CN111797512A - 一种三轴稳定空间目标全角度光度仿真数据验证方法 - Google Patents

一种三轴稳定空间目标全角度光度仿真数据验证方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三轴稳定空间目标全角度光度仿真数据验证方法，首先将实测光度数据归算到某一固定距离下，并得到目标本体坐标系下，其太阳照射方向矢量和测站观测方向矢量。然后，挑选仿真数据中条件最接近(仿真角度存在间隔)的光度仿真值，形成光度仿真曲线。最后，提出评价因子K，量化分析光度仿真效果的优劣，当K值越小，光度仿真数据曲线与实测曲线拟合越好。通过分析多颗三轴稳定空间目标的仿真与实测数据验证该方法能较好的量化评价仿真效果。

Description

一种三轴稳定空间目标全角度光度仿真数据验证方法
技术领域
本发明属于空间目标探测识别技术领域，涉及到空间目标空间目标光度数据仿真及验证理论与方法，具体涉及一种三轴稳定空间目标全角度光度仿真数据验证方法。
背景技术
空间目标光度数据分析对目标识别、特性分析、空间攻防等方面具有重大意义。目前，空间目标光度数据主要依靠地基光学设备进行观测。受到地域、天气、观测弧段等原因的限制，很难获得某个空间目标的全弧段光度数据，为光度数据分析带来一定困难。为解决这一问题，光度仿真技术应运而生。而仿真数据的验证多是基于一种仿真方法进行纵向分析进行的。目前还没有提出一种方法能够通过量化分析的手段，对多种仿真方法的效果进行横向分析比较。基于此，本发明提出了一种三轴稳定空间目标全角度光度仿真数据验证方法。
为方便不同条件下的仿真数据与实测数据进行比较，首先将地基光学设备某一观测弧段得到的实测光度数据，按照朗伯球体归算到某一固定距离下，并得到目标本体系下该目标这一弧度的太阳照射方向矢量和测站观测方向矢量。然后，通过查找这一距离下的全角度光度仿真数据，挑选出在太阳照射角度和测站观测方向角度最接近(仿真角度存在间隔)条件下的光度仿真值，形成与观测数据对应的该距离下的光度仿真曲线。最后，通过分析多颗空间目标的光度仿真数据与实测数据的误差分析，本发明提出了评价因子K，K为均方根误差、系统误差及自相关系数的线性叠加，且K值越小，光度仿真数据曲线与实测曲线拟合越好。评价因子K能够量化分析光度仿真效果，为横向比较不同仿真方法的效果优劣提供了解决方案。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种三轴稳定空间目标全角度光度仿真数据验证方法
技术方案
一种三轴稳定空间目标全角度光度仿真数据验证方法，其特征在于步骤如下：
步骤2、计算空间目标观测的太阳照射方向及观测方向：
对于观测弧段的历元t，利用空间目标轨道根数及测站位置，根据开普勒公式进行轨道外推，得到空间目标的观测距离Rt及J2000.0坐标系下的空间目标位置
Figure BDA0002542214400000021
和速度
Figure BDA0002542214400000022
通过太阳星历，得到该观测弧段J2000.0坐标系下采样时刻t的太阳位置
Figure BDA0002542214400000023
由下式可得J2000.0坐标系下空间目标的太阳照射方向矢量
Figure BDA0002542214400000024
和测站观测方向矢量
Figure BDA0002542214400000025
Figure BDA0002542214400000026
其中，
Figure BDA0002542214400000027
为J2000.0坐标系下测站的位置。在采样时刻t，空间目标在目标本体系下的太阳照射方向矢量
Figure BDA0002542214400000028
和测站观测方向矢量
Figure BDA0002542214400000029
可以表示为：
Figure BDA00025422144000000210
其中，[Q]为J2000.0坐标系到目标本体坐标系的转换矩阵。
步骤3、空间目标光度数据的距离归算：
按照朗伯球体将实测光度数据归算到距离Rc处：
Figure BDA00025422144000000211
式中，Magc为归算后光度数据；Mag为实测光度数据；Ri为目标观测距离；φi为目标实测相位角；Rc为归算距离；φc为归算相位角。
步骤4、空间目标光度仿真效果评价因子K的设计与计算：
K＝S+ε+(1-|ρ|)
式中，ε为其系统误差；ρ为其自相关系数。S为归算到相同距离实测光度数据与仿真数据的均方差，表示为
Figure BDA0002542214400000031
式中，Magmeas为根据步骤3归算至距离Rc的实测光度数据；Magsimu为根据步骤3归算至距离Rc的仿真光度数据。
所述系统误差ε为同一被测量进行n次测量所得结果的平均值与测量真值之差。
所述归算距离Rc为1000km。
所述归算相位角φc为90度。
有益效果
本发明提出的一种三轴稳定空间目标全角度光度仿真数据验证方法，首先将实测光度数据归算到某一固定距离下，并得到目标本体坐标系下，其太阳照射方向矢量和测站观测方向矢量。然后，挑选仿真数据中条件最接近(仿真角度存在间隔)的光度仿真值，形成光度仿真曲线。最后，提出评价因子K，量化分析光度仿真效果的优劣，当K值越小，光度仿真数据曲线与实测曲线拟合越好。通过分析多颗三轴稳定空间目标的仿真与实测数据验证该方法能较好的量化评价仿真效果。
与现有方法相比，本发明具有以下有益效果：
利用本发明所公开的方法，对不同空间目标的两种不同仿真方法和得到的仿真数据，分别与其实测光度数据进行分析比较，可以证明本验证方法能够较好的评价仿真光度数据的仿真效果，为横向比较光度仿真实验的验证效果提供解决方案。
附图说明
图1为本发明的具体流程图；
图2为空间目标本体系示意图；
图3给出了六颗目标中目标A的光度实测与仿真曲线；
图4给出了仿真方法Ⅰ和方法Ⅱ对六颗空间目标进行光度仿真的评价因子K值的大小。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
1)选取质量较好的空间目标观测弧段，获取实测空间目标光度数据；
2)计算空间目标观测的太阳照射方向及观测方向；
3)空间目标全角度光度数据的距离归算；
4)空间目标光度仿真效果评价因子K的设计与计算。
参见图1，本发明包括以下步骤：
1)选取质量较好的空间目标观测弧段，获取实测空间目标光度数据：
利用地基光学设备对三轴稳定空间目标A进行观测，挑选观测效果较好的弧段，并记录目标的光度数据。
2)计算空间目标观测的太阳照射方向及观测方向：
首先，对于观测弧段的历元t，利用空间目标轨道根数及测站位置，根据开普勒公式进行轨道外推，得到空间目标的观测距离Rt及J2000.0坐标系下的空间目标位置
Figure BDA0002542214400000041
和速度
Figure BDA0002542214400000042
通过太阳星历，得到该观测弧段J2000.0坐标系下采样时刻t的太阳位置
Figure BDA0002542214400000043
由下式可得J2000.0坐标系下空间目标的太阳照射方向矢量
Figure BDA0002542214400000044
和测站观测方向矢量
Figure BDA0002542214400000045
Figure BDA0002542214400000046
为方便与仿真数据进行比较，定义目标本体系为：目标质心为原点O；Z轴为目标质心与地心连线；Y轴为垂直于轨道平面，且与动量矩方向相反；X轴符合右手定则，为轨道平面内垂直于矢径指向前。目标本体坐标系如图2所示。
设J2000.0坐标系到目标本体坐标系的转换矩阵为Q，则Q为：
Figure BDA0002542214400000051
由目标位置
Figure BDA0002542214400000052
和速度
Figure BDA0002542214400000053
可得：
Figure BDA0002542214400000054
如此根据下式即可得到空间目标A在采样时刻t目标本体系下的太阳照射方向矢量
Figure BDA0002542214400000055
和测站观测方向矢量
Figure BDA0002542214400000056
可以表示为：
Figure BDA0002542214400000057
将目标本体坐标系中太阳照射方向矢量在xoz平面的投影与x轴的夹角定义为太阳照射方位角α1；定义太阳照射方向矢量与xoz平面夹角为太阳照射高低角e1，则：
Figure BDA0002542214400000058
同理，定义测站观测方向矢量在xoz平面的投影与x轴的夹角定义为测站观测方位角α2；测站观测方向矢量与xoz平面夹角为测站观测高低角e2，则：
Figure BDA0002542214400000059
3)空间目标全角度光度数据的距离归算：
按照朗伯球体将实测光度数据归算到距离Rc处：
Figure BDA00025422144000000510
式中，Magc为归算后光度数据；Mag为实测光度数据；Ri为目标观测距离；φi为目标实测相位角；Rc为归算距离；φc为归算相位角。其中归算距离Rc和归算相位角φc需在验证过程中给出。
空间目标A在Rc处的全角度光度仿真值为已知数据，仿真过程这里不再赘述。对照实测光度数据的每个采样点，以太阳照射方位角、高低角、测站观测方位角、高低角为条件，挑选仿真数据中四个角度最近接的时刻的光度仿真值，形成与观测数据对应的Rc处光度仿真曲线。
4)空间目标光度仿真效果评价因子K的设计与计算：
提出评价因子K用以量化分析光度仿真效果的优劣。
K＝S+ε+(1-|ρ|)
式中，ε为其系统误差；ρ为其自相关系数。
均方差S为测量值与真值偏差的平方和观测次数n比值的平方根。均方差能够很好地评价仿真曲线间的波动情况。
Figure BDA0002542214400000061
式中，Magmeas为根据步骤3归算至距离Rc的实测光度数据；Magsimu为根据步骤3归算至距离Rc的仿真光度数据。
系统误差ε为同一被测量进行n次测量所得结果的平均值与测量真值之差。系统误差能够评价实测光度曲线与仿真曲线间的偏差量。
Figure BDA0002542214400000062
自相关系数ρ度量的是两个不同事件彼此之间相互影响的程度。用以衡量仿真光度曲线的趋势与实测光度曲线是否相近。
Figure BDA0002542214400000063
式中：E(g)为实测光度的期望；E(d)为仿真光度的期望；D(g)为实测光度的标准差；D(d)为仿真光度的标准差。自相关系数取值范围为：ρ∈[-1,1]，当自相关系数ρ＝1时，实测曲线与仿真曲线完全重合；当ρ＝-1时，实测曲线与仿真曲线的趋势完全相反。
具体实施例：
为使本发明的目的、技术方案、优点等更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明做进一步详细说明。
选取六颗三轴稳定空间目标A～F，利用某地基光学设备分别对其进行观测，选取观测效果较好的弧段，记录光度数据，保证选取弧段采样点不少于2000点。将选取的光度数据归算到距离1000km处，归算相位角φc＝90°，绘制光度实测曲线。根据选取的弧段信息，按照光度数据验证方法，得到每个弧段每一采样点的太阳照射方位角、高低角、测站观测方位角、高低角。在全角度仿真数据中，挑选符合条件的仿真数据，绘制光度仿真曲线。为每一弧段的光度数据提供两种仿真方法得到的仿真数据，两种方法分别记为方法Ⅰ和方法Ⅱ，对应的仿真数据记作仿真Ⅰ和仿真Ⅱ。六颗目标中目标A的光度实测与仿真曲线如图3所示。下表给出了六个目标的误差分析和评价因子K值。
Figure BDA0002542214400000071
图4给出了仿真方法Ⅰ和方法Ⅱ对六颗空间目标进行光度仿真的评价因子K值的大小。结合表和图4可知，仿真方法Ⅰ对目标C的光度仿真值与实测数据比较，K值最小，仿真效果最优；目标B仿真Ⅰ的效果次之；而仿真方法Ⅱ对目标E的仿真效果最差。结合图3和表分析可知，评价因子K能够较好的量化分析仿真光度数据是否能很好地描述空间目标的光度特性。

Claims (4)

1.一种三轴稳定空间目标全角度光度仿真数据验证方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、选取空间目标观测弧段，获取实测空间目标光度数据：
步骤2、计算空间目标观测的太阳照射方向及观测方向：
对于观测弧段的历元t，利用空间目标轨道根数及测站位置，根据开普勒公式进行轨道外推，得到空间目标的观测距离Rt及J2000.0坐标系下的空间目标位置
Figure FDA0002542214390000011
和速度
Figure FDA0002542214390000012
通过太阳星历，得到该观测弧段J2000.0坐标系下采样时刻t的太阳位置
Figure FDA0002542214390000013
由下式可得J2000.0坐标系下空间目标的太阳照射方向矢量
Figure FDA0002542214390000014
和测站观测方向矢量
Figure FDA0002542214390000015
Figure FDA0002542214390000016
其中，
Figure FDA0002542214390000017
为J2000.0坐标系下测站的位置；在采样时刻t，空间目标在目标本体系下的太阳照射方向矢量
Figure FDA0002542214390000018
和测站观测方向矢量
Figure FDA0002542214390000019
以表示为：
Figure FDA00025422143900000110
其中，[Q]为J2000.0坐标系到目标本体坐标系的转换矩阵；
步骤3、空间目标光度数据的距离归算：
按照朗伯球体将实测光度数据归算到距离Rc处：
Figure FDA00025422143900000111
式中，Magc为归算后光度数据；Mag为实测光度数据；Ri为目标观测距离；φi为目标实测相位角；Rc为归算距离；φc为归算相位角；
步骤4、空间目标光度仿真效果评价因子K的设计与计算：
K＝S+ε+(1-|ρ|)
式中，ε为其系统误差；ρ为其自相关系数；S为归算到相同距离实测光度数据与仿真数据的均方差，表示为
Figure FDA0002542214390000021
式中，Magmeas为根据步骤3归算至距离Rc的实测光度数据；Magsimu为根据步骤3归算至距离Rc的仿真光度数据。
2.根据权利要求1所述三轴稳定空间目标全角度光度仿真数据验证方法，其特征在于：所述系统误差ε为同一被测量进行n次测量所得结果的平均值与测量真值之差。
3.根据权利要求1所述三轴稳定空间目标全角度光度仿真数据验证方法，其特征在于：所述归算距离Rc为1000km。
4.根据权利要求1所述三轴稳定空间目标全角度光度仿真数据验证方法，其特征在于：所述归算相位角φc为90度。
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