CN116027447A - 用于空间碎片探测的天基监视平台及其优化控制方法 - Google Patents

用于空间碎片探测的天基监视平台及其优化控制方法 Download PDF

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CN116027447A CN202310078897.9A CN202310078897A CN116027447A CN 116027447 A CN116027447 A CN 116027447A CN 202310078897 A CN202310078897 A CN 202310078897A CN 116027447 A CN116027447 A CN 116027447A
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吴泽鹏
曲耀斌
宋君强
樊炜
杜宁
杨勇
叶小舟
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Abstract

本发明提供了一种用于空间碎片探测的天基监视平台及其优化控制方法，包括：采用晨昏太阳同步轨道卫星平台，并在卫星平台上配置光学探测传感器，卫星平台与光学传感器进行一体化协同设计。卫星平台采用地心‑晨昏平面基准坐标系进行卫星姿态闭环控制，确保飞行过程中卫星平台本体坐标系ObXbYbZb下，+Zb方向指向地心的同时，±Xb方向始终与太阳光照垂直，保证光学探测传感器对目标观测处于顺光位置，实现在运行过程中与空间碎片进行自然交会观测。本方明方法合理，实现方式简单，相对传统的三轴稳定对地姿态控制方法，能够设置并固定对空间碎片探测的最佳光照条件，任务效能高。

Description

用于空间碎片探测的天基监视平台及其优化控制方法
技术领域
本发明涉及空间碎片监测与天文观测领域，具体地，涉及用于空间碎片探测的天基监视平台及其优化控制方法。
背景技术
随着航天技术的发展，空间航天器的数量急剧增加，空间碎片也大量增加。对包括空间碎片、卫星等空间目标的活动态势的收集要求越来越高，需求亦越来越迫切。空间目标广域探测技术主要用于对特定空域进行大范围、持续探测监视，支持批量目标编目定轨，维持编目数据的稳定性。目前空间目标探测技术依赖于地基及天基监视手段。其中，地基系统手段地理布站限制和气象条件限制，对目标的探测覆盖空域和时效性不足。天基监视系统通过组网可有效提高对目标的编目时效性，天基光学探测卫星传感器对目标的探测能力主要取决于目标的光照和探测距离。一天内目标的观测光照相位角(观测位置-空间碎片-太阳的夹角)在0～180°范围变化，其中观测光照相位角在0～90°时具有较好的观测条件。因此，本发明提出了一种一种用于空间碎片探测的天基监视平台及优化控制方法，通过合理的天基监视平台和优化控制方法设计，很好地改善在天基观测条件下对目标的观测能力。
专利文献CN103675938B(申请号：201310632202.3)公开了一种全空域覆盖双模式一体化天基空间碎片探测系统，包括光学系统、分光元件、探测器阵列、制冷系统。探测器阵列包括可见光探测器阵列和红外探测器阵列，光学系统以及红外探测器阵列分别配置制冷系统。空间碎片目标反射的可见光和自身辐射的红外光由光学系统收集，分光元件将可见光和红外光分成独立的两路，分别到达可见光探测器阵列和红外探测器阵列。制冷系统分别对光学系统以及红外探测器阵列进行制冷。当探测系统对地球阴影区域外空间碎片层探测时，可见光探测器阵列进行成像；当探测系统对处于地球阴影区覆盖的空间碎片层进行探测时，红外探测器阵列进行成像。可见光探测器阵列与红外探测器阵列分时工作，实现空间碎片探测的全空域覆盖。该专利主要涉及全空域覆盖双模式一体化天基空间碎片探测系统，是搭载在天基平台的载荷。
专利文献CN102042820A(申请号：201010522728.2)公开了一种空间微小碎片的探测方法，属于空间环境探测技术领域。探测薄膜由上到下包括俘获碎片层、过渡层和基底材料；俘获碎片层材料为1～4μm厚的Au；基底材料材料为1～3mm厚的石英玻璃，过渡层材料为50～100nm厚的Ir；将探测薄膜搭载在航天器的迎风面和背风面上，经过空间暴露后，携带回地面；地面分析采用二次离子质谱或离子枪剖析下X射线光电子能谱的分析方法，获得探测薄膜分析后数据与空间碎片的相关数据的对应关系；从而获得所俘获碎片的化学组成。该专利主要涉及利用探测薄膜暴露在空间进行微小碎片俘获，并进行测量的载荷。与本发明提出的空间碎片探测的天基平台控制方法不同，本发明主要是涉及监视平台的设计以及在轨的运行控制方法。
天基空间碎片远距离广域探测识别与跟踪技术，《空间碎片研究》，2019年12月；该论文主要设计了一种天基空间碎片远距离广域探测、识别和跟踪方案,提出了一种背景稠密恒星和空间目标长时同步捕获和跟踪方法，侧重在图像目标探测的图影响处理及应用流程等方面；天基空间碎片探测与信息处理仿真系统设计，《空间碎片研究》，2018年3月；该论文介绍了天基空间碎片探测与信息处理仿真系统的主要功能和总体构架,系统硬件/软件设计,并使用碎片识别与轨迹跟踪算法对得到的数据进行仿真，是一种方案设计；空间碎片天基探测相机光学系统设计，《红外与激光工程》，2016年12月；该论文涉及到是光学系统设计；高轨目标监视系统星座设计和探测效能分析，来源于《宇航学报》，2018年12月；该论文主要关于高轨碎片监测星座及效能分析。相关研究内容与本文设计监视平台的设计以及在轨的运行控制方法均不相同。
本发明通过合理设计晨昏太阳同步轨道卫星平台及优化控制方法，可以实现天基平台下对空间碎片的固定光照角度观测，有效提高了对目标的探测效能和碎片监视的稳定性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于空间碎片探测的天基监视平台及其优化控制方法。
根据本发明提供的一种用于空间碎片探测的天基监视平台，包括：采用晨昏太阳同步轨道卫星平台，并在晨昏太阳同步轨道卫星平台上配置光学探测传感器，光学探测传感器在运行过程中与空间碎片进行自然交会观测。
优选地，所述光学探测传感器根据任务需求设置为沿轨方向和/或顺光方向。
优选地，所述光学探测传感器与晨昏太阳同步轨道卫星平台固定连接，不独立做指向机动。
优选地，还包括：卫星平台帆板，所述卫星平台帆板安装在所述晨昏太阳同步轨道卫星平台上。
优选地，所述卫星平台帆板沿轨道方向并垂直于光照面安装在所述晨昏太阳同步轨道卫星平台上。
根据本发明提供的一种用于空间碎片探测的天基监视平台优化控制方法，利用上述所述的用于空间碎片探测的天基监视平台执行如下步骤：
步骤S1：建立地心-晨昏平面基准坐标系OrXrYrZr，并基于卫星轨道坐标系至地心-晨昏平面基准坐标系转换矩阵得到地心-晨昏平面基准坐标系；
步骤S2：基于地心-晨昏平面基准坐标系OrXrYrZr，开展卫星姿态控制，实现满足预设条件的光照条件。
优选地，所述步骤S1采用：建立地心-晨昏平面基准坐标系OrXrYrZr，地球晨昏线为坐标平面，+Zr轴在此平面内并指向地心方向，+Xr轴在此平面内与+Zr垂直并沿卫星飞行方向，+Yr轴与+Zr轴，+Xr轴右手正交；令太阳方向为
Figure BDA0004066908920000031
地心方向为
Figure BDA0004066908920000032
坐标轴的单位矢量定义为：
Figure BDA0004066908920000033
优选地，所述卫星轨道坐标系至地心-晨昏平面基准坐标系转换矩阵采用：
Figure BDA0004066908920000034
Figure BDA0004066908920000035
Figure BDA0004066908920000036
Figure BDA0004066908920000037
其中，OoXoYoZo为卫星轨道坐标系；Aro为卫星轨道坐标系至地心-晨昏平面基准坐标系转换矩阵。
优选地，所述步骤S2采用：采用地心-晨昏平面基准坐标系作为卫星姿态闭环控制，卫星平台的真实姿态由星敏感器+陀螺的高精度确定算法实时给出，以飞轮为执行机构实现对导引角的稳定跟踪。
优选地，地心-晨昏平面基准坐标系X轴始终与太阳垂直，确保光学探测传感器对目标观测时钟处于顺光位置，提高探测效率。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、卫星采用晨昏太阳同步轨道卫星平台，通过沿轨或顺光方向安装望远镜，在运行过程中通过对空间碎片自然交会观测，可实现对空间碎片的快速覆盖；
2、天基卫星监视平台的姿态控制，设计了地心-晨昏平面基准坐标系，卫星Z轴始终指向地心，可保证卫星通信天线正常工作，卫星X轴始终与太阳始终垂直，将目标的传统观测角度从60～120°复杂变化，固定至90°，可确保光学光感器对目标观测始终处于顺光位置，大幅度优化目标的探测效能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明卫星平台优化控制的参考坐标系(地心-晨昏平面基准坐标系)。
图2为传统对地定向定向控制的参考坐标系(卫星轨道坐标系)。
图3为卫星模型示意图。
图4为不同光照条件下的目标亮度示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种用于空间碎片探测的天基监视平台及其优化控制方法，能够设置并固定对空间碎片探测的最佳光照条件，提高对空间碎片的天基探测效能。
本发明采用晨昏太阳同步轨道卫星平台，平台配置光学探测传感器，在运行过程中与空间碎片进行自然交会观测；卫星姿态控制采用地心-晨昏平面基准坐标系，卫星平台+Z轴稳定对地，+X轴与太阳矢量垂直，Y轴由Z轴、X轴右手定则得到。该设计可确保天基监视平台的望远镜对目标的光照条件处于固定角度。本方明方法合理，实现方式简单，相对传统的天基监视卫星平台和姿态控制方法。
实施例1
根据本发明提供的一种用于空间碎片探测的天基监视平台，包括：采用晨昏太阳同步轨道卫星平台，并在晨昏太阳同步轨道卫星平台上配置光学探测传感器，光学探测传感器在运行过程中与空间碎片进行自然交会观测。
具体地，所述光学探测传感器根据任务需求设置为卫星本体坐标系ObXbYbZb下的±Xb和/或+Yb方向，或根据需求进行视线偏置设置，或根据实际需要进行配置。
具体地，所述光学探测传感器与晨昏太阳同步轨道卫星平台固定连接，不独立做指向机动。
更为具体地，所述卫星平台帆板沿轨道方向并垂直于光照面安装在所述晨昏太阳同步轨道卫星平台上。其中，卫星平台帆板安装面为本体坐标系ObXbYbZb的ObXbZb平面，并安装于光学传感器的向阳方向，为固定安装。且卫星平台与光学传感器进行一体化协同设计，平台(包含帆板)作为光学传感器遮光设计的一部分，可为光学传感器规避太阳光照。卫星帆板面(ObXbZb平面)光照角较好，提高能源效率。
当采用多个卫星同时观测时，同一轨道面的卫星数量可根据光学探测传感器能力等因素配置。
根据本发明提供的一种用于空间碎片探测的天基监视平台优化控制方法，利用上述所述的用于空间碎片探测的天基监视平台执行如下步骤：
步骤S1：建立地心-晨昏平面基准坐标系OrXrYrZr，并基于卫星轨道坐标系至地心-晨昏平面基准坐标系转换矩阵得到地心-晨昏平面基准坐标系；
步骤S2：基于地心-晨昏平面基准坐标系OrXrYrZr，开展卫星姿态控制，实现满足预设条件的光照条件。
如图3所示，“太阳-天基监视平台-空间碎片”之间的夹角越小时目标越亮，利于光学探测传感器对其探测。因此，卫星姿态控制采用地心-晨昏平面基准坐标系作为姿态控制基准坐标系以优化天基监视平台对目标的观测角度。
具体地，所述步骤S1采用：如图1所示，建立地心-晨昏平面基准坐标系OrXrYrZr，地球晨昏线为坐标平面，+Zr轴在此平面内并指向地心方向，可保证卫星通信天线正常工作，+Xr轴在此平面内与+Zr垂直并沿卫星飞行方向，+Yr轴与+Zr轴，+Xr轴右手正交；令太阳方向为
Figure BDA0004066908920000061
地心方向为
Figure BDA0004066908920000062
坐标轴的单位矢量定义为：
Figure BDA0004066908920000063
在此地心-晨昏平面基准坐标系下，可确保天基监视平台的光学探测传感器对目标的光照条件处于固定角度。
具体地，太阳矢量在惯性坐标系的位置可以实时计算，卫星的轨道参数通过GNSS数据或者星上系统中递推得到，因此认为太阳矢量在卫星轨道坐标系中的分量是已知的，用So表示，如图1至2所示，地心-晨昏平面基准坐标系OrXrYrZr，与轨道坐标系OoXoYoZo的计算方法如下：
Figure BDA0004066908920000064
Figure BDA0004066908920000065
Figure BDA0004066908920000066
Figure BDA0004066908920000067
Aro为卫星轨道坐标系至地心-晨昏平面基准坐标系转换矩阵。
具体地，所述步骤S2采用：采用地心-晨昏平面基准坐标系作为卫星姿态闭环控制，卫星平台的真实姿态由星敏感器+陀螺的高精度确定算法实时给出，以飞轮为执行机构实现稳定控制。
具体地，地心-晨昏平面基准坐标系X轴始终与太阳垂直，确保光学探测传感器对目标观测时钟处于顺光位置，提高探测效率。
如图4所示，为直径0.5m目标，1000km距离下，不同光照条件下的目标亮度(视星等)。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种用于空间碎片探测的天基监视平台，其特征在于，包括：采用晨昏太阳同步轨道卫星平台，并在晨昏太阳同步轨道卫星平台上配置光学探测传感器，卫星平台与光学传感器进行一体化协同设计。
2.根据权利要求1所述的用于空间碎片探测的天基监视平台，其特征在于，所述光学探测传感器根据任务需求设置为卫星本体坐标系ObXbYbZb下的±Xb和/或+Yb方向，或根据需求进行视线偏置设置。
3.根据权利要求1所述的用于空间碎片探测的天基监视平台，其特征在于，所述光学探测传感器与晨昏太阳同步轨道卫星平台固定连接，不独立做指向机动。
4.根据权利要求1所述的用于空间碎片探测的天基监视平台，其特征在于，卫星太阳帆板平行于卫星本体坐标系ObXbYbZb下的ObXbZb平面，并安装于光学传感器的向阳方向。
5.根据权利要求1所述的用于空间碎片探测的天基监视平台，其特征在于，卫星平台与光学传感器进行一体化协同设计，卫星平台作为光学传感器遮光设计的一部分，避免太阳光照进入光学传感器本体或视场。
6.一种用于空间碎片探测的天基监视平台优化控制方法，其特征在于，利用权利要求1至5任一一项权利要求所述的用于空间碎片探测的天基监视平台执行如下步骤：
步骤S1：建立地心-晨昏平面基准坐标系OrXrYrZr，并基于卫星轨道坐标系至地心-晨昏平面基准坐标系转换矩阵得到地心-晨昏平面基准坐标系；
步骤S2：基于地心-晨昏平面基准坐标系OrXrYrZr，开展卫星姿态控制，实现满足预设条件的光照条件，确保飞行过程中卫星平台本体坐标系ObXbYbZb下，+Zb方向指向地心的同时，±Xb方向始终与太阳光照垂直，保证光学探测传感器对目标观测处于顺光位置。
7.根据权利要求6所述的用于空间碎片探测的天基监视平台优化控制方法，其特征在于，所述步骤S1采用：建立地心-晨昏平面基准坐标系OrXrYrZr，地球晨昏线为坐标平面，+Zr轴在此平面内并指向地心方向，+Xr轴在此平面内与+Zr垂直并沿卫星飞行方向，+Yr轴与+Zr轴，+Xr轴右手正交；令太阳方向为
Figure FDA0004066908910000011
地心方向为
Figure FDA0004066908910000012
坐标轴的单位矢量定义为：
Figure FDA0004066908910000021
8.根据权利要求6所述的用于空间碎片探测的天基监视平台优化控制方法，其特征在于，所述卫星轨道坐标系至地心-晨昏平面基准坐标系转换矩阵采用：
Figure FDA0004066908910000022
Figure FDA0004066908910000023
Figure FDA0004066908910000024
Figure FDA0004066908910000025
其中，OoXoYoZo为卫星轨道坐标系；Aro为卫星轨道坐标系至地心-晨昏平面基准坐标系转换矩阵。
9.根据权利要求6所述的用于空间碎片探测的天基监视平台优化控制方法，其特征在于，所述步骤S2采用：采用地心-晨昏平面基准坐标系作为卫星姿态闭环控制，卫星平台的真实姿态由星敏感器+陀螺的高精度确定算法实时给出，以飞轮为执行机构实现对导引角的稳定跟踪。
10.根据权利要求6所述的用于空间碎片探测的天基监视平台优化控制方法，其特征在于，地心-晨昏平面基准坐标系X轴始终与太阳垂直，确保光学探测传感器对目标观测始终处于顺光位置，提高探测效率。
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