一种基于测角和测距信息的空间目标高精度在轨定位方法与流程

本发明涉及一种基于测角和测距信息的空间目标高精度在轨定位方法，属于空间在轨定位技术领域。

背景技术：

自从了解到数量众多的空间碎片的危害性之后，人们一直在努力探明空间碎片的数量和分布情况。这就要求知道空间碎片在轨道上的位置及变化，确定空间碎片的运行轨道，空间碎片在空间的分布是极不均匀的，且很难被全程跟踪，如何精确获取空间碎片的轨道参数一直是一个难题。可以通过地基雷达或光学望远镜的观测空间碎片，并对观测数据解算获取空间碎片的位置信息，但更多的空间碎片很难被地面设施跟踪。

天基空间碎片监测多通过卫星装载可见光学相机进行监测和跟踪，在通过处理光学观测数据得到空间碎片的位置信息。与地基观测不同，天基监测受光学相机性能、卫星平台轨道周期以及系统工作模式制约，单次测量任务内对空间碎片可能仅获得数十秒至数分钟的观测时间，相对碎片轨道周期属于短弧测量。单个观测时间的短弧测量所能反映的空间碎片运动特性或轨道特征有限，难以提取测量二阶导或弧段曲率等高阶信息，无法有效处理出空间碎片的位置信息。同时，空间碎片在轨运动中除受地球中心引力作用外还将受到多种摄动力因素的影响，在高精度定位中需要根据需要对摄动力进行取舍。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题为：克服空间碎片难以被地基监测系统发现和在轨短弧定轨精度不高的难题，提供一种基于测角和测距信息的空间目标高精度在轨定位方法，能够通过可见光相机拍摄空间碎片的图像，同时通过微波测距载荷获得空间碎片的距离信息，在通过光学识别算法提取出空间碎片相对卫星的角度信息，并通过雷达脉冲测距模型得到空间碎片相对卫星的距离信息，根据空间碎片相对卫星的角度信息和距离信息，通过常规数据融合模型可以得到空间碎片高精度的定位结果。

本发明解决的技术方案为：一种基于测角和测距信息的空间目标高精度在轨定位方法，步骤如下：

1)卫星携带的可见光相机连续多帧拍摄空间；

2)对步骤1)拍摄的空间进行信息提取，根据提取的信息，得到空间中空间目标相对观测卫星的角度信息；

3)从空间目标中剔除小行星、微流星和人造卫星，得到的空间碎片相对观测卫星的角度信息；

4)根据步骤3)得到的空间碎片相对观测卫星的角度信息，引导星载微波雷达发射脉冲指向空间碎片，得到空间碎片相对观测卫星的距离信息(测距信息)；

5)根据步骤4)得到的空间碎片相对观测卫星的距离信息，结合步骤(3)的空间碎片相对观测卫星的角度信息，得到目标碎片惯性系下的位置信息；

6)重复步骤1)-5)，得到目标碎片惯性系下的多次位置信息；

7)根据步骤6)得到的目标碎片惯性系下的多次位置信息，对空间碎片进行精确定位，得到定位结果；

8)将步骤7)得到的定位结果存储和下传。

可见光相机，具体要求为：可见光相机使用高动态范围的面阵成像传感器。

根据步骤3)得到的空间碎片相对观测卫星的角度信息，引导星载微波雷达发射脉冲指向空间碎片，得到空间碎片相对观测卫星的距离信息，具体如下：

星载微波雷达，接收步骤3)的角度信息，将自身的相控阵天线的波束快速指向该空间碎片位置区域，雷达上的相控阵天线接收从碎片表面反射回来的回波信号，实现对空间碎片的距离测量。

步骤(1)的空间目标，包括：空间碎片、小行星、微流星和人造卫星。

步骤1)观测卫星携带的可见光相机连续多帧拍摄空间目标，具体如下：光学相机短曝光连续多帧拍摄空间目标。

步骤1)拍摄的多帧图像中的恒星星点保持不动

步骤3)得到的空间碎片相对观测卫星的角度信息，为测角信息。

步骤4)的空间碎片相对观测卫星的距离信息，为测距信息。

步骤2)对步骤1)拍摄的空间目标进行信息提取，根据提取的信息，得到宇宙空间中空间目标相对观测卫星的角度信息，具体如下：步骤1)拍摄的多帧图像中的恒星星点保持不动，空间目标在多帧图像中呈离散连续的短弧，通过目标位置特性将恒星与空间目标进行区分和识别，再通过拟合算法得到空间目标的运动轨迹，结合轨迹起始点监测观测卫星自身的轨道信息，计算出空间目标相对观测卫星的角度信息。

步骤6)重复步骤1)-5)，得到空间碎片惯性系下的多次位置信息，具体如下：多次重复步骤1)-5)，多次观测空间碎片，并通过测角和测距方法得到空间碎片惯性系下的位置信息。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明可以在天基数十秒至数分钟的观测时间内，实现空间目标的高精度定位。

(2)本发明中，采用多帧模式对空间碎片探测识别，提取角度信息；采用微波雷达测距定位技术，通过雷达天线定向主动辐射电磁波，并接收目标反射回来的电磁波并提取有效信息，利用它们之间的时间差，可以测得卫星和空间目标之间的几何距离；从根本上避开了空间碎片监测中短弧段定位的缺陷，对所有能稳定编目的空间碎片定位精度达到500m～200m，远高于传统定位方法3km级的精度。

(3)本发明的空间碎片高精度在轨定位方法，能够减少卫星在轨跟踪空间碎片的弧段，在较短的跟踪时间内通过测量得到的角度信息和距离信息结合便于软件化的计算方法，实现对空间碎片的高精度定位，是一种能够广泛应用到在轨空间碎片监测中的方法。

(4)本发明所涉及的各个步骤，可由卫星星上软件执行和完成；该软件可以是在现有技术的软件基础上增加本发明步骤构成的，也可以是新研软件。

附图说明

图1是光学测角和微波测距各模块组合成本发明系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明一种基于测角和测距信息的空间目标高精度在轨定位方法，通过可见光相机拍摄空间碎片的图像，同时通过微波测距载荷获得空间碎片的距离信息，在通过光学识别算法提取出空间碎片相对卫星的角度信息，并通过雷达脉冲测距模型得到空间碎片相对卫星的距离信息。已知空间碎片相对卫星的角度信息和距离信息，通过数据融合模型可以得到空间碎片高精度的定位结果。能够减少卫星在轨跟踪空间碎片的弧段，在较短的跟踪时间内通过测量得到的角度信息和距离信息结合便于软件化的计算方法，实现对空间碎片的高精度定位，本发明可以在天基数十秒至数分钟的观测时间内，实现空间目标的高精度定位。

本发明提供一种基于测角和测距信息的空间碎片高精度在轨定位方法，能够在获得空间碎片相对观测卫星的角度信息和距离信息的情况下，实现空间碎片在轨高精度定位，是一种利于工程化的空间碎片在轨定位方法。该方法可以使观测卫星在轨观测空间碎片的短短数十秒至数分钟的观测时间内，实现对空间碎片的高精度定位，突破了原有观测卫星单次观测任务内难以有效解算空间碎片位置信息的难题，使用该方法的观测卫星的系统规模将显著减小，更利用在工程上推广和使用。

本发明一种基于测角和测距信息的空间目标高精度在轨定位方法，步骤如下：

1)卫星携带的可见光相机连续多帧拍摄空间；

2)对步骤1)拍摄的空间进行信息提取，根据提取的信息，得到空间中空间目标相对观测卫星的角度信息；

3)从空间目标中剔除小行星、微流星和人造卫星，得到的空间碎片相对观测卫星的角度信息；

4)根据步骤3)得到的空间碎片相对观测卫星的角度信息，引导星载微波雷达发射脉冲指向空间碎片，得到空间碎片相对观测卫星的距离信息(测距信息)；

5)根据步骤4)得到的空间碎片相对观测卫星的距离信息，结合步骤(3)的空间碎片相对观测卫星的角度信息，得到目标碎片惯性系下的位置信息；

6)重复步骤1)-5)，得到目标碎片惯性系下的多次位置信息；

7)根据步骤6)得到的目标碎片惯性系下的多次位置信息，对空间碎片进行精确定位，得到定位结果；

8)将步骤7)得到的定位结果存储和下传。

可见光相机，优选方案为：可见光相机使用高动态范围的面阵成像传感器，相机成像时短曝光连续多帧(超过1s2帧)拍摄空间目标，恒星与被探测的空间目标均呈点源图像，恒星在多帧图像中的星点相对不动，空间目标在多帧图像中的星点移动。

星载微波雷达，优选方案为：星载微波雷达接收步骤三的角度信息，将自身的相控阵天线的波束(电扫)快速指向该空间碎片位置区域，相控阵天线接收从碎片表面反射回来的回波信号实现对空间碎片的距离测量。

步骤(1)的空间目标优选包括：空间碎片、小行星、微流星和人造卫星。

步骤1)观测卫星携带的可见光相机连续多帧拍摄空间目标，优选方案如下：光学相机短曝光，恒星与探测碎片目标均呈点源图像，恒星在多帧图像中的星点相对不动，空间碎片在多帧图像中的星点移动，将多帧图像全部存贮在观测卫星存储器中。

步骤2)对步骤1)拍摄的空间目标进行信息提取，根据提取的信息，得到宇宙空间中空间目标相对观测卫星的角度信息，优选方案如下：步骤1)拍摄的多帧图像中的恒星星点保持不动，空间目标在多帧图像中呈离散连续的短弧，通过目标位置特性将恒星与空间目标进行区分和识别，再通过拟合算法得到空间目标的运动轨迹，结合轨迹起始点监测观测卫星自身的轨道信息，计算出空间目标相对观测卫星的角度信息。

步骤3)得到的空间碎片相对观测卫星的角度信息，为测角信息。步骤4)的空间碎片相对观测卫星的距离信息，为测距信息。

步骤3)从空间目标中剔除小行星、微流星和人造卫星，得到的空间碎片相对卫星的角度信息，优选方案如下：步骤2)中计算的角度信息，结合观测卫星自身的轨道信息，可以推算被观测空间目标的轨道信息，其轨道信息明显不符合绕地球运动航天器轨道特征的为小行星和微流星，可以剔除该观测数据；而人造卫星的轨道信息，时刻被观测，可通过相关机构或网站查询，与之类似的被观测空间目标先关数据也可以剔除。通过对空间目标的星空背景成像，将恒星、小行星、微流星等天然天体和人造卫星等剔除，便于提高下一步微波探测的效率和更好的对空间碎片定位。

步骤4)根据步骤3)得到的空间碎片相对观测卫星的角度信息，引导星载微波雷达发射脉冲指向空间碎片，得到空间碎片相对观测卫星的距离信息，优选方案如下：将步骤(3)确定的空间碎片相对观测卫星的角度信息传给微波雷达，微波雷达用自己的相控阵天线的波束(电扫)快速指向该碎片位置区域，接收从碎片表面反射回来的回波信号，微波雷达基于多普勒原理实现对空间碎片相对观测卫星距离的测量。

步骤5)根据步骤4)得到的空间碎片相对观测卫星的距离信息，结合步骤(3)的空间碎片相对观测卫星的角度信息，得到目标碎片惯性系下的位置信息，优选方案如下：

通过步骤(4)得到空间碎片相对观测卫星的距离信息，结合步骤(3)得到空间碎片的角度信息，在利用观测卫星的姿态和轨道信息，可以得到空间碎片惯性系下的位置信息，再将该信息通过滤波方程计算可以得出空间碎片的绝对位置信息，并将处理结果存储在星上。

步骤6)重复步骤1)-5)，得到空间碎片惯性系下的多次位置信息，优选方案如下：多次重复步骤1)-5)，多次观测空间碎片，并通过测角和测距方法得到空间碎片惯性系下的位置信息。

步骤7)根据步骤6)得到的空间碎片惯性系下的多次位置信息，对空间碎片进行精确定位，优选方案如下：对步骤6)得到的空间碎片惯性系下多次位置信息，先去除偏离中心值的极大值和极小值，在对剩余数据通过平均值方法得到最为准确的空间碎片位置信息。

步骤8)将步骤7)得到的定位结果存储和下传，优选方案如下：将步骤7)得到的位置信息存储在观测卫星的星上存储器中，待观测卫星对地传输数据时将位置信息传输到地面。

本发明的一种基于测角和测距信息的空间目标高精度在轨定位方法的优选方案，如图1所示，按照以下步骤依次进行：

1)卫星携带的可见光相机连续多帧拍摄空间目标；其中，可见光相机使用高动态范围的面阵成像传感器，相机成像时短曝光连续多帧(优选超过1s2帧)拍摄空间目标，恒星与被探测的空间目标均呈点源图像，恒星在多帧图像中的星点相对不动，空间目标在多帧图像中的星点移动。

2)对步骤1)拍摄的空间目标进行信息提取，根据提取的信息，得到空间中空间目标相对观测卫星的角度信息；(空间目标，包括：空间碎片、小行星、微流星和人造卫星)，具体为：对步骤1)拍摄的空间目标进行信息提取，根据提取的信息，得到宇宙空间中空间目标相对观测卫星的角度信息，步骤1)拍摄的多帧图像中的恒星星点保持不动，空间目标在多帧图像中呈离散连续的短弧，通过目标位置特性将恒星与空间目标进行区分和识别，再通过拟合算法得到空间目标的运动轨迹，结合轨迹起始点监测观测卫星自身的轨道信息，计算出空间目标相对观测卫星的角度信息。

3)从空间目标中剔除小行星、微流星和人造卫星，得到的空间碎片相对观测卫星的角度信息(测角信息)，具体为：

步骤2)中计算的角度信息，结合观测卫星自身的轨道信息，可以推算被观测空间目标的轨道信息，其轨道信息明显不符合绕地球运动航天器轨道特征的为小行星和微流星，可以剔除该观测数据；而人造卫星的轨道信息，时刻被观测，可通过相关机构或网站查询，与之类似的被观测空间目标先关数据也可以剔除。通过对空间目标的星空背景成像，将恒星、小行星、微流星等天然天体和人造卫星等剔除，便于提高下一步微波探测的效率和更好的对空间碎片定位。

4)根据步骤3)得到的空间碎片相对观测卫星的角度信息，引导星载微波雷达发射脉冲指向空间碎片，得到空间碎片相对观测卫星的距离信息(测距信息)；具体为：将步骤(3)确定的空间碎片相对观测卫星的角度信息传给微波雷达，星载微波雷达用自己的相控阵天线的波束(电扫)快速指向该空间碎片碎片位置区域，相控阵天线接收从碎片表面反射回来的回波信号，微波雷达基于多普勒原理实现对空间碎片相对观测卫星距离的测量。

5)根据步骤4)得到的空间碎片相对观测卫星的距离信息，结合步骤(3)的空间碎片相对观测卫星的角度信息，得到目标碎片惯性系下的位置信息；具体为：通过步骤(4)得到空间碎片相对观测卫星的距离信息，结合步骤(3)得到空间碎片的角度信息，在利用观测卫星的姿态和轨道信息，可以得到空间碎片惯性系下的位置信息，再将该信息通过滤波方程计算可以得出空间碎片的绝对位置信息，并将处理结果存储在星上。

6)重复步骤1)-5)，得到目标碎片惯性系下的多次位置信息，具体为：

多次重复步骤1)-5)，多次观测空间碎片，并通过测角和测距方法得到空间碎片惯性系下的位置信息。

7)根据步骤6)得到的目标碎片惯性系下的多次位置信息，对空间碎片进行精确定位，具体为：对步骤6)得到的空间碎片惯性系下多次位置信息，先去除偏离中心值的极大值和极小值，在对剩余数据通过平均值方法得到最为准确的空间碎片位置信息。

8)将步骤7)得到的定位结果存储和下传，具体为：将步骤7)得到的位置信息存储在观测卫星的星上存储器中，待观测卫星对地传输数据时将位置信息传输到地面。

本发明克服空间碎片难以被地基监测系统发现和在轨短弧定轨精度不高的难题，提供一种基于测角和测距信息的空间目标高精度在轨定位方法，能够通过可见光相机拍摄空间碎片的图像，同时通过微波测距载荷获得空间碎片的距离信息，在通过识别算法提取出空间碎片相对卫星的角度信息，结合角度信息和距离信息得到空间碎片相对卫星的距离信息，根据空间碎片相对卫星的角度信息和距离信息，通过常规数据融合模型可以得到空间碎片高精度的定位结果。本发明可以在天基数十秒至数分钟的观测时间内，实现空间目标的高精度定位；本发明的空间碎片高精度在轨定位方法，能够减少卫星在轨跟踪空间碎片的弧段，在较短的跟踪时间内通过测量得到的角度信息和距离信息结合便于软件化的计算方法，实现对空间碎片的高精度定位，是一种能够广泛应用到在轨空间碎片监测中的方法。

本发明可以在天基数十秒至数分钟的观测时间内，实现空间目标的高精度定位，本发明采用多帧模式对空间碎片探测识别，提取角度信息；采用微波雷达测距定位技术，通过雷达天线定向主动辐射电磁波，并接收目标反射回来的电磁波并提取有效信息，利用它们之间的时间差，可以测得卫星和空间目标之间的几何距离；从根本上避开了空间碎片监测中短弧段定位的缺陷，对所有能稳定编目的空间碎片定位精度达到500m～200m，远高于传统定位方法3km级的精度。

本发明的空间碎片高精度在轨定位方法，能够减少卫星在轨跟踪空间碎片的弧段，在较短的跟踪时间内通过测量得到的角度信息和距离信息结合便于软件化的计算方法，实现对空间碎片的高精度定位，是一种能够广泛应用到在轨空间碎片监测中的方法。本发明所涉及的各个步骤，可由卫星星上逻辑执行和完成；该逻辑可以是在现有技术的逻辑基础上增加本发明步骤构成的，也可以是新研逻辑。

本发明避开了空间碎片监测中短弧段定位的缺陷，对所有能稳定编目的空间碎片定位精度达到500m～200m，远高于传统定位方法3km级的精度。