基于星载光电成像跟踪测距的空间目标定轨

发布时间：2022-10-05 10:03 热度：

　　王卫兵*，王挺峰，郭劲

　　(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林长春130033)

　　摘要：以获得空间未知目标的轨迹运动信息为目的，研究了一种基于星载光电成像跟踪测距方式的空间目标定轨技术。该技术从测量学角度出发，利用星载光学测量系统获得目标的相对运动信息，利用角度传感测量系统获得卫星的姿态角变化和跟踪架的角随动信息，最后通过坐标变换解算出目标在地球惯性坐标系中的绝对运动信息。文中依次从物理模型、坐标体系、基本原理等方面对该项技术进行了描述和推导，获得了目标在地球坐标系下的状态方程和观测方程。最后，在对天基监视卫星轨道模型、星载光电跟踪控制模型、目标特性及光学成像测距模型进行分析后，建立了具体的数学模型，并对计算结果进行了分析讨论。得到的结果显示理想模型的目标轨迹测量精度优于0.5km。

　　关键词：天基监视;目标定轨;光电跟踪;光电成像;激光测距;建模仿真

　　中图分类号：V529文献标识码：A

　　doi：10.3788/OPE.20152302.0528

　　Abstract：Akindoforbitdeterminationtechnologyforaspacetargetbasedonsatelliteborneelectro-opticalimaging，trackingandrangingwasproposedtoobtaintheorbitmovementinformationofthespacetarget.Onthebasisofsurveying，therelativemovementinformationbetweensatelliteandtar-getwasobtainedbythesatelliteborneopticalmeasuringsystem，theangleflowinginformationofsat-elliteattitudeanglesandrotationanglesoftrackingframewascapturedbycorrespondinganglesen-sors，andtheabsolutemotioninformationofthespacetargetinanearthcoordinatesystemwascom-putedcompletelythroughaseriesofcoordinatetransformations.Thestateequationandmeasurementequationofthetargetinearthcoordinatesystemweregainedafterdescribingphysicalmodel，coordi-natesystemsandbasicprincipleinturn.Furthermore，amathematicsimulationwasresearchedafteranalyzingmanymodelsincludingspace-basedsurveillancesatelliteorbit，opto-electronictrackingandcontrol，targetcharacteristicsandopticalimagingandranging，andthecomputationresultsweredis-cussed.Theexperimentsshowthattheprecisionoforbitdeterminationisbetterthan0.5kmforidealmodels.

　　Keywords：space-basedsurveillance;orbitdeterminlectricalimaging;laserranging;modelin

　　1引言

　　与地基探测设备相比，天基探测设备具有不受地域、大气影响等特点，其不仅能在轨机动运行，而且还可探测深空目标。天基探测设备中有一种被称为具有空间态势感知革命性的“天基空间目标监视系统”(Space-basedSpaceSurveil-lanceSystem，SBSS)，SBSS对运动目标具有成像效果好(高性能光学载荷)、定轨精度高、监视能力强、处理速度快等优点。首颗SBSS卫星已于2010年发射，2014年将计划发射4颗SBSS卫星。另外，还有一种是从美国“星球大战计划”“弹道导弹防御系统”中的“国防支援计划”发展而来的“天基红外预警系统”，它由2颗高椭圆轨道卫星、4颗地球同步轨道卫星、24颗低椭圆轨道卫星构成，其数量与全球卫星定位系统相当，其中低轨部分又发展为“空间跟踪与监视系统”(SpaceTrackingandSurveillanceSystem，STSS)和“精确跟踪与监视系统”(PrecisionTrackingandSur-veillanceSystem，PTSS)。2颗STSS卫星已于2009年发射，首颗PTSS卫星计划于2014年发射。

　　2物理模型

　　基于星载光电成像跟踪测距方式的空间目标轨迹测量示意图如图1所示，该系统包括监视卫星、光电跟踪仪和激光测距3个子系统。监视卫星围绕地球做椭圆轨道运动，光学系统采用水平式两轴两框架光电跟踪仪结构(与SBSS卫星上U型地平式光电跟踪仪结构不同)，如图2所示。当目标出现在光学成像视场内，首先可通过图像处理和目标识别提取目标特征点，然后获知成像视轴与目标视线的角度，通过闭环控制系统驱动跟踪架转动。在一定条件下，还可通过控制卫星姿态角配合光电跟踪仪进行成像跟踪(光电跟踪仪系统工作范围受限)，以使成像视轴跟踪目标视线，最好使两者重合，这有利于激光测距设备正常工作。激光测距设备固定于光电跟踪仪上，激光测距设备的激光发射、回收方向与成像视轴指向平行。其光电跟踪精度越低(高)，发散角要求越大(小)，能量利用率越低(高)，作用距离越短(长)，激光功率要求越高(低)，致使测距设备性能要求越高(低)。

　　由于总体所涉及的相关技术繁杂，为了论述清晰，本文没有从微观上研究背景杂光干扰、卫星变轨调姿和跟踪架控制算法、电子测量噪声及卫星摄动力等物理问题，只从宏观上研究如何利用监视卫星搭载的光电跟踪仪测量系统获得空间目标运动轨迹。因此，复杂的物理模型可简化为：在满足光学系统正常工作能力内，通过光学相机脱靶量信息和激光测距信息，获得未知运动目标的相对运动信息，同时利用相关角度传感器所测量的卫星姿态角测量信息和跟踪架随动信息，然后通过坐标变换解算出目标在地球惯性坐标系下的运动信息。

　　3坐标体系

　　天基监视目标轨迹测量技术所用坐标系如图

　　1、图2所示，下面分别对11种坐标系进行描述：(1)地球惯性坐标系OiXiYiZi：其原点Oi位于地球中心，Xi轴指向春分点，Zi轴沿地球自转轴指向北极，XiYi平面在赤道面内，Xi轴、Yi轴、Zi轴构成右手直角坐标系。

　　4基本原理

　　4.1由卫星轨道根数计算卫星运动信息

　　依据开普勒定律可知卫星绕以地心为焦点的椭圆轨道运行。根据t时刻平近点角M计算椭圆轨道的偏近点角E和真近点角f，首先需通过迭代法解开普勒方程：

　　E=M+esinE，(1)

　　M=n(t-τ)，n=μ槡

　　a3，μ=GMe，(2)

　　tanf2=槡1+1-eetanE2，(3)

　　其中：τ为卫星经近地点时刻;μ为地球开普勒常数;G为万有引力常数;n为卫星平均角速率;Me为地球质量。

　　5数学建模仿真及结果分析

　　5.1物理模型分析

　　(1)天基监视卫星轨道模型：

　　由于太阳同步轨道的特殊性，地球资源、气象观测、军事侦察、海洋监测、空间环境探测和科学技术试验等卫星均在此轨道上工作。因此，本文建立了太阳同步轨道附近天基目标轨迹测量模型，假设监视卫星运行轨道不受任何控制力和摄动力(忽略跟踪架的电机转动力矩影响)，地球为质量均匀的圆球。

　　6结论

　　本文以天基空间目标监视系统为背景，研究了一种基于星载光电成像跟踪测距方式的空间目标定轨技术。与地基定轨技术相比，其作用能力更强;与雷达定轨技术相比，其可以高分辨率成像;与卫星导航定位技术相比，其可以测量非合作目标的运动信息。文中简要描述了物理模型;然后对坐标体系和系统基本原理进行了详细描述推导，获得了目标在地球坐标系下的状态方程和观测方程;接着分析了天基监视卫星轨道模型、星载光电跟踪控制模型、目标特性及光学成像测距模型，并建立了具体的数学模型;最后对计算结果进行了分析讨论。结果显示针对理想模型的目标轨迹测量精度优于0.5km。另外，系统模型具体化、双星双目载荷、多星组网、天地基组网等技术还有待于进一步研究。