CN113720298B - 一种编队飞行卫星间光学测距方法及计算机设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种编队飞行卫星间光学测距方法及计算机设备，方法包括：设置基本参数，包括地球引力系数、主星运行的轨道半径、位于主星的摄像头临界半视场角、主星摄像头的成像距离以及从星上的标注物体的第一长度；根据星间通信计算初始时刻从星相对于主星的初始位置，根据CW方程以及初始位置计算任意时刻从星相对于主星的第一位置；测量从星上的标注物体在主星上成像面所成像的第二长度，根据所述第二长度、所述第一位置、所述成像距离以及所述第一长度确定从星和主星之间的相对距离。本申请解决了现有技术中加重卫星的负担以及卫星的研制成本的技术问题。

Description

一种编队飞行卫星间光学测距方法及计算机设备

技术领域

本申请涉及卫星技术领域，尤其涉及一种编队飞行卫星间光学测距方法及计算机设备。

背景技术

卫星编队飞行通常是指多颗卫星在围绕地球运动的同时，彼此之间形成特定的构型，在运行过程中各卫星间始终保持一定的距离，紧密联系，通过星间通信互相协调工作，形成一个整体。随着小卫星、微小卫星等的蓬勃发展、一箭多星技术的成熟利用、商业航天公司的兴起，卫星的研制、发射和部署成本进一步降低，使得使用多颗低成本小卫星编队形成“虚拟卫星”完成复杂空间任务成为一种趋势，也令卫星编队飞行成为航天领域的研究热点之一。其中，准确测量或者估算各编队卫星间的相对距离是卫星编队维持特定任务构型、防止卫星间发生不安全事件的一项关键技术。

目前，对于卫星编队中卫星星间测距通常使用雷达测距、激光测距、地面测控或星间信息交换等方法；其中，使用雷达或激光测距时，卫星需要卫星携带专用的仪器设备来进行卫星星间测距；而使用地面测控或星间信息交换进行测距时，需要建立卫星与卫星或卫星与地面之间的实时通信，这样往往会增多卫星携带的仪器设备，浪费卫星载荷空间、增大星载计算机的通信和计算要求、造成大量的热控和电源负担，同时也增加了卫星的研制成本，部分小卫星、微小卫星甚至无法承受如此众多的仪器设备。

发明内容

本申请解决的技术问题是：针对现有技术中加重卫星的负担以及卫星的研制成本问题，本申请提供了一种编队飞行卫星间光学测距方法及计算机设备，本申请实施例所提供的方案中，在从星上标注物体，通过用卫星上搭载的监测相机等光学相机对标注物体进行成像，然后采用简单的光学成像原理即可进行测距，不需要搭载专用相机或其他专用测距设备，减少了卫星设备需求，节约了卫星载荷空间和质量，减少了卫星热控和电源负担；另外采用CW方程进行相机定向，计算量小，对计算能力要求低，可直接在星载计算机上完成计算；只有在需要计算和更新初始位置时才建立星间通讯，减少了主从星间的数据通讯需求。

第一方面，本申请实施例提供一种编队飞行卫星间光学测距方法，该方法包括：

设置基本参数，其中，所述基本参数包括地球引力系数、主星运行的轨道半径、位于主星的摄像头临界半视场角、主星摄像头的成像距离以及从星上的标注物体的第一长度；

根据星间通信计算初始时刻从星相对于主星的初始位置，根据CW方程以及初始位置计算任意时刻从星相对于主星的第一位置；

测量从星上的标注物体在主星上成像面所成像的第二长度，根据所述第二长度、所述第一位置、所述成像距离以及所述第一长度确定从星和主星之间的相对距离。

可选地，根据星间通信计算初始时刻从星相对于主星的初始位置，包括：

构建第一坐标系，其中，所述第一坐标系是指主星轨道坐标系，主星轨道坐标系用于描述从星相对于主星运动的坐标系；

在所述第一坐标系下，根据星间通信计算初始时刻从星相对于主星的初始位置。

可选地，构建第一坐标系，包括：

将主星质心作为第一坐标系的原点，将第一坐标系中xy平面与主星所对应的轨道平面重合；

设置第一坐标系中x轴方向为沿地球质心指向主星质心方向；z轴垂直xy平面，其方向与轨道动力量矩方向一致；根据右手法则确定y轴。

可选地，根据CW方程以及初始位置计算任意时刻从星相对于主星的第一位置，包括：

通过如下公式计算所述第一位置：

其中，X_t表示第一位置；X₀表示初始位置；()表示余弦函数；s()表示正弦函数；t_r表示任意时刻和初始时刻之差。

可选地，根据所述第二长度、所述第一位置、所述成像距离以及所述第一长度确定从星和主星之间的相对距离，包括：

通过如下公式计算从星和主星之间的相对距离：

其中，L_real表示从星和主星之间的相对距离；h_real表示第一长度；h_optical表示第二长度；d_optical表示所述成像距离。

可选地，还包括:确定从星上的标注物体在主星上成像轴线与相机成像中心之间的第一距离，根据所述第一距离以及所述成像距离计算所述第一位置与从星的真实位置的成像角度差所对应的第一正切值；确定所述摄像头临界半视场角所对应的第二正切值，判断所述第一正切值是否不小于所述第二正切值；若是，则更新所述初始时刻和所述初始位置，根据更新后的初始时刻和初始位置重新进行下一时刻的测距。

可选地，根据所述第一距离以及所述成像距离计算所述第一位置与从星的真实位置的成像角度差所对应的第一正切值，包括：

通过如下公式计算第一正切值：

其中，tan k为第一正切值；k表示所述第一位置与从星的真实位置的成像角度差；δr_optical表示所述第一距离。

可选地，还包括：根据轨道半径对第一长度和第二长度进行归一化；根据地球引力系数和主星运行的轨道半径确定角速度，根据所述角速度对初始时刻和任意时刻进行归一化。

第二方面，本申请提供一种计算机设备，该计算机设备，包括：

存储器，用于存储至少一个处理器所执行的指令；

处理器，用于执行存储器中存储的指令执行第一方面所述的方法。

与现有技术相比，本申请实施例所提供的方案至少具有如下有益效果：

1、本申请实施例所提供的方案中，在从星上标注物体，通过用卫星上搭载的监测相机等光学相机对标注物体进行成像，然后采用简单的光学成像原理即可进行测距，不需要搭载专用相机或其他专用测距设备，减少了卫星设备需求，节约了卫星载荷空间和质量，减少了卫星热控和电源负担；

2、本申请实施例所提供的方案中，采用CW方程进行相机定向，计算量小，对计算能力要求低，可直接在星载计算机上完成计算；只有在需要计算和更新初始位置时才建立星间通讯，减少了主从星间的数据通讯需求。

附图说明

图1为本申请实施例所提供的一种编队飞行卫星间光学测距方法的流程示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种第一坐标系的示意图；

图3为本申请实施例所提供的一种从星上标注物体与该物体在主星上所成像的三角形相似原理示意图；

图4为本申请实施例所提供的一种相机定向修正的原理示意图；

图5a表示本申请实施例提供的一种从星和主星相对运动轨迹的解析计算结果示意图；

图5b表示一种从星和主星相对运动轨迹的位置的数值计算结果示意图；

图5c表示本申请实施例提供的一种光学测距结果和真实距离对比示意图；

图6为本申请实施例所提供的一种计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供的方案中，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种编队飞行卫星间光学测距方法做进一步详细的说明，该方法具体实现方式可以包括以下步骤(方法流程如图1所示)：

步骤101，设置基本参数，其中，所述基本参数包括地球引力系数、主星运行的轨道半径、位于主星的摄像头临界半视场角、主星摄像头的成像距离以及从星上的标注物体的第一长度。

在本申请实施例所提供的方案中，在主星自身上搭载有至少一个相机。为了实现通过星载相机对卫星编队中星间测距，需要在从星上设置一个标注物体以及在计算机设备上设定卫星编队相关基本参数。作为举例，基本参数包括地球引力系数、主星运行的轨道半径、位于主星的摄像头临界半视场角、主星摄像头的成像距离以及从星上的标注物体的第一长度。又作为举例，仅考虑地球中心引力的影响，地球引力系数取μ＝3.9860044×10⁵km³/s²；主星运行轨道为圆轨道，其轨道半径为R_chief；位于主星的摄像头临界视场角为κ*；主星摄像头成像距离(即镜头到成像面的距离)为d_optical；位于从星上的标的物长度为h_real。地球引力系数为物理常数，主星轨道半径在设计主星轨道时确定或由地面测轨给定，临界视场角、成像距离、标的物长度在卫星出厂后既已确定。因此，在轨测距期间可将上述参数视为常量。

应理解，本申请实施例所提供的计算机设备可以是星载计算机设备，也可以是地面系统中计算机设备，在此并不做限定。

步骤102，根据星间通信计算初始时刻从星相对于主星的初始位置，根据CW方程以及初始位置计算任意时刻从星相对于主星的第一位置。

在本申请实施例所提供的方案中，卫星编队中的主星和从星可以进行星间通信，通过星间通信确定初始时刻从星相对于主星的初始位置(解析初值)。作为举例，根据星间通信计算初始时刻从星相对于主星的初始位置，包括：构建第一坐标系，其中，所述第一坐标系是指主星轨道坐标系，主星轨道坐标系用于描述从星相对于主星运动的坐标系；在所述第一坐标系下，根据星间通信计算初始时刻从星相对于主星的初始位置。

具体的，第一坐标系是指用于描述从星相对于主星运动的主星轨道坐标系。在本申请实施例所提供的方案中，构建第一坐标系的方式有多种。作为举例，构建第一坐标系，包括：将主星质心作为第一坐标系的原点，将第一坐标系中xy平面与主星所对应的轨道平面重合；设置第一坐标系中x轴方向为沿地球质心指向主星质心方向；z轴垂直xy平面，其方向与轨道动力量矩方向一致；根据右手法则确定y轴。参见图2为本申请实施例提供的一种第一坐标系的示意图。

进一步，在构建第一坐标系之后，计算机设备根据星间通信计算初始时刻从星相对于主星的初始位置，记初始位置为

初始时刻记为t₀。

进一步，在计算出初始时刻从星相对于主星的初始位置之后，在第一坐标系下，根据CW方程计算任意时刻从星相对于主星的第一位置(解析位置)。作为举例，根据CW方程以及初始位置计算任意时刻从星相对于主星的第一位置，包括：通过如下公式计算所述第一位置：

其中，X_t表示第一位置；X₀表示初始位置；c()表示余弦函数；s()表示正弦函数；t_r表示任意时刻和初始时刻之差，t_r＝t-t₀，t表示任意时刻。

另外，在第一坐标系中下，任意时刻从星相对于主星在y轴的漂移量可通过如下公式近似计算：

其中，

其中，X₀(1)、X₀(2)、X₀(3)、X₀(4)、X₀(6)分别表示从星相对于主星的初始位置中X₀中各参数。

进一步得到从星相对于主星在任意时刻所对应的y轴的参数：

X_t(2)′＝X_t(2)+y_drift

步骤103，测量从星上的标注物体在主星上成像面所成像的第二长度，根据所述第二长度、所述第一位置、所述成像距离以及所述第一长度确定从星和主星之间的相对距离。

在本申请实施例所提供的方案中，根据第一位置将主星自身上所搭载的相机成像中心对准从星，然后通过主星自身上所搭载的相机测量从星上的标注物体在主星上成像面所成像的第二长度h_optical，设从星与主星的相对距离为L_real，根据利用光学成像的相似三角形原理(参见图3)，它们与主星摄像头成像距离(即镜头到成像面的距离)d_optical以及从星上的标的物长度为h_real存在如下关系：

进一步，根据上述公式可以得到从星和主星之间的相对距离为：

其中，L_real表示从星和主星之间的相对距离；h_real表示第一长度；h_optical表示第二长度；d_optical表示所述成像距离。

本申请实施例所提供的方案中，在从星上标注物体，通过用卫星上搭载的监测相机等光学相机对标注物体进行成像，然后采用简单的光学成像原理即可进行测距，不需要搭载专用相机或其他专用测距设备，减少了卫星设备需求，节约了卫星载荷空间和质量，减少了卫星热控和电源负担。

进一步，为了提高测距的准确性，在步骤103之后，还包括：确定从星上的标注物体在主星上成像轴线与相机成像中心之间的第一距离，根据所述第一距离以及所述成像距离计算所述第一位置与从星的真实位置的成像角度差所对应的第一正切值；确定所述摄像头临界半视场角所对应的第二正切值，判断所述第一正切值是否不小于所述第二正切值；若是，则更新所述初始时刻和所述初始位置，根据更新后的初始时刻和初始位置重新进行下一时刻的测距。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，由于第一位置(解析位置)是通过CW方程计算得到的，而CW方程只是一阶近似，因此一段时间之后或相对距离较远的情况下第一位置与从星的真实位置会存在一定的误差。为了保证在计算出第一位置之后从星位于主星搭载的相机可视范围之内，需对初始位置(解析初值)进行更新。假设计算第一位置之后从星标的在主星所成的像中心与相机成像中心间的距离为δr_optical，从星的真实位置与第一位置的矢量差在平行于成像面且通过从星第一位置的平面上的投影长度为δr_real，再次利用相似三角形原理得到如下关系：

进一步，第一位置与真实位置的成像角度差κ的正切值近似为：

由于d_optical在上述步骤中已确定，因此可通过测量δr_optical得到tan k：

由于κ的范围0＜k＜π/2，在此范围内正切函数为单调递增函数，因此当tan k≥tan k*时表明从星标的物真实位置接近相机成像的视场边界，需要更新初始位置。由于κ*已设置好，因此为了减少计算量，可事先将tan k*的值存储下来用于判定。综上，若：

则返回重新计算初始位置和初始时刻，否则返回上述步骤102继续下一时刻的测距，参见图4为本申请实施例提供的一种相机定向修正的示意图。

本申请实施例所提供的方案中，采用CW方程进行相机定向，计算量小，对计算能力要求低，可直接在星载计算机上完成计算；只有在需要计算和更新初始位置时才建立星间通讯，减少了主从星间的数据通讯需求。

进一步，为了减少数值运算负担和数值计算的舍入误差，需将单位进行归一化。归一化单位如下：

归一化长度单位LU取主星轨道半径，即LU＝R_chief；

归一化角速度单位NU取主星的轨道角速度，即

从而可以导出归一化时间单位TU，即

如无特殊说明，上文中所用的单位均默认为上述归一化单位。

进一步，为了验证本申请实施例所提供的方案的效果，下面以测距仿真结果为例来进行说明。

参见图5a、图5b和图5c所示，其中，5a表示本申请实施例提供的一种从星和主星相对运动轨迹的解析计算结果示意图；图5b表示一种从星和主星相对运动轨迹的位置的数值计算结果示意图；图5c表示本申请实施例提供的一种光学测距结果和真实距离对比示意图。通过图5a和图5b可以发现本申请实施例所提供的相机修正算法很好地提高测距的准确性。通过图5c可知光光学测距结果和真实距离对比，可以发现二者符合得很好，验证了该方法的有效性。

参见图6，本申请提供一种计算机设备，该计算机设备，包括：

存储器601，用于存储至少一个处理器所执行的指令；

处理器602，用于执行存储器中存储的指令执行图1所述的方法。

本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种编队飞行卫星间光学测距方法，其特征在于，包括：

设置基本参数，其中，所述基本参数包括地球引力系数、主星运行的轨道半径、位于主星的摄像头临界半视场角、主星摄像头的成像距离以及从星上的标注物体的第一长度；

根据星间通信计算初始时刻从星相对于主星的初始位置，根据CW方程以及初始位置计算任意时刻从星相对于主星的第一位置；

测量从星上的标注物体在主星上成像面所成像的第二长度，根据所述第二长度、所述第一位置、所述成像距离以及所述第一长度确定从星和主星之间的相对距离；其中，

根据CW方程以及初始位置计算任意时刻从星相对于主星的第一位置，包括：

通过如下公式计算所述第一位置：

其中，X_t表示第一位置；X₀表示初始位置；c()表示余弦函数；s()表示正弦函数；t_r表示任意时刻和初始时刻之差；

根据所述第二长度、所述第一位置、所述成像距离以及所述第一长度确定从星和主星之间的相对距离，包括：根据第一位置将主星自身上所搭载的相机成像中心对准从星；

通过如下公式计算从星和主星之间的相对距离：

其中，L_real表示从星和主星之间的相对距离；h_real表示第一长度；h_optical表示第二长度；d_optical表示所述成像距离；

根据轨道半径对第一长度和第二长度进行归一化；

根据地球引力系数和主星运行的轨道半径确定角速度，根据所述角速度对初始时刻和任意时刻进行归一化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据星间通信计算初始时刻从星相对于主星的初始位置，包括：

构建第一坐标系，其中，所述第一坐标系是指主星轨道坐标系，主星轨道坐标系用于描述从星相对于主星运动的坐标系；

在所述第一坐标系下，根据星间通信计算初始时刻从星相对于主星的初始位置。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，构建第一坐标系，包括：

将主星质心作为第一坐标系的原点，将第一坐标系中xy平面与主星所对应的轨道平面重合；

设置第一坐标系中x轴方向为沿地球质心指向主星质心方向；z轴垂直xy平面，其方向与轨道动力量矩方向一致；根据右手法则确定y轴。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括:

确定从星上的标注物体在主星上成像轴线与摄像头成像中心之间的第一距离，根据所述第一距离以及所述成像距离计算所述第一位置与从星的真实位置的成像角度差所对应的第一正切值；

确定所述摄像头临界半视场角所对应的第二正切值，判断所述第一正切值是否不小于所述第二正切值；

若是，则更新所述初始时刻和所述初始位置，根据更新后的初始时刻和初始位置重新进行下一时刻的测距。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述第一距离以及所述成像距离计算所述第一位置与从星的真实位置的成像角度差所对应的第一正切值，包括：

通过如下公式计算第一正切值：

其中，tanκ为第一正切值；k表示所述第一位置与从星的真实位置的成像角度差；δr_optical表示所述第一距离。

6.一种计算机设备，其特征在于，该计算机设备，包括：

存储器，用于存储至少一个处理器所执行的指令；

处理器，用于执行存储器中存储的指令执行如权利要求1～5任一项所述的方法。

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