CN102353931A - 一种空间目标相对定位方法 - Google Patents

Abstract

一种空间目标相对定位方法，在轨航天器释放一颗携带可见光相机的微型卫星；通过微波测距法测量在轨航天器和微型卫星之间的距离；通过测向设备测量它们在彼此本体坐标系下的方位角和俯仰角；把它们构成双星观测系统，共同对空间目标进行观测；以双星的连线方向为X轴建立双星星间坐标系，Z轴在双星和地心构成的平面内且垂直于X轴并指向地心。计算卫星本体坐标系至双星星间坐标系的转换矩阵；通过坐标系转换计算目标在双星星间坐标系下的方位角和俯仰角；最后通过双星视线交叉计算得到空间目标的三维位置。本发明先计算双星之间的相对关系，建立双星星间坐标系，然后通过坐标转换，把在卫星本体坐标系测量到的方位角和俯仰角转至双星星间坐标系，最后通过双星视线交叉得到目标的精确位置，定位速度快，精度高，特别适用于确定航天器附近太空垃圾的实时定位。

Description

一种空间目标相对定位方法

技术领域

本发明涉及图像处理和模式识别领域中的空间目标定位。

背景技术

在图像处理和模式识别领域的目标识别技术中，空间目标定位是一个至关重要的环节，其定位的速度和精度直接影响到目标识别系统的性能。当前空间目标定位方法主要有单星对目标基于测角的无源定位、多星交叉定位等方法。这些方法主要存在的缺陷是：

1、单星无源定位的收敛时间长、定位精度低；

2、传统的多星交叉定位需要高精度的星址坐标，因此需要借助地面设备或天基导航设备确定多星的位置。

而考虑到在太空环境中，对太空垃圾的避障只需要知道它们与在轨航天器之间的相对距离和方向关系，而不需要知道他们的绝对坐标。

在实时空间目标识别系统中，对于目标定位速度和定位精度要求都很高，因此实时、高精度空间目标定位成为图像处理和模式识别领域中的研究热点。

发明内容

本发明要解决的技术问题时，提出一种空间目标定位方法，能够快速准确的定位在轨航天器附近的目标。

本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤1：在轨航天器释放一颗携带可见光相机的微型卫星；

步骤2：分别通过微波和测向设备测量它们之间的距离以及在彼此本体坐标系下的方位角和俯仰角；

步骤3：在轨航天器和微型卫星构成双星观测系统，共同对空间目标进行观测，获得目标在各自本体坐标系下的方位角和俯仰角；

步骤4：建立双星星间坐标系，并计算卫星本体坐标系至双星星间坐标系的旋转矩阵；

步骤5：计算目标在双星星间坐标系下的方位角和俯仰角；

步骤6：最后通过双星视线交叉计算得到空间目标的三维位置。

步骤1中携带可见光相机的微型卫星是从在轨航天器中释放出来的。

步骤2中测量在轨航天器和微型卫星在对方本体坐标系下的方位角和俯仰角有以下几个步骤：

步骤2-1通过图像处理，从背景图像中检测出目标，并测量其在相机焦平面上成像坐标；

步骤2-2计算目标相对视线单位矢量在相机测量坐标系中的投影坐标；

步骤2-3根据光电轴角编码器测量得到的相机光轴指向角，把目标相对视线单位矢量转至卫星本体坐标系，计算在轨航天器和微型卫星在对方本体坐标系下的方位角和俯仰角。

步骤4中的双星星间坐标系是以双星的质心为原心，双星连线并指向对方的方向为X轴，Z轴在双星和地心构成的平面内，垂直于X轴并指向地心，Y轴与X轴、Z轴构成右手坐标系。

步骤5中的目标在双星星间坐标系下的方位角和俯仰角，是把目标在双星本体坐标系下测量到的方位角和俯仰角，通过步骤4计算得到的旋转矩阵转至双星星间坐标系下而计算出来的。

最后通过双星交叉确定空间目标在卫星本体坐标系下的三维坐标。

本发明的优点在于：

1)从在轨航天器中释放一颗微型卫星，构成双星观测系统；

2)通过微波测量星间的距离，不用依赖地面设备或者天基导航设备实时测量双星的位置；

3)建立双星星间坐标系，通过坐标系转换计算得到空间目标在双星星间坐标系下的方位角和俯仰角。

附图说明

图1是本发明提出的空间目标相对定位方法的总体流程图。

图2是本发明中目标相对卫星在卫星本体坐标系的方位角和俯仰角计算流程。

图3是本发明提出的双星星间坐标系和卫星本体坐标系间的转换关系。

图4是本发明中空间目标在双星星间坐标系下的位置计算原理

具体实施方式

首先简单对本发明中用到的几种不同的坐标系和坐标系间转换作简单介绍：

(1)卫星本体坐标系

坐标原点位于测量卫星质心，z轴在卫星主对称面内指向地心，x轴在卫星主对称面内垂直于z轴并指向卫星运动方向，y轴垂直于主对称面构成右手坐标系。

(2)相机测量坐标系

坐标原点位于相机光学系统入瞳中心，x轴与相机光轴重合，z轴在相机主对称面内垂直于x轴并指向地心，y轴与x、z轴构成右手坐标系。

(3)焦平面坐标系

坐标原点在焦平面中心，y轴与相机测量坐标系中y轴重合，z轴与相机测量坐标系z轴重合。

(4)卫星本体坐标系至相机测量系的坐标转换

测量相机相对卫星问题的欧拉旋转次序为偏航-俯仰，欧拉角分别为

则卫星本体坐标系至测量坐标系的转移矩阵为

以下结合附图对本发明方法作进一步详细说明。

本发明流程如图1所示，其步骤描述如下：

步骤1：在轨航天器释放携带可见光相机的微型卫星。微型卫星的轨道和航天器轨道根数一样，这样使得它们之间的距离和相对姿态可以基本稳定。微型卫星携带了两台可见光相机，一台用于跟踪确定航天器的方向，另外一台用于跟踪确定空间目标的方向，两台相机都由双轴驱动机构驱动，用光电轴角编码器测量驱动机构的转角。

步骤2：航天器和微型卫星测量彼此之间的距离和对方在本体坐标系下的方位角和俯仰角。设微波测距测量到的星间距离为l_AB。方位角和俯仰角的测量流程如图2所示，其主要步骤如下：

步骤2-1通过图像处理，从背景图像中检测出目标，并测量其在相机焦平面上成像坐标；

步骤2-2根据相机光学焦距，计算得到目标相对视线单位矢量在相机测量坐标系中的投影坐标。

假设目标在相机焦平面上成像坐标为(y′，z′)，相机光学焦距为f，则目标相对视线单位矢量S°在相机测量坐标系中的投影坐标为

(x°，y°，z°)＝(f/l，-y′/l，-z′/l)(2)

其中l＝(f²+y′²+z′²)^1/2。

步骤2-3根据光电轴角编码器测量得到的相机光轴指向角，把目标相对视线单位矢量转至卫星本体坐标系，计算得到在轨航天器和微型卫星在对方本体坐标系下的方位角和俯仰角。

将S°投影到卫星本体坐标系则有

其中M_OB是卫星本体系至相机测量系的坐标变换矩阵；

相对视线在卫星本体坐标系下的方位角

俯仰角θ：

步骤3：测量目标的方位角和俯仰角的步骤与步骤2一样。

步骤4：建立双星星间坐标系，坐标系以双星的质心为原心，双星连线并指向对方的方向为X轴，Z轴在双星和地心构成的平面内，垂直于X轴并指向地心，Y轴与X轴、Z轴构成右手坐标系。它与和卫星本体坐标系之间的关系如附图3所示。把在轨航天器标记为A，微型卫星标记为B。Axyz为双星星间坐标系，Ax′y′z′为卫星本体坐标系，

和θ_BA分别为卫星B在A卫星本体坐标系下的方位角和俯仰角，从附图3可以看出，卫星本体坐标系和星间坐标系的坐标系原点重合，只是三个坐标轴的指向不同，可以通过两次旋转建立其间的转换关系，例如XAY平面绕Z轴转动θ_BA，使XAZ平面和X′AZ′重合，然后再把XAZ平面绕Y轴旋转则可使两个坐标系重合。其旋转矩阵为

${\mathrm{ROT}}_z\left[{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{BA}}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{BA}}& -\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{BA}}& 0\\ \sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{BA}}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{BA}}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(7\right)$

其中为B卫星在A卫星本体坐标系下的方位角，θ_BA为B卫星在A卫星本体坐标下的俯仰角，

为目标C在A卫星本体坐标系下的方位角，θ_CA为目标C在A卫星本体坐标系下的俯仰角。

步骤5：计算目标在双星星间坐标系下的方位角和俯仰角

设θ_CAB为空间目标C在以A星为原点的星间坐标系下的俯仰角，

为目标C在该坐标系下的方位角。θ_CBA为目标C在以B星为原点的星间坐标系下的俯仰角，

为目标C在以B星为该坐标系下的方位角。

设目标C在星间坐标系下的坐标为(x，y，z)^T，在卫星本体坐标系下的坐标为(x′，y′，z′)^T，A星和目标的距离为l_AC。则

则根据旋转矩阵可以得出

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=M_{\mathrm{AB}}\·\left(\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\end{array}\right)---\left(10\right)$

把公式(5)～(9)代入(10)即可求出θ_CAB和

同理可以求出θ_CBA和

步骤6：双星交叉定位，确定空间目标C在航天器本体坐标系下的位置。如附图5所示为双星交叉定位，根据三角函数可以求出航天器和目标C的距离l_AC为

在卫星A本体坐标系下，目标C的位置(x，y，z)为

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=l_{\mathrm{AC}}\·\stackrel{\→}{L}---\left(12\right)$

其中

为方向矢量，由方位角和俯仰角确定

Claims (5)

1.一种空间目标相对定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在轨航天器释放一颗携带可见光相机的微型卫星；

步骤2：分别通过微波和测向设备测量它们之间的距离以及在彼此本体坐标系下的方位角和俯仰角；

步骤3：它们构成双星观测系统，共同对空间目标进行观测，获得目标在各自本体坐标系下的方位角和俯仰角；

步骤4：建立双星星间坐标系，并计算卫星本体坐标系至双星星间坐标系的转换矩阵；

步骤5：通过坐标系转换计算目标在双星星间坐标系下的方位角和俯仰角；

步骤6：最后通过双星视线交叉计算得到空间目标的三维位置。

2.权利要求1所述的空间目标相对定位方法，其特征在于，所述步骤1中的携带可见光相机的微型卫星是从在轨航天器中释放出来的。

3.权利要求1所述的空间目标相对定位方法，其特征在于，所述步骤2中的计算在轨航天器和微型卫星在彼此本体坐标系下的方位角和俯仰角包括以下步骤：

步骤2-1通过图像处理，从背景图像中检测出目标，并测量其在相机焦平面上成像坐标；

步骤2-2根据相机光学焦距，计算得到目标相对视线单位矢量在相机测量坐标系中的投影坐标。

步骤2-3根据光电轴角编码器测量得到的相机光轴指向角，把目标相对视线单位矢量转至卫星本体坐标系，计算得到在轨航天器和微型卫星在对方本体坐标系下的方位角和俯仰角。

4.权利要求1所述的空间目标相对定位方法，其特征在于，所述步骤4中的双星星间坐标系的建立是以双星的质心为原心，双星连线并指向对方的方向为X轴，Z轴在双星和地心构成的平面内，垂直于X轴并指向地心，Y轴与X轴、Z轴构成右手坐标系。

5.权利要求1所述的空间目标相对定位方法，其特征在于，所述步骤5中的目标在双星星间坐标系下的方位角和俯仰角是把目标在双星本体坐标系下测量到的方位角和俯仰角通过旋转矩阵转至双星星间坐标系下计算出来的。

Images