CN116050133A - 抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法及系统 - Google Patents

抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法及系统 Download PDF

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CN116050133A CN202310034484.0A CN202310034484A CN116050133A CN 116050133 A CN116050133 A CN 116050133A CN 202310034484 A CN202310034484 A CN 202310034484A CN 116050133 A CN116050133 A CN 116050133A
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常浩
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Abstract

本发明公开了一种抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法及系统，考虑满足空间站和伴飞卫星观测视场约束，以及非合作目标观测预警区域约束条件，对空间站和伴飞卫星之间的编队构型进行设计，并结合相机扫描姿态变化规律，即可完成对空间站预警区域的快速覆盖扫描。以非合作目标的高低角和方位角作为观测量，建立了非合作目标运动参数识别滤波模型，对于可能存在空间非合作目标不满足可观测性的情况，调整空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型，重新获得良好的协同观测构型，从而提高可观测性，更贴近实际工况。

Description

抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法及系统
技术领域
本发明涉及空间态势感知技术领域，具体为抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法及系统。
背景技术
随着空间目标数的不断增长，以及空间优势的不断竞争，全面感知空间态势信息成为了全球竞逐的目标之一。空间态势感知(SSA)包括对空间目标的探测、跟踪、识别，对空间事件的评估和预报等，是确保空间安全的基础，受到航天国家的高度重视。迄今为止，人类送入空间的物体超过26000个，地球轨道环境愈加复杂，为了避免航天器的碰撞，这需要对空间中以非合作目标为主的空间目标运动态势感知进行感知和预报。
获取空间目标的相对运动状态，可以通过星上自主测量完成，对非合作目标一般采用测距、测角或两种都测的方法。由于光学测角相机具有精度高、体积小、质量轻及功耗低等优点，针对抵近空间站的非合作目标位置参数识别问题可以采用这种仅测角方法。非合作目标观测的一般框架是先通过光学敏感器对目标进行观测，然后利用测量信息结算处相对位置参数，进而通过导航滤波算法确定目标的相对位置、相对速度等信息。
现有的技术大多可以实现对非合作目标的位置参数识别，但是在考虑工程实际的情况下，极少有针对可观测性较弱的情况进行机动处理和分析。因此考虑空间非合作目标可观测性的协同观测及目标位置参数确定具有很大的工程意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法，以克服现有技术中极少有针对可观测性较弱的情况进行机动处理和分析，不满足实际工况的问题，
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：扫描观测空间站飞行前方的预警区域；
S2：根据预警区域设计空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型和相机姿态变化规律；
S3：根据空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型和相机姿态变化规律进行协同观测，获取非合作目标的测角信息，并构建非合作目标运动参数的滤波模型；
S4：根据构建的非合作目标运动参数的滤波模型，利用UKF滤波算法确定非合作目标轨道参数；
S5：判断协同观测编队构型是否满足观测性条件，若满足，输出非合作目标轨道参数，若不满足，调整S2空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型，重复进行S3和S4直至满足观测性条件，输出非合作目标轨道参数。
优选地，S1中预警区域选定为空间站运行前方的半球区域。
优选地，S2中空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型设计的具体方法为：空间站与伴飞卫星之间的相对运动规律近似满足C-W方程，对C-W方程解析，通过设计空间站和伴飞卫星之间的相对轨道信息，得到空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型。
优选地，S2中相机姿态变化规律为：
Figure BDA0004048140370000021
其中，γm和θm分别为相机视场中线的高低角和方位角，γ0和θ0为相机摆动范围的最大值，ω为相机摆动角速度，t为相机观测时间。
优选地，非合作目标的测角信息包括非合作目标的高低角和非合作目标的方位角。
优选地，非合作目标运动参数的滤波模型为：
Figure BDA0004048140370000031
vk为量测噪声，[xc,yc,zc]为非合作目标在主航天器相机观测坐标系下视场中的观测矢量，[xco,yco,zco]为非合作目标在伴飞航天器相机观测坐标系下视场中的观测矢量，γc为主航天器的高低角，θc为主航天器的方位角，γco为非合作目标的高低角，θco为非合作目标的方位角。
优选地，S4中的UKF滤波算法流程包括Sigma采样、估计和更新。
优选地，S5中，调整S2空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型和相机姿态变化规律时不考虑燃料消耗。
优选地，不满足观测性的条件为，观测矢量夹角为[0,20°]或[160°,180°]。
抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别系统，基于上述抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法，其特征在于，包括：
扫描模块：用于扫描观测空间站飞行前方的预警区域；
设计模块：用于根据预警区域设计空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型和相机姿态变化规律；
构建模块：用于根据空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型和相机姿态变化规律进行协同观测，获取非合作目标的测角信息，并构建非合作目标运动参数的滤波模型；
参数确定模块：用于根据构建的非合作目标运动参数的滤波模型，利用UKF滤波算法确定非合作目标轨道参数；
输出模块：用于判断协同观测构型是否满足观测性条件，若满足，输出非合作目标轨道参数，若不满足，调整空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型，直至满足观测性条件，输出非合作目标轨道参数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法，针对空间站在运行过程中对周围区域的安全监视问题，分析空间站非合作目标快速抵近情况，据此给出保障空间站安全规避前提下空间站-伴飞卫星协同观测的预警区域，考虑满足空间站和伴飞卫星观测视场约束，以及非合作目标观测预警区域约束条件，对空间站与伴飞卫星之间的编队构型进行设计，并结合相机扫描姿态变化规律，即可完成对空间站预警区域的快速覆盖扫描。以非合作目标的高低角和方位角作为观测量，建立了非合作目标运动参数识别滤波模型，对于可能存在空间非合作目标不满足可观测性的情况，调整空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型，重新获得良好的协同观测构型，从而提高可观测性，更贴近实际工况。
同时，本发明提供了一种提供了一种抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别系统，可以满足上述方法的实现条件，提高可观测性。
附图说明
图1是本发明探测区域示意图；
图2是本发明伴飞卫星脉冲机动设计流程示意图；
图3是本发明伴飞卫星相对于空间站做自然飞行协同观测编队方案示意图；
图4是本发明伴飞卫星与空间站保持跟飞状态协同观测编队方案示意图；
图5是本发明预警区域扫描的蒙特卡洛仿真流程图；
图6是本发明非合作目标相对位置的真实值和估计值的对比结果示例图；
图7是本发明非合作目标相对速度的真实值和估计值对比结果示例图；
图8是本发明非合作目标相对位置的估计误差示例图；
图9是本发明非合作目标相对速度的估计误差示例图；
图10是本发明测量构型分离角为0°的协同观测构型示例图；
图11是本发明伴飞卫星做出机动后形成新的协同观测构型示例图；
图12是本发明一种抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供了一种提供了一种抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法：
步骤1：扫描观测空间站飞行前方的预警区域。
为了保证空间站运行过程中的安全性，定义预警区域为以空间站为中心，半径为r，在LVLH坐标系下位于空间站y轴正前方的半球，如图1所示。进一步地，考虑空间站和伴飞卫星的观测约束，在此假定伴飞卫星和空间站上都配有可摆动观测的相机，且相机具有视场距离约束、视场锥角约束和相机摆动幅度约束。
步骤2：根据预警区域设计空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型和相机姿态变化规律。
假设空间站位于圆轨道或近圆轨道，则空间站和伴飞卫星之间的相对运动规律近似满足C-W方程。选取主航天器(空间站)的当地水平当地垂直(LVLH)坐标系作为相对运动描述的坐标系。其原点位于主航天器的质心，x轴由地球质心沿径向指向主航天器，y轴位于轨道面上且垂直于x轴，z轴垂直于轨道面，指向角动量方向。若不考虑主动控制和摄动作用，C-W方程可以被表示为：
Figure BDA0004048140370000051
通过对其解析解消去非周期项，可得到其周期解为
Figure BDA0004048140370000061
通过设计伴飞卫星和空间站的相对轨道信息，即可设计出不同的编队探测方案。
基于上述设计的编队构型方案，结合伴飞卫星上的相机姿态变化规律，可以确定出对应的协同探测方案。为了完成对预警区域的覆盖扫描探测，相机需要同时在空间站运行的轨道面内和轨道面外进行扫描，因此设计相机姿态变化规律如下：
Figure BDA0004048140370000062
其中γm和θm分别为相机视场中线的高低角和方位角，γ0和θ0为相机摆动范围的最大值，由相机摆动幅度约束决定，ω为相机摆动角速度。
步骤3：根据空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型和相机姿态变化规律进行协同观测，获取非合作目标的测角信息，并构建非合作目标运动参数的滤波模型。
选取非合作目标和空间站之间的相对位置、相对速度作为状态量来构建系统模型，定义为
X＝[rT,vT] (4)
目标的估计模型可表示为
Xk+1＝f(Xk)+ωk (5)
估计模型即状态转移方程可根据C-W方程获得，式中：Xk为k时刻的系统状态向量，ωk为系统噪声。
以目标航天器的高低角和方位角作为观测量，定义为
Z＝[γc,θc,γco,θco]T (6)
式中：下标c表示相对于主航天器的测角信息，下标co表示相对于伴飞航天器的测角信息。
量测模型即目标状态信息到观测信息的映射关系为
Figure BDA0004048140370000071
式中：vk为量测噪声。[xc,yc,zc]为非合作目标在主航天器相机观测坐标系下视场中的观测矢量，[xco,yco,zco]为非合作目标在伴飞航天器相机观测坐标系下视场中的观测矢量，γc为主航天器的高低角，θc为主航天器的方位角，γco为非合作目标的高低角，θco为非合作目标的方位角。
步骤4：根据构建的非合作目标运动参数的滤波模型，利用UKF滤波算法确定非合作目标轨道参数。
基于滤波状态模型和量测模型，UKF对状态量的估计和更新流程如下。
1)Sigma采样：
采用对称采样策略，n表示选择观测目标的状态维数，
Figure BDA0004048140370000072
为n维随机变量x的均值，P为随机变量x的协方差矩阵，按以下方式进行采样：
Figure BDA0004048140370000073
2)估计(传播)
Figure BDA0004048140370000081
式中：ωm和ωc分别表示计算均值和方差的权重，由如下方式获得：
Figure BDA0004048140370000082
其中λ＝α2(n+k)-n是尺度参数，α决定了采样点与x的距离，一般设置为较小的正数，如10-3；状态分布参数β≥0，通过设置β，可以提高方差的精度，对于高斯分布，一般取为2。
3)更新(校正)
Figure BDA0004048140370000083
步骤5：判断协同观测构型是否满足观测性条件，若满足，输出非合作目标轨道参数，若不满足，调整S2空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型和相机姿态变化规律，重复进行S3和S4直至满足可观测性条件，输出非合作目标轨道参数。
基于双星的协同观测，观测矢量的夹角大小会影响其可观测性。当空间站、伴飞卫星与目标之间的视线矢量夹角接近π或0°时，量测系统具有较弱的可观测性，导致量测值不准确。因此需要通过设计伴飞卫星的脉冲机动来改变协同观测构型，从而提高可观测性。
在此做出假设：当观测矢量夹角为[0,20°]或[160°,180°]时需要进行机动来提高观测性。暂不考虑燃料消耗，仅要求伴飞卫星在短时间内快速到达终端位置。因此伴飞卫星需要进行快速机动，形成新的观测构型，提高其可观测性。
抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别系统，包括：
扫描模块：用于扫描观测空间站飞行前方的预警区域；
设计模块：用于根据预警区域设计空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型和相机姿态变化规律；
构建模块：用于根据空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型和相机姿态变化规律进行协同观测，获取非合作目标的测角信息，并构建非合作目标运动参数的滤波模型；
参数确定模块：用于根据构建的非合作目标运动参数的滤波模型，利用UKF滤波算法确定非合作目标轨道参数；
输出模块：用于判断协同观测构型是否满足观测性条件，若满足，输出非合作目标轨道参数，若不满足，调整S2空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型，重复进行S3和S4直至满足可观测性条件，输出非合作目标轨道参数。
实施例：
在LVLH坐标系中，相对运动CW方程可以写成状态方程的形式，为
Figure BDA0004048140370000091
其中，
Figure BDA0004048140370000092
u＝[ax,ay,az]T。
Figure BDA0004048140370000093
Figure BDA0004048140370000094
进一步，对推力作用进行脉冲近似，将推力作用近似为N脉冲，假设在tj时刻施加了脉冲Δvj＝[Δvxj,Δvyj,Δvzj]T，则对于终端时刻tf，状态向量即脉冲推力下的控制模型为
Figure BDA0004048140370000101
如果起始时刻和终端时刻的状态都是给定的，则可对N脉冲问题进行求解：
Figure BDA0004048140370000102
本专利采用双脉冲机动方式，双脉冲机动的模型，即其解为
Figure BDA0004048140370000103
根据双脉冲机动模型，伴飞卫星机动可以根据图2所示步骤来设计。具体为：
a.计算观测矢量夹角；
b.通过判断夹角大小来判断可观测性的强弱。若夹角介于[0,20°]或[160°,180°]之间，以观测矢量夹角为主要考虑因素，选择合适的位置作为伴飞卫星机动的终端位置；
c.根据双脉冲机动模型，输入伴飞卫星的初始状态和终端状态；
d.计算得出两次脉冲机动的速度增量。
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和算例对本发明内容进一步说明。
协同探测方案分析(对应步骤1和步骤2)：
图3为协同观测编队示意图。图3为伴飞卫星相对于空间站做自然飞行，根据C-W方程的周期解，通过设置空间站和伴飞卫星之间的初始相对状态x0＝r1,y0＝r2,z0＝0,
Figure BDA0004048140370000104
即可得出这种编队构型。图4为伴飞卫星与空间站保持跟飞状态，通过设置空间站和伴飞卫星之间的初始相对状态x0＝0,y0＝r,z0＝0,
Figure BDA0004048140370000111
即可得出伴飞卫星与空间站相距为r的编队方案，伴飞卫星与空间站保持跟飞状态。
设置探测区域为LVLH坐标系中位于空间站y轴正前方r＝50km的半球。相机为圆锥视场且锥角θ＝30°，探测距离为[0,50]km，相机摆动角度约束为60°，相机摆动角速度取ωα＝0.5°/s,ωβ＝5°/s，采用上述相机姿态变化规律进行扫描观测。基于蒙特卡洛打靶法进行仿真，打靶次数取15000次。仿真流程如图5所示。
若只有空间站上的相机进行扫描观测，在探测区域内进行打靶，可观测到的样本数为9940，覆盖探测区域的概率为66.27％。
结合伴飞卫星的协同观测，分别采用编队方案1，即伴飞卫星相对于空间站做自然飞行，和编队方案2，即伴飞卫星与空间站保持跟飞状态，进行扫描观测，设置不同的初始相对状态，可以得到不同的编队构型，具体参数见表1。受相机观测距离和角度的约束，假设对安全区域的扫描覆盖率大于97％时满足任务需求，扫描统计结果如表2。从表2的数据可以得出，不同编队方案对安全区域的探测效果有一定差异，方案1和方案2虽然都可以完成对安全区域的覆盖式扫描，但所需要扫描时间各不相同。对比之下，方案2即伴飞卫星与空间站保持跟飞状态可以在更短的扫描时间内完成对安全区域的扫描，不过根据所设置伴飞卫星与空间站之间的距离，不同的距离也会有不同的探测效果，编队5即距离空间站为22.5km时探测效果最佳，在325s内可以达到97.2％的覆盖率。因此可以得出结论：若任务只需要满足对所设定探测区域的覆盖扫描，方案2即伴飞卫星与空间站保持跟飞状态为首选方案，其观测周期更短。
基于双视点协同观测的非合作目标轨道参数识别(对应步骤3和步骤4)：
仿真条件：空间站位于400km的圆轨道，采用编队5构型，即在LVLH坐标系中伴飞卫星位于空间站y轴前方22.5km，基于该编队轨迹设计，对目标进行多视点观测，观测采样间隔设定为2s。以相对位置、速度作为状态量X＝[rT,vT]，过程噪声即加速度误差设置为ω＝[0.01,0.01,0.01]Tm/s2，以目标航天器的高低角和方位角作为观测量，量测噪声设置为v＝[0.01°,0.01°,0.01°]T。利用UKF滤波算法对目标位置参数进行估计。
图6和图7为目标相对状态的滤波估计结果，图6展示了目标相对位置的真实值和估计值的对比结果，图7展示了目标相对速度的真实值和估计值对比结果，在经过一段时间的观测后，目标位置和速度参数可以实现收敛并保持稳定。图8和图9为相对状态估计误差，可以看到，在滤波实现稳定收敛后，相对位置参数的确定精度优于10m，相对速度的确定精度优于0.1m/s。
考虑若可观测性的伴飞卫星轨道机动设计(对应步骤5)：
图10为某一时刻可观测性较弱的观测构型，此时测量构型的分离角为0°，可观测性较弱。考虑到任务背景需要伴飞卫星进行快速机动，设置末端时刻tf＝100s。图11为伴飞卫星进行脉冲机动后得到新的观测构型。测量构型的分离角从0°变为34°，从而可以提高系统的可观测度。表3为伴飞卫星的初始状态和设置的期望末端状态。表4为解算出伴飞卫星施加脉冲的时刻和脉冲速度增量。
表1
Figure BDA0004048140370000121
表2
Figure BDA0004048140370000122
Figure BDA0004048140370000131
表3
Figure BDA0004048140370000132
表4
Figure BDA0004048140370000133
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：扫描观测空间站飞行前方的预警区域；
S2：根据预警区域设计空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型和相机姿态变化规律；
S3：根据空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型和相机姿态变化规律进行协同观测，获取非合作目标的测角信息，并构建非合作目标运动参数的滤波模型；
S4：根据构建的非合作目标运动参数的滤波模型，利用UKF滤波算法确定非合作目标轨道参数；
S5：判断协同观测编队构型是否满足观测性条件，若满足，输出非合作目标轨道参数，若不满足，调整S2空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型，重复进行S3和S4直至满足观测性条件，输出非合作目标轨道参数。
2.根据权利要求1所述的抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法，其特征在于，S1中预警区域选定为空间站运行前方的半球区域。
3.根据权利要求1所述的抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法，其特征在于，S2中空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型设计的具体方法为：空间站与伴飞卫星之间的相对运动规律近似满足C-W方程，对C-W方程解析，通过设计空间站和伴飞卫星之间的相对轨道信息，得到空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型。
4.根据权利要求1所述的抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法，其特征在于，S2中相机姿态变化规律为：
Figure FDA0004048140360000011
其中，γm和θm分别为相机视场中线的高低角和方位角，γ0和θ0为相机摆动范围的最大值，ω为相机摆动角速度，t为相机观测时间。
5.根据权利要求1所述的抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法，其特征在于，非合作目标的测角信息包括非合作目标的高低角和非合作目标的方位角。
6.根据权利要求1所述的抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法，其特征在于，非合作目标运动参数的滤波模型为：
Figure FDA0004048140360000021
vk为量测噪声，[xc,yc,zc]为非合作目标在主航天器相机观测坐标系下视场中的观测矢量，[xco,yco,zco]为非合作目标在伴飞航天器相机观测坐标系下视场中的观测矢量，γc为主航天器的高低角，θc为主航天器的方位角，γco为非合作目标的高低角，θco为非合作目标的方位角。
7.根据权利要求1所述的抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法，其特征在于，S4中的UKF滤波算法流程包括Sigma采样、估计和更新。
8.根据权利要求1所述的抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法，其特征在于，S5中，调整S2空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型和相机姿态变化规律时不考虑燃料消耗。
9.根据权利要求1所述的抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法，其特征在于，不满足观测性的条件为，观测矢量夹角为[0,20°]或[160°,180°]。
10.抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别系统，基于权利要求1-9任一项所述抵近空间站的非合作目标协同探测及参数识别方法，其特征在于，包括：
扫描模块：用于扫描观测空间站飞行前方的预警区域；
设计模块：用于根据预警区域设计空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型和相机姿态变化规律；
构建模块：用于根据空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型和相机姿态变化规律进行协同观测，获取非合作目标的测角信息，并构建非合作目标运动参数的滤波模型；
参数确定模块：用于根据构建的非合作目标运动参数的滤波模型，利用UKF滤波算法确定非合作目标轨道参数；
输出模块：用于判断协同观测构型是否满足观测性条件，若满足，输出非合作目标轨道参数，若不满足，调整空间站与伴飞卫星之间的协同观测编队构型，直至满足观测性条件，输出非合作目标轨道参数。
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CN116954075A (zh) * 2023-07-20 2023-10-27 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 非合作连续推力航天器推力参数辨识方法、系统和设备

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