CN115184973B - 基于惯性测量与激光测距的星载超远距离目标测速和定位系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于惯性测量与激光测距的星载超远距离目标测速和定位系统及其测速和定位方法。测速和定位系统包括激光测距仪、二维转台和二个光纤陀螺，二维转台分为俯仰向和方位向，二个光纤陀螺分别安装在转台方位向和转台俯仰向上，激光测距仪安装在转台俯仰向上，光纤陀螺用于测量二维转台的俯仰向和方位向角速度，激光测距仪用于测量卫星和目标之间的相对距离。基于本发明的星载超远距离目标测速和定位方法具有单星自主定位、测距精度高、定位精度高、定位速度快等优点，可实现单星的快速定位。

Description

基于惯性测量与激光测距的星载超远距离目标测速和定位系 统及其方法

技术领域

本发明涉及航天技术、自主定位技术、多级跟瞄技术领域尤其涉及一种用于空间碎片、小行星等空间目标的超远距离的测速定位系统及其测速定位方法。

背景技术

空间碎片在近地轨道空间目标的数量中占大多数，还在逐年递增，可观测到的空间碎片有近两万。随着大型星座的部署，空间环境继续恶化。中国空间站在2021年7月1日和10月21日做机动来规避星链卫星带来的碰撞风险。田鑫等人研究了StarLink星座对空间安全态势的影响，其利用碰撞概率的算法进行计算，结果表明，StarLink部署后将给其它在轨卫星带来较大的碰撞风险，碰撞风险比部署前高了一个量级，对535～555km空间区域的航天器影响尤为突出，一旦碰撞产生的碎片将带来更大的风险。因此，对空间碎片进行精确定位在太空安全方面有很大的应用价值。

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的角速度传感器，通过检测随载体转动在光路上的两束反向传播的光束之间的相位差来计算载体旋转角速度，由于其体积小、寿命长、可靠性高等特点，被广泛用于航空航天领域。

目前的单星激光测距空间目标定位算法受远距离激光测距机测频的限制，有效数据速率较低，对空间碎片进行定位时需要多星同时进行观测，此类方法往往需要目标同时处于两颗或多颗卫星的视场之内，对于星上资源的调度、卫星数量、星间通信、协议等有较高要求，不能做到快速定位。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种基于惯性测量与激光测距的星载超远距离目标测速和定位系统，包括：激光测距仪、二维转台和二个光纤陀螺，二维转台包括俯仰向和方位向，二个光纤陀螺分别安装在转台方位向和转台俯仰向上，激光测距仪安装在转台俯仰向上，光纤陀螺用于测量二维转台的俯仰向和方位向角速度，激光测距仪用于测量卫星和目标之间的相对距离。

激光测距仪用于发射激光并接收单光子回波信号，从而解算出目标距离。

进一步地，所述二维转台包括俯仰轴、方位轴、电机和光电码盘，光电码盘用于测量二维转台内部的角度，电机用于根据光电码盘测量的角度驱动俯仰轴或方位轴进行转动，激光测距仪和其中一个光纤陀螺能够作为整体共同围绕所述俯仰轴进行顺时针或逆时针转动，俯仰轴的转动角度为-20°～90°，激光测距仪和两个光纤陀螺能够作为整体共同围绕所述方位轴进行顺时针或逆时针360°转动，俯仰轴和方位轴相互垂直从而通过二维转动实现目标跟踪。

进一步地，所述基于惯性测量与激光测距的星载超远距离目标测速和定位系统进一步包括粗跟踪相机和跟踪处理机。所述粗跟踪相机用于探测目标空间碎片并获取带有目标空间碎片的图像，粗跟踪相机和激光测距仪光轴平行安装，通过粗跟踪相机中的图像引导二维转台进行跟踪，所述跟踪处理机与粗跟踪相机、二维转台、激光测距仪和二个光纤陀螺通信连接；所述跟踪处理机包括检测跟踪单元、激光跟踪发射控制单元和测距定位单元；所述检测跟踪单元接收粗跟踪相机探测到的带有目标空间碎片的图像，提取粗跟踪相机图像中目标空间碎片平面点位置，输出目标空间碎片在粗跟踪相机图像中的位置，控制转台转动；所述激光跟踪发射控制单元接收转台转动信息和惯性传感器检测到的二维转台方位、俯仰两个轴系转动带来的跟踪扰动信息，控制激光测距仪中的压电反射镜转动至激光发射光路中，将激光光束发射至目标空间碎片；所述测距定位单元接收激光测距仪中的激光测距返回信息，提取目标空间碎片距离，根据相机指向信息，确定目标位置。。

本申请还提供一种采用上述基于惯性测量与激光测距的星载超远距离目标测速和定位系统进行目标测速和定位的方法，包括：

步骤S1：采用光纤陀螺测量二维转台在J2000坐标系下的俯仰角方向和方位角方向的角速度，采样频率是200Hz，通过软件滤波后，实现20～100Hz；并采用激光测距仪测量出卫星与目标之间的距离；

步骤S2：根据俯仰角方向和方位角方向的角速度乘以各自方向上的距离，得出俯仰方向与方位角方向的目标与卫星的相对速度；并根据时间差值和卫星与目标之间的距离差值得出距离方向的卫星与目标的相对速度，公式如下：

V_Ri＝(R_i+1-R_i)/t_i

V_Ei＝ElRate_i*R_i

其中，ElRate为俯仰角方向的角速度，AzRate为方位角方向的角速度，EL为俯仰角，i为第i次测量结果；V_R为距离方向的目标与卫星的相对速度；V_E为俯仰方向的目标与卫星的相对速度；V_A为方位角方向的目标与卫星的速度；t为测量频率的倒数；R为通过测距仪得到的目标到卫星的距离；

步骤S3：将俯仰方向的目标与卫星的相对速度、方位角方向的目标与卫星的速度和距离方向的目标与卫星的相对速度进行矢量合成，即可得到目标在J2000坐标系下的速度和位置坐标。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明公开了一种基于惯性测量与激光测距的星载超远距离目标测速和定位系统，在俯仰向和方位向的转轴上各安装光纤陀螺，激光测距仪安装在转台上。通过跟踪相机中的图像引导转台进行跟踪，光纤陀螺测量星上转台的俯仰向和方位向角速度，激光测距仪测量目标与卫星距离，通过转台角速度与距离信息结合实现对目标进行定位。激光测距仪的激光的频率是50Hz，定位和测速能力强，能够实现超远距离目标的测速和定位。基于本发明的星载超远距离目标测速和定位方法具有单星自主定位、测距精度高、定位精度高、定位速度快等优点，可实现单星的快速定位。

附图说明

图1为基于惯性测量与激光测距的星载超远距离目标测速和定位系统的结构图；

图2为卫星的对目标进行测量和定位的应用场景示意图。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本申请的基于惯性测量与激光测距的星载超远距离目标测速和定位系统10包括：粗跟踪相机、跟踪处理机、激光测距仪11、二维转台12和二个光纤陀螺13。

二维转台12包括俯仰轴121、方位轴122、电机和光电码盘。光电码盘用于测量二维转台12内部的角度，根据测量的角度再驱动电机。电机用于驱动俯仰轴121或方位轴122进行转动。二维转台12分为俯仰向和方位向。二个光纤陀螺13分别安装在转台方位向和转台俯仰向上，激光测距仪11安装在转台俯仰向上，激光测距仪11和其中一个光纤陀螺13能够作为整体共同围绕所述俯仰轴121进行顺时针或逆时针转动，俯仰轴121的转动角度为-20°～90°，激光测距仪11和两个光纤陀螺13能够作为整体共同围绕所述方位轴122进行顺时针或逆时针360°转动，俯仰轴121和方位轴122相互垂直从而通过二维转动实现目标20跟踪。光纤陀螺13用于测量二维转台12的俯仰向和方位向角速度，激光测距仪11用于测量卫星30和目标20之间的相对距离，光纤陀螺13分别用于测量方位向和俯仰向转台的角速度。所述粗跟踪相机用于探测目标空间碎片并获取带有目标空间碎片的图像，粗跟踪相机和激光测距仪11光轴平行安装，通过粗跟踪相机中的图像引导二维转台12进行跟踪，所述跟踪处理机与粗跟踪相机、二维转台12、激光测距仪11和二个光纤陀螺13通信连接。所述跟踪处理机包括检测跟踪单元、激光跟踪发射控制单元和测距定位单元。所述检测跟踪单元接收粗跟踪相机探测到的带有目标空间碎片的图像，提取粗跟踪相机图像中目标空间碎片平面点位置，输出目标空间碎片在粗跟踪相机图像中的位置，控制转台转动。所述激光跟踪发射控制单元接收转台转动信息和惯性传感器检测到的二维转台12方位、俯仰两个轴系转动带来的跟踪扰动信息，控制激光测距仪11中的压电反射镜转动至激光发射光路中，将激光光束发射至目标空间碎片。所述测距定位单元接收激光测距仪11中的激光测距返回信息，提取目标空间碎片距离，根据相机指向信息，确定目标20位置。

采用上述基于惯性测量与激光测距的星载超远距离目标测速和定位系统10进行目标测速和定位的方法，包括：

步骤1：目标捕获与粗跟踪：通过外部注入引导信息，控制二维转台12指向目标空间碎片运动空域，通过粗跟踪相机探测目标空间碎片获取带有目标空间碎片的图像；跟踪处理机中的检测跟踪单元接收粗跟踪相机图像，提取粗跟踪相机图像中目标空间碎片平面点位置，输出目标空间碎片在粗跟踪相机图像中的位置，控制转台转动，实现目标捕获与闭环粗跟踪。

步骤2：精跟踪与目标测距：采用光纤陀螺13测量二维转台12在J2000坐标系下的俯仰角方向和方位角方向的角速度，测量频率为20Hz；并采用激光测距仪11测量出卫星30与目标20之间的距离。

具体地，跟踪处理机中的跟踪处理机中的接收转台转动信息和惯性传感器采集二维转台12转动过程中转台方位、俯仰两个轴系转动带来的跟踪扰动信息，控制激光测距仪11中的压电反射镜实现激光出光指向控制，确保激光发射光束覆盖目标空间碎片；激光测距仪11的激光器出光工作，激光照射目标空间碎片表面反射后回波被单光子探测器接收，能够测量出激光发射到激光接收的时间t，通过单光子回波信号关联解算，能够计算目标20到卫星30的距离R＝c×t÷2，c为光速。

步骤3：根据俯仰角方向和方位角方向的角速度乘以各自方向上的距离，得出俯仰方向与方位角方向的目标20与卫星30的相对速度；并根据时间差值和卫星30与目标20之间的距离差值得出距离方向的卫星30与目标20的相对速度，公式如下：

V_Ri＝(R_i+1-R_i)/t_i

V_Ei＝ElRate_i*R_i

其中，EIRate为俯仰角方向的角速度，AzRate为方位角方向的角速度，El为俯仰角，i为第i次测量结果，V_R为距离方向的目标20与卫星30的相对速度，V_E为俯仰方向的目标20与卫星30的相对速度，V_A为方位角方向的目标20与卫星30的速度；t为测量频率的倒数，本实施例为1/20s；R为通过测距仪得到的目标20到卫星30的距离；

步骤4：将俯仰方向的目标20与卫星30的相对速度、方位角方向的目标20与卫星30的速度和距离方向的目标20与卫星30的相对速度进行矢量合成，即可得到目标20在J2000坐标系下的速度和位置坐标(如图2所示)。

典型场景：卫星探测距离在2000km-6000km的目标时，星上安装的激光测距仪测量误差为0.05％，光纤陀螺测量误差为0.01％，测量频率为20Hz的测量，运用此方法得到的目标速度与位置误差在0.1％内。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种采用基于惯性测量与激光测距的星载超远距离目标测速和定位系统进行目标测速和定位的方法，其特征在于，

所述基于惯性测量与激光测距的星载超远距离目标测速和定位系统包括：激光测距仪、二维转台、二个光纤陀螺、粗跟踪相机和跟踪处理机；二维转台包括俯仰向和方位向，二个光纤陀螺分别安装在转台方位向和俯仰向上，激光测距仪安装在转台俯仰向上，光纤陀螺用于测量二维转台的俯仰向和方位向角速度，激光测距仪用于测量卫星和目标之间的相对距离；所述二维转台包括俯仰轴、方位轴、电机和光电码盘，光电码盘用于测量二维转台内部的角度，电机用于根据光电码盘测量的角度驱动俯仰轴或方位轴进行转动，激光测距仪和其中一个光纤陀螺能够作为整体共同围绕所述俯仰轴进行顺时针或逆时针转动，俯仰轴的转动角度为-20°～90°，激光测距仪和两个光纤陀螺能够作为整体共同围绕所述方位轴进行顺时针或逆时针360°转动，俯仰轴和方位轴相互垂直从而通过二维转动实现目标跟踪；所述粗跟踪相机用于探测目标空间碎片并获取带有目标空间碎片的图像，粗跟踪相机和激光测距仪光轴平行安装，通过粗跟踪相机中的图像引导二维转台进行跟踪，所述跟踪处理机与粗跟踪相机、二维转台、激光测距仪和二个光纤陀螺通信连接；所述跟踪处理机包括检测跟踪单元、激光跟踪发射控制单元和测距定位单元；所述检测跟踪单元接收粗跟踪相机探测到的带有目标空间碎片的图像，提取粗跟踪相机图像中目标空间碎片平面点位置，输出目标空间碎片在粗跟踪相机图像中的位置，控制转台转动；所述激光跟踪发射控制单元接收转台转动信息和惯性传感器检测到的二维转台方位、俯仰两个轴系转动带来的跟踪扰动信息，控制激光测距仪中的压电反射镜转动至激光发射光路中，将激光光束发射至目标空间碎片；所述测距定位单元接收激光测距仪中的激光测距返回信息，提取目标空间碎片距离，根据相机指向信息，确定目标位置；

采用所述的基于惯性测量与激光测距的星载超远距离目标测速和定位系统进行目标测速和定位的方法包括：

步骤S1：采用光纤陀螺测量二维转台在J2000坐标系下的俯仰角方向和方位角方向的角速度，采样频率是200Hz，通过软件滤波后，实现频率为20～100Hz；并采用激光测距仪测量出卫星与目标之间的距离；

步骤S2：根据俯仰角方向和方位角方向的角速度乘以各自方向上的距离，得出俯仰方向与方位角方向的目标与卫星的相对速度；并根据时间差值和卫星与目标之间的距离差值得出距离方向的卫星与目标的相对速度，公式如下：

V_Ri＝(R_i+1-R_i)/t_i

V_Ei＝ElRate_i*R_i

其中，ElRate为俯仰角方向的角速度；AzRate为方位角方向的角速度；EL为俯仰角；i为第i次测量结果；V_R为距离方向的目标与卫星的相对速度；V_E为俯仰方向的目标与卫星的相对速度；V_A为方位角方向的目标与卫星的速度；t为测量频率的倒数；R为通过测距仪得到的目标到卫星的距离；

步骤S3：将俯仰方向的目标与卫星的相对速度、方位角方向的目标与卫星的速度和距离方向的目标与卫星的相对速度进行矢量合成，即可得到目标在J2000坐标系下的速度和位置坐标。