CN112731536A - 一种三维空间运动目标观测追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种三维空间目标观测追踪方法，其特征在于，设置四个观测面，相邻观测面成45°夹角，进行三维全方位观测，每个观测面上放置三个呈等腰直角三角形的金属极板同时感应目标经过时电荷量的变化，首先通过两个互相垂直的观测面并读取探测信号的过零点可确定目标运动方向和运动速度，然后选取四个探测面上与运动方向平行或最接近平行的观测面，读取该观测面上三组电压波形的过零点和峰谷值之间的时间差可得到目标与观测端的距离和运动路线参数。本发明方法显著优势为属于天基观测，通过感应电荷变化和检测几个特征时间点实现运动目标观测，不受光线、空间辐射以及温度影响，只需要一个卫星承载探测端，设备复杂度低。

Description

一种三维空间运动目标观测追踪方法

技术领域

本发明涉及一种三维空间运动目标观测追踪方法，尤其涉及一种通过感应电荷量变化实现三维空间内运动目标观测和追踪的方法。

背景技术

宇宙空间内，运动目标包括有效工作的航天器，以及空间碎片，而这其中，空间碎片的比例高达90％。空间碎片又称轨道碎片，是指宇宙空间中除正常工作的飞行器外的所有人造物体，大到废弃的卫星、运载火箭末级，小到固体火箭发动机燃烧后的小颗粒或从航天器上剥落下来的漆片。随着人类航天活动的扩展，这些人造物体越来越多，这对已经在轨运行或今后将发射的航天器产生了日益严重的威胁和影响。因此，许多国家都在大力发展和研发新技术对空间目标进行观测追踪，以提高空间碎片的预警预报能力。

目前的空间碎片观测技术分为地基观测和天基观测两大类。地基观测主要包按照雷达观测技术和光学观测技术。雷达观测通过主动发射电磁波束照射空间碎片并接受其反射波以达到观测目的。雷达观测的优点是全天候工作且不受天气影响，但其灵敏度较低，观测距离有限，只能观测低轨道上的空间碎片，其观测能力主要取决于雷达的发射功率。光学观测是通过接收碎片反射的太阳光来观测碎片的，优点是可观测高轨道上的和较小尺寸的碎片。但是，光学观测只能在天空背景为黑暗，碎片被太阳光照射的条件下进行，而且观测受地面天气条件的限制。天基观测包括两种技术：一是将航天器表面或专门设计的探测器表面送上轨道，暴露在空间环境中，经过一段时间后，回收带回地面。通过对表面上的空间碎片撞击痕迹进行分析，以获得有关空间碎片的特性数据。但这种方法并不能实时地观测到碎片运动。二是天基雷达观测，采用一定的方式(包括采用专用的观测卫星，或是小卫星组网等)将雷达分布在需要普查的轨道范围内，实现对空间碎片的全面精确的观测。该方法观测结果分别率高，但是需要有多个承载卫星，广泛分布雷达组成观测网，成本较高。

为此，本发明提出一种三维空间运动目标观测追踪方法，该方法属于天基观测，不受光线、空间辐射以及温度影响，只需要一个卫星承载探测端，设备复杂度低，稳定性好。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提出一种通过感应电荷量变化实现三维空间内运动目标观测和追踪的方法。为实现上述发明目的，本发明提出的技术方案为：

一种三维空间目标观测追踪方法，其特征在于，设置四个观测面，相邻观测面成45°夹角，进行三维全方位观测，每个观测面上放置三个呈等腰直角三角形的金属极板同时感应目标经过时电荷量的变化，经微分处理后由采集处理模块分别采集和测量三组电压波形的过零点和峰谷值之间的时间差，首先通过两个互相垂直的观测面并读取探测信号的过零点可确定目标运动方向和运动速度，然后选取四个探测面上与运动方向平行或最接近平行的观测面，读取该观测面上三组电压波形的过零点和峰谷值之间的时间差可得到目标与观测端的距离和运动路线参数，从而实现运动目标的观测追踪。

一种三维空间目标观测追踪方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)安装四个观测面，设置相邻观测面之间夹角为45°，每个观测面由三个中心连线构成边长为d的等腰直角三角形的金属极板构成；

2)将十二个金属极板分别接入电荷传感器，电荷传感器均和采集处理模块连接；

3)以观测面1为x-y平面，观测面3为y-z平面建立总空间直角坐标系，每个观测面以其中一个金属极板为坐标系原点，三个金属极板构成的平面为x-y平面建立各自独立的直角坐标系；

4)当运动目标与探测端距离远大于金属极板间距时，采集处理模块分别测出相应电荷传感器输出波形的过零点t_n1、t_n2、t_n3以及峰值和谷值之间的时间差Δt_n1、Δt_n2，(n＝1，2，3，4)；

5)将目标的空间运动路径投影到互相垂直的观测面1和观测面3，投影路径的方向θ_m(m可取1、2、3、4，对应四个观测面)，即投影路径与观测面独立坐标系中x轴方向的夹角，可由过零点t_m1、t_m2和t_m3得到：

式中，t_m21＝t_m2-t_m1，t_m31＝t_m3-t_m1；当t_m1＜t_m2时，-π/2≤θ_m＜π/2；当t_m1＞t_m2时，π/2≤θ_m＜3π/2；在总空间直角坐标系中，观测面1、3上投影路径的方向向量分别为l₁(1，tanθ₁，0)，l₂(0，1，tanθ₂)，三维空间运动路径的方向向量l为l₁、l₂的合向量(1，1+tanθ₁，tanθ₂)；

6)进一步地，目标的运动速度在观测面1、3上的投影v_m的大小可由运动方向θ_m、过零点t_m1、t_m2得到：

则三维空间运动速度v可由任意一个投影面的速度推出：

7)选取与运动方向向量最接近平行的观测面k，读取该观测面上三路输出信号的过零点t_k1、t_k2、t_k3以及峰值和谷值之间的时间差Δt_k1、Δt_k2，根据式(1)、(2)可计算出该观测面上的运动方向θ_k和运动速度v_k，而运动路径在该平面的投影到位于观测面k坐标系原点的极板中心的距离p，可由运动方向θ_k、运动速度v_k、时间差Δt_k1和Δt_k2得到：

当t_k1＜t_k2时，参数p取“+”；当t_k1＞t_k2时，参数p取“-”；

8)目标与观测面k的x-y平面的垂直距离h_k可由参数p、运动速度v_k和时间差Δt_k1得到：

由于目标足够远，该距离可近似为整个探测端到空间运动路径的垂直距离，即h≈h_k。

本发明方法显著特征为基于分别由三个极板组成的四个观测面先确定目标运动方向与速度，再进一步确定目标距离和其他运动路径参数。该方法属于天基观测，主要通过感应电荷变化和检测几个特征时间点实现运动目标观测，无需精确测定幅值以及数字信号通信实现定位，具有不受光线、空间辐射以及温度影响，只需要一个卫星承载探测端，设备复杂度低，稳定性好的优点。

附图说明

图1为观测面安装示意图。

图2为探测电路的实现框图。

图3为运动目标在空间中的运动路径示意图。

图4为单个探测面上的三极板探测模型图，(a)为立体图，(b)为x-y平面图。

图5为单个探测面上的三路信号输出示意图。

具体实施方式及实施例

为进一步详细表述本发明的效果，假设一运动带电体的相关参数为：Q₀＝10^-9C，v＝7000m/s，下面将结合这一具体运动目标观测追踪实施例对本发明做说明，具体如下：

1)安装四个观测面，相邻观测面成45°夹角，每个观测面上放置三个呈等腰直角三角形的金属极板，极板间距d＝5m，每个金属极板面积A均为0.5m²，材质为导电材料，观测面安装示意图如附图1所示；

2)分别连接各个观测面上的共12个金属电极至电荷传感器，输出后连接至采集处理电路，电荷传感器的输入电容C_i均为10pF，探测电路框图如附图2所示；

3)以观测面1为x-y平面，观测面3为y-z平面建立总空间直角坐标系，原点位于观测面1的极板1中心，在此坐标系下，假设目标朝x轴正方向运动，目标的空间运动路径所在直线为：

由此可得探测端到空间运动路径的垂直距离h＝623m，将运动路径投影于观测面1和观测面3，如附图1所示，运动路径在观测面1上的投影方向θ₁＝56.30°，速度投影v₁＝6526.7m/s，极板1中心与投影路径垂直距离p₁＝277.35m，在观测面3上的投影方向θ₃＝18.43°，速度投影v₃＝5916.1m/s，极板3中心与投影路径垂直距离p₃＝-632.46m，此外，还可知极板2中心与投影路径垂直距离p₂＝353.55m，极板4中心与投影路径垂直距离p₄＝-447.22m，运动目标在空间中的运动路径示意图如附图3所示；

4)目标运动过程中，四个观测面分别探测目标运动信号，各个观测面相互独立，单个探测面上的三极板探测模型图以及输出波形示意图分别如附图4，附图5所示；

5)采用Matlab对上述路径下观测面各电极输出信号进行仿真，分别读取观测面1和观测面3上输出信号的过零点t₁₁、t₁₂、t₁₃和t₂₁、t₂₂、t₂₃，可得：

t₁₁＝-0.01ms，t₁₂＝0.41ms，t₁₁＝1ms；t₂₁＝0.01ms，t₁₂＝0.79ms，t₁₁＝0.80ms；

进一步地，根据式(1)计算出相应的θ_1cal、θ_2cal，可得：

θ_1cal＝55.00°，θ_2cal＝18.00°；

进一步地，根据式(2)计算出相应的投影速度v_1cal、v_2cal，可得：

v_1cal＝6826.9m/s，v_2cal＝5944.0m/s；合速度v_cal＝7049.0m/s；

6)比较计算所得的运动方向与各观测面的夹角，选取与运动路径最接近于平行的观测面，在本实施例中，计算所得的运动路径方向向量l_cal为(1，2.4287，0.3250)，与观测面1、2、3、4的夹角分别为7.0532°，-10.3907°，-22.2010°，-20.7328°，因此选取观测面1的数据进行进一步计算；

7)读取观测面1的极板1、2峰谷值时间差Δt_k1、Δt_k2，根据式(3)，计算可得

p_k＝297.42m；

进一步地，根据式(4)，计算可得

h_k＝622.8312m。

上述定位结果与设定结果相符，说明了本发明所提定位方法的可行性。由于目标运动速度较快，提高采集处理模块的采样率可以降低时间读取误差，进一步提高定位精度。

Claims (2)

1.一种三维空间目标观测追踪方法，其特征在于，设置四个观测面，相邻观测面成45°夹角，进行三维全方位观测，每个观测面上放置三个呈等腰直角三角形的金属极板同时感应目标经过时电荷量的变化，经微分处理后由采集处理模块分别采集和测量三组电压波形的过零点和峰谷值之间的时间差，首先通过两个互相垂直的观测面并读取探测信号的过零点可确定目标运动方向和运动速度，然后选取四个探测面上与运动方向平行或最接近平行的观测面，读取该观测面上三组电压波形的过零点和峰谷值之间的时间差可得到目标与观测端的距离和运动路线参数，从而实现运动目标的观测追踪。

2.根据权利要求1所述的一种三维空间目标观测追踪方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)安装四个观测面，设置相邻观测面之间夹角为45°，每个观测面由三个中心连线构成边长为d的等腰直角三角形的金属极板构成；

2)将十二个金属极板分别接入电荷传感器，电荷传感器均和采集处理模块连接；

3)以观测面1为x-y平面，观测面3为y-z平面建立总空间直角坐标系，每个观测面以其中一个金属极板为坐标系原点，三个金属极板构成的平面为x-y平面建立各自独立的直角坐标系；

4)当运动目标与探测端距离远大于金属极板间距时，采集处理模块分别测出相应电荷传感器输出波形的过零点t_n1、t_n2、t_n3以及峰值和谷值之间的时间差Δt_n1、Δt_n2，(n＝1，2，3，4)；

5)将目标的空间运动路径投影到互相垂直的观测面1和观测面3，投影路径的方向θ_m(m可取1、2、3、4，对应四个观测面)，即投影路径与观测面独立坐标系中x轴方向的夹角，可由过零点t_m1、t_m2和t_m3得到：

式中，t_m21＝t_m2-t_m1，t_m31＝t_m3-t_m1；当t_m1＜t_m2时，-π/2≤θ_m＜π/2；当t_m1＞t_m2时，π/2≤θ_m＜3π/2；在总空间直角坐标系中，观测面1、3上投影路径的方向向量分别为l₁(1，tanθ₁，0)，l₂(0，1，tanθ₂)，三维空间运动路径的方向向量l为l₁、l₂的合向量(1，1+tanθ₁，tanθ₂)；

6)进一步地，目标的运动速度在观测面1、3上的投影v_m的大小可由运动方向θ_m、过零点t_m1、t_m2得到：

则三维空间运动速度v可由任意一个投影面的速度推出：

7)选取与运动方向向量最接近平行的观测面k，读取该观测面上三路输出信号的过零点t_k1、t_k2、t_k3以及峰值和谷值之间的时间差Δt_k1、Δt_k2，根据式(1)、(2)可计算出该观测面上的运动方向θ_k和运动速度v_k，而运动路径在该平面的投影到位于观测面k坐标系原点的极板中心的距离p，可由运动方向θ_k、运动速度v_k、时间差Δt_k1和Δt_k2得到：

当t_k1＜t_k2时，参数p取“+”；当t_k1＞t_k2时，参数p取“-”；

8)目标与观测面k的x-y平面的垂直距离h_k可由参数p、运动速度v_k和时间差Δt_k1得到：

由于目标足够远，该距离可近似为整个探测端到空间运动路径的垂直距离，即h≈h_k。

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