CN110806213B - 基于星群对空间目标光学观测的协同定轨方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的基于星群对空间目标光学观测的协同定轨方法，属于航天领域。本发明实现方法如下：在航天器环绕中心天体飞行过程中，建立航天器相对于中心天体的轨道动力学模型，构建星群光学观测协同系统的状态模型；基于星群对目标航天器的相对视线矢量方向测量，融合多颗观测星对目标星的观测信息，建立定轨系统的观测模型；结合建立的星群光学观测定轨系统状态模型，以及建立的星群光学观测定轨系统观测模型，采用非线性导航滤波算法对目标星的位置进行估计，同时修正n颗观测星的轨道参数，即实现基于星群对空间目标光学观测的协同定轨。本发明能够提高对空间目标的光学定轨精度，为未来空间目标观测跟踪提供技术参考。

Description

基于星群对空间目标光学观测的协同定轨方法
技术领域
本发明涉及一种基于星群对空间目标光学观测的协同定轨方法，属于航天领域。
背景技术
在航天器环绕中心天体飞行过程中，需要对空间目标进行观测跟踪并估计其轨道，同时对自身的轨道参数加以修正，从而保证空间任务的顺利开展。考虑到部分空间目标航天器对于观测航天器而言是非合作目标，他们之间无法进行信息交换，故光学观测是最佳的观测策略。观测航天器携带的星载光学相机对目标航天器进行拍摄，结合自身惯性姿态信息确定目标相对于观测星在惯性系下的视线方向，以相对视线方向为观测量，结合航天器相对于中心天体的轨道动力学模型，估计目标航天器的位置和速度，同时可以修正观测航天器的轨道参数。而单星光学观测的协同定轨存在着定轨效率低、定轨精度不足甚至在某些几何构型下不能定轨的问题。
发明内容
本发明公开的基于星群对空间目标光学观测的协同定轨方法要解决的技术问题为：在航天器环绕中心天体飞行过程中，n颗观测星同时对空间目标进行光学观测，融合多颗观测星对目标星的观测信息，对空间目标的位置和速度进行估计，同时修正n颗观测星的轨道参数，即实现基于星群对空间目标光学观测的协同定轨，并提高对空间目标的光学定轨精度，为未来空间目标观测跟踪提供技术参考。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的基于星群对空间目标光学观测的协同定轨方法，建立航天器相对于中心天体的轨道动力学模型，进而构建星群光学观测协同定轨系统的状态模型。基于星群对目标航天器的相对视线矢量方向测量，融合多颗观测星对目标星的观测信息，建立定轨系统的观测模型。结合建立的星群光学观测定轨系统状态模型，以及建立的星群光学观测定轨系统观测模型，采用非线性导航滤波算法对目标星的位置进行协同估计，同时修正n颗观测星的轨道参数，即实现基于星群对空间目标光学观测的协同定轨。
本发明公开的基于星群对空间目标光学观测的协同定轨方法，包括如下步骤：
步骤1：基于航天器相对于中心天体的二体动力学模型，构建星群光学观测协同定轨系统的状态模型。
航天器在轨运行时，考虑航天器与中心天体的二体模型，轨道动力学模型如式(1)所示。
Figure GDA0003053198840000021
式中，ri(i＝1,2,…,n)为第i颗观测星相对于中心天体的位置矢量，vi(i＝1,2,…,n)为第i颗观测星相对于中心天体的速度矢量，rt为目标星相对中心天体的位置矢量，vt为目标星相对中心天体的速度矢量。则协同定轨的系统状态模型如式(2)所示。
Figure GDA0003053198840000022
步骤2：基于星群对目标航天器的相对视线矢量方向测量，融合多颗观测星对目标星的观测信息，建立定轨系统的观测模型。
定轨过程中，每颗观测星分别对目标星进光学观测，获得目标星相对于观测星的视线矢量方向信息，融合多颗观测星对目标星的观测信息的光学观测模型如式(3)所示。
Figure GDA0003053198840000023
式中，υi(1＝1,2,…,n)分别为每颗观测星对目标星测量视线方向的观测误差。由式(3)得到星群对空间目标光学观测的协同定轨方法观测模型，如式(4)所示。
Figure GDA0003053198840000024
步骤3：结合步骤1中建立的星群光学观测定轨系统状态模型式(2)，以及步骤2中建立的星群光学观测定轨系统观测模型式(4)，采用非线性导航滤波算法对目标星的位置进行估计，同时修正n颗观测星的轨道参数，即实现基于星群对空间目标光学观测的协同定轨。
结合步骤1中建立的星群光学观测定轨系统状态模型式(2)，以及步骤2中建立的星群光学观测定轨系统观测模型式(4)，采用非线性导航滤波算法对目标星的位置进行估计，同时修正n颗观测星的轨道参数，即实现基于星群对空间目标光学观测的协同定轨。
有益效果：
1、本发明公开的基于星群对空间目标光学观测的协同定轨方法，通过n颗观测星分别测量目标星相对其自身的视线矢量方向信息估计目标星的绝对位置与速度，多星观测信息融合提高光学观测定轨精度，加快航天器的三轴位置和速度误差收敛速度，改善定轨系统的整体性能，满足空间目标精确定轨任务需求。
2、本发明公开的基于星群对空间目标光学观测的协同定轨方法，在估计空间目标位置和速度的同时，对n颗观测星的轨道参数进行修正，通过融合多颗观测星对目标星的观测信息提高观测星自身的定轨精度。
附图说明
图1为基于星群对空间目标光学观测的协同定轨方法流程图。
图2为相同初始误差及测量精度条件下单星光学观测定轨和星群光学观测时，目标星的三轴位置和速度误差变化情况的对比，(a)为x方向位置误差，(b)为x方向速度误差，(c)为y方向位置误差，(d)为y方向速度误差，(e)为z方向位置误差，(f)为z方向速度误差。
图3为具体实施方式中各观测星在惯性系下的位置误差变化情况，(a)为观测星1在惯性系下的三轴位置误差，(b)为观测星2在惯性系下的三轴位置误差，(c)为观测星3在惯性系下的三轴位置误差，(d)为观测星4在惯性系下的三轴位置误差。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
如图1所示，本实施例公开的基于星群对空间目标光学观测的协同定轨方法，具体实现步骤如下：
步骤1：基于航天器相对于中心天体的二体动力学模型，构建星群光学观测协同定轨系统的状态模型。
航天器在轨运行时，考虑航天器与中心天体的二体模型，轨道动力学如式(5)所示。
Figure GDA0003053198840000041
式中，ri(i＝1,2,3,4)为第i颗观测星相对于中心天体的位置矢量，vi(i＝1,2,3,4)为第i颗观测星相对于中心天体的速度矢量，rt为目标星相对中心天体的位置矢量，vt为目标星相对中心天体的速度矢量。则协同定轨的系统状态模型如式(6)所示。
Figure GDA0003053198840000042
式(6)表示定轨系统要对观测星和目标星的位置和速度同时进行估计。
步骤2：基于星群对目标航天器的相对视线矢量方向测量建立定轨系统的观测模型。
定轨过程中，每颗观测星分别对目标星进行光学观测，获得目标星相对于观测星的视线矢量方向信息，光学观测模型如式(7)所示。
Figure GDA0003053198840000043
式中，υi(1＝1,2,3,4)分别为每颗观测星对目标星测量视线方向时的观测误差，视线方向的角度误差均值为0.3°。
由式(7)得到星群光学观测协同定轨系统观测模型，如式(8)所示。
Figure GDA0003053198840000044
步骤3：结合步骤1中的星群光学观测协同定轨系统状态模型式(6)，以及步骤2中的星群光学观测定轨系统观测模型式(8)，采用非线性导航滤波算法对4颗观测星以及目标星的位置和速度进行协同估计，同时修正n颗观测星的轨道参数，即实现基于星群对空间目标光学观测的协同定轨。
表1仿真参数设置
Figure GDA0003053198840000051
本实例中的仿真参数设置如表1所示，初始估计的三轴位置误差为50km，三轴速度误差为1m/s，采样周期为10s。
相同初始条件下单星观测和星群观测的三轴位置精度和速度精度如表3所示，采用星群光学观测协同定轨方法获得的观测航天器的三轴位置精度如表2所示。
表2目标星位置误差及速度误差
Figure GDA0003053198840000052
表3星群光学观测定轨的观测星位置精度
Figure GDA0003053198840000053
从图2和表2，表3能够看出，采用基于星群对空间目标光学观测的协同定轨方法，能够精确估计出4颗观测星和目标星的绝对位置，观测星的三轴位置精度可修正到3.5km内，目标星的三轴位置精度优于1km，速度精度优于0.2m/s，说明星群光学观测目标轨道确定方法，能够精确地获得观测星和目标星的位置和速度信息，提高光学导航精度。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于星群对空间目标光学观测的协同定轨方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤1：基于航天器相对于中心天体的轨道动力学模型，建立星群光学观测协同定轨系统状态模型；
步骤2：基于星群对目标航天器的相对视线矢量方向测量，融合多颗观测星对目标星的观测信息，建立星群光学观测定轨系统观测模型；
步骤3：结合步骤1中建立的星群光学观测协同定轨系统状态模型，以及步骤2中建立的星群光学观测定轨系统观测模型，采用非线性导航滤波算法对目标星的位置进行协同估计，同时修正n颗观测星的轨道参数，即实现基于星群对空间目标光学观测的协同定轨；
步骤1实现方法为，
航天器在轨运行时，考虑航天器与中心天体的二体模型，轨道动力学模型如式(1)所示；
Figure FDA0003159570600000011
式中，ri为第i颗观测星相对于中心天体的位置矢量，vi为第i颗观测星相对于中心天体的速度矢量，rt为目标星相对中心天体的位置矢量，vt为目标星相对中心天体的速度矢量；则星群光学观测协同定轨系统状态模型如式(2)所示；
Figure FDA0003159570600000012
步骤2实现方法为，
定轨过程中，每颗观测星分别对目标星进光学观测，获得目标星相对于观测星的视线矢量方向信息，融合多颗观测星对目标星的观测信息的星群光学观测定轨系统观测模型如式(3)所示；
Figure FDA0003159570600000013
式中，υi分别为每颗观测星对目标星测量视线方向的观测误差；由式(3)得到星群光学观测定轨系统观测模型，如式(4)所示；
Figure FDA0003159570600000014
步骤3实现方法为，
结合步骤1中建立的星群光学观测协同定轨系统状态模型式(2)，以及步骤2中建立的星群光学观测定轨系统观测模型式(3)，采用非线性导航滤波算法对目标星的位置进行估计，同时修正n颗观测星的轨道参数，即实现基于星群对空间目标光学观测的协同定轨。
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