CN112697075B - 一种交会对接激光雷达合作目标的投影面积分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种交会对接激光雷达合作目标的投影面积分析方法，首先根据合作目标在空间站中的安装关系得出合作目标在各对接面坐标系下的位姿，由对接面坐标系和空间站本体系的关系，得出合作目标在空间站本体系下的位姿。然后根据空间站的轨道数据可以得出空间站本体系与空间站轨道系的关系，将合作目标的位姿表示在空间站轨道系下。同理，根据激光雷达在飞船上的安装关系可以得到激光雷达坐标系与飞船本体系的关系。最后，将空间站轨道系和飞船本体系通过J2000惯性系联系起来，就可以根据绕飞轨迹获得合作目标与激光雷达的相对位姿关系，最终可以分析绕飞过程中交会对接激光雷达合作目标的投影面积。本发明可以保障绕飞过程的顺利对接。

Description

一种交会对接激光雷达合作目标的投影面积分析方法
技术领域
本发明涉及空间交会对接中所使用的相对测量敏感器激光雷达的合作目标投影面积分析方法，用于交会对接激光雷达的研制，还可推广于其他交会对接航天器的交会激光雷达设计。
背景技术
飞船交会对接是空间技术的一个关键技术。相对测量敏感器激光雷达用于两个航天器在太空中30公里到最终完成对接前的距离、速度、角度以及角速度等参数的测量。
在飞船绕飞空间站的过程中，各组合作目标在激光雷达视线方向的投影面积随时在变化，由于激光雷达是通过合作目标的反射获得回波，那么投影面积的多少直接决定回波能量的多少。这就意味着，在飞船的绕飞过程中，需要对各组目标的投影面积进行计算分析，以获取最佳的跟踪目标，并指导激光雷达的跟踪切换策略，进而顺利完成绕飞对接过程。从目前公开发表的文献和专利来看，尚无与此相关的交会对接激光雷达合作目标的投影面积分析方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的技术解决问题是：提供一种适用于飞船绕飞过程中交会对接激光雷达合作目标的投影面积分析方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种适用于飞船绕飞过程中交会对接激光雷达合作目标的投影面积分析方法，步骤如下：
步骤(1)：根据合作目标的安装关系，获取合作目标在空间站各对接口坐标系下的位姿；
步骤(2)：将步骤(1)中获取的合作目标位姿转换到空间站本体坐标系下，得到合作目标在空间站本体系下的位姿；
步骤(3)：根据空间站轨道数据，将步骤(2)中空间站本体系下的合作目标位姿转换到空间站轨道系下，得到合作目标在空间站轨道系下的位姿；
步骤(4)：将步骤(3)中轨道系下的合作目标位姿转到J2000惯性系下，得到合作目标在J2000惯性系下的位姿；
步骤(5)：将步骤(4)J2000惯性系下合作目标位姿转换到飞船轨道系下，得到合作目标在飞船轨道系下的位姿；
步骤(6)：根据飞船的轨道数据，将步骤(5)中飞船轨道系下的位姿转换到飞船本体系下，得到飞船本体系下合作目标的位姿；
步骤(7)：根据飞船对接面坐标系和飞船本体系的关系，将步骤(6)中飞船本体系下的合作目标位姿转换到飞船对接面坐标系下，得到合作目标在飞船对接面系下的位姿；
步骤(8)：根据激光雷达在飞船对接面的安装关系，将步骤(7)中合作目标在飞船对接面系下的位姿转换到激光雷达坐标系下，得到合作目标在激光雷达系下的位姿；同理可得到激光雷达在合作目标坐标系下的位姿；
步骤(9)：根据步骤(8)中激光雷达与合作目标的相对位姿，以及绕飞轨迹，可以分析出各个合作目标在绕飞情况下的投影面积；
进一步地，步骤(9)中所述的面积分析方法具体为：飞船绕空间站飞行，在不同距离和角度下，在激光雷达的视线方向，合作目标的投影面积不一样，那么根据步骤(8)中的相对位姿以及步骤(9)中的绕飞轨迹，可以计算得到任意绕飞角下各个对接面的合作目标的投影面积。
本发明和现有技术相比所具有的优点在于：本发明找到了一种系统解决绕飞过程中激光雷达合作目标的投影面积计算方法，该方法简单实用，可以精确计算绕过过程中每一个位置合作目标在激光雷达视线上的投影面积，为绕飞过程中飞船与空间站的交会对接提供了软件策略参考与保障。同时，本发明还可以推广到其他空间交会对接任务中的合作目标面积计算，进而设计相应的软硬件策略。该方法有望应用于天舟系列交会对接激光雷达，为我国绕飞过程的交会对接提供技术支持和软件策略保障。
附图说明
图1是本发明一种适用于飞船绕飞过程中交会对接激光雷达合作目标的投影面积分析方法的合作目标投影面积分析步骤图；
图2是本发明的合作目标三维模型图；
图3是本发明的利用特征提取远场合作目标有效面积示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。
一种适用于飞船绕飞过程中交会对接激光雷达合作目标的投影面积分析方法，首先根据合作目标的安装关系，获取合作目标在空间站各对接口坐标系下的位姿
Figure BDA0002814039710000021
其中Mhd为合作目标坐标系h到对接面坐标系d的旋转矩阵，而
Figure BDA0002814039710000031
是合作目标在对接面坐标系下的位置矢量。
然后已知合作目标对接面坐标系d与空间站本体系b的关系
Figure BDA0002814039710000032
可以将合作目标的位姿转换到空间站本体系下，为
Figure BDA0002814039710000033
且，
Figure BDA0002814039710000034
已知空间站的轨道数据并可知Mbo，将合作目标在空间站本体系下的位姿
Figure BDA0002814039710000035
转换到空间站轨道系o下，为
Figure BDA0002814039710000036
Figure BDA0002814039710000037
根据J2000惯性系可以得到轨道系与惯性系的转换
Figure BDA0002814039710000038
然后将合作目标转换到惯性系i下，得到惯性系下的位姿
Figure BDA0002814039710000039
Figure BDA00028140397100000310
接下来根据J2000惯性系将空间站与飞船联系起来，可以将惯性系i下的合作目标位姿转换到飞船轨道系下，得到飞船轨道系下的位姿
Figure BDA00028140397100000311
Figure BDA00028140397100000312
Figure BDA00028140397100000313
其中
Figure BDA00028140397100000314
为飞船轨道系z系到J2000惯性系i下的转换矩阵，
Figure BDA00028140397100000315
为飞船轨道坐标系z在惯性系下的位置矢量。
然后，再根据飞船轨道数据，可知飞船轨道系z和飞船本体系f的关系Mzf，可以将合作目标的位姿转换到飞船本体系下，为
Figure BDA00028140397100000316
Figure BDA00028140397100000317
Figure BDA00028140397100000318
此外，根据飞船本体系f与飞船对接面坐标系GNC的关系
Figure BDA00028140397100000319
将合作目标的位姿转换到GNC系下，那么，
Figure BDA00028140397100000320
Figure BDA00028140397100000321
其次，再根据激光雷达在飞船对接面的安装关系，可得到激光雷达坐标系l与对接面GNC的关系
Figure BDA00028140397100000322
并将合作目标转换到激光雷达坐标系下，最终得到
Figure BDA00028140397100000323
Figure BDA00028140397100000324
Figure BDA00028140397100000325
最后根据绕飞工况数据，可以完整的将激光雷达视线下的合作目标位姿求解出来，再根据附图2的合作目标模型，结合特征提取将合作目标在激光雷达视线方向的投影面积计算出来，即可完整的分析得出各种绕飞下的各种合作目标投影面积。
本发明未具体说明部分属于本领域公知技术。

Claims (2)

1.一种交会对接激光雷达合作目标的投影面积分析方法，其特征在于，步骤如下：
步骤(1)：根据合作目标的安装关系，获取合作目标在空间站各对接口坐标系下的位姿；
步骤(2)：将步骤(1)中获取的合作目标位姿转换到空间站本体坐标系下，得到合作目标在空间站本体坐标系下的位姿；
步骤(3)：根据空间站轨道数据，将步骤(2)中空间站本体坐标系下的合作目标位姿转换到空间站轨道坐标系下，得到合作目标在空间站轨道坐标系下的位姿；
步骤(4)：将步骤(3)中空间站轨道坐标系下的合作目标位姿转到J2000惯性坐标系下，得到合作目标在J2000惯性坐标系下的位姿；
步骤(5)：将步骤(4)J2000惯性坐标系下合作目标位姿转换到飞船轨道坐标系下，得到合作目标在飞船轨道坐标系下的位姿；
步骤(6)：根据飞船的轨道数据，将步骤(5)中飞船轨道坐标系下的位姿转换到飞船本体坐标系下，得到飞船本体坐标系下合作目标的位姿；
步骤(7)：根据飞船对接面坐标系和飞船本体坐标系的关系，将步骤(6)中飞船本体坐标系下的合作目标位姿转换到飞船对接面坐标系下，得到合作目标在飞船对接面坐标系下的位姿；
步骤(8)：根据激光雷达在飞船对接面的安装关系，将步骤(7)中合作目标在飞船对接面坐标系下的位姿转换到激光雷达坐标系下，得到合作目标在激光雷达坐标系下的位姿；同理可得到激光雷达在合作目标坐标系下的位姿；
步骤(9)：根据步骤(8)中激光雷达与合作目标的相对位姿，以及绕飞轨迹，可以分析出各个合作目标在绕飞情况下的投影面积。
2.根据权利要求1所述的一种交会对接激光雷达合作目标的投影面积分析方法，其特征在于：步骤(9)中所述的面积分析方法具体为：飞船绕空间站飞行，在不同距离和角度下，在激光雷达的视线方向，合作目标的投影面积不一样，那么根据步骤(8)中的相对位姿以及步骤(9)中的绕飞轨迹，可以计算得到任意绕飞角下各个对接面的合作目标的投影面积。
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