓与观测的行星反射光强轮廓进行对比，得到到达时间差，实现如下，
设接收的行星反射光强轮廓矢量为PR，进行互相关计算如下，
其中，J为互相关函数取最大值时对应的位移；i,j为变量，P(i)为构建的行星反射光强轮廓矢量P的第i个元素，PR(i+j)为接收的行星反射光强轮廓矢量PR的第i+j个元素；
将该位移值转换为到达时间差δT，
3.根据权利要求1所述太阳直射光/行星反射光到达时间差分估测方法，其特征在于：光电设备采用超高速相机。
4.根据权利要求1所述太阳直射光/行星反射光到达时间差分估测方法，其特征在于：以火星为观测行星。
5.根据权利要求1或2或3或4所述太阳直射光/行星反射光到达时间差分估测方法，其特征在于：用于深空探测导航。
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