空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置和方法

本发明涉及空间目标光学探测领域，尤其涉及一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置和方法。

背景技术：

1、随着航天技术的发展，全球每年发射的卫星数量逐渐增加，随之而来的是越来越多的空间碎片，这些空间碎片可能会与现役卫星发生碰撞，严重威胁空间安全，并可能造成巨大损失，因此对目标卫星定位定轨具有重大意义。

2、部分国家为了保障空间安全，已开展包括双星测角定位、天地联合空间目标探测系统、spacex公司星链计划等研究。各国已开展的研究主要包括对空间目标的探测以及定位，以保障空间安全，应对在空间范围与别国的冲突。空间目标包括：人造航天器、空间碎片和小行星。如今，主要有三种空间目标探测方式，即天基探测、地基探测以及天地联合探测。地基探测中的雷达等光电探测器虽然技术较为成熟、造价低，天基探测相较于地基探测具有不受天气影响、灵活性高等优势，在多数场景天基探测为主流探测方式。但其现有基于天基探测的空间目标探测方法存在目标信息获取有限、单端探测设备探测精度低的问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有基于天基探测的空间目标探测方法存在目标信息获取有限、单端探测设备探测精度低的问题，提出一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置，所述方案具体为：

2、一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置，所述装置包括：

3、目标观测子系统、轨迹拟合子系统、望远子系统和机械控制子系统；

4、所述望远子系统包括卡塞格林望远镜，所述卡塞格林望远镜用于接收目标的光信号；

5、所述机械控制子系统包括编码器单元、计算机单元、二维转台；

6、所述编码器单元用于获取目标脱靶量；

7、所述计算机单元用于控制二维转台和轨迹拟合子系统实现轨迹拟合；

8、所述的目标观测子系统、望远子系统设置在二维转台上；

9、所述轨迹拟合子系统设置在计算机单元上；

10、所述机械控制子系统安装在光学平台上。

11、进一步的，还提出一种优选方式，所述目标观测子系统包括可见光光学成像单元、测距激光发射/ 接收单元和分光镜；

12、所述卡塞格林望远镜与分光镜、测距激光发射/接收单元光轴平行直线串联排列；

13、所述测距光发射/接收单元设置在分光镜的透射方向；

14、所述可见光光学成像单元用于目标成像，获得目标二维位置信息；

15、所述测距激光发射/接收单元用于对目标测距，获得目标测距值；

16、所述分光镜用于将可见光与测距激光分束。

17、进一步的，还提出一种优选方式，所述轨迹拟合子系统包括坐标转换单元、轨迹拟合单元和信息处理单元；

18、所述坐标转换单元用于将测距激光发射/接收单元获得的目标测距值和可见光光学成像单元获得的目标二维位置信息进行坐标转换；

19、所述轨迹拟合单元用于将所坐标转换后的数据拟合为目标轨迹；

20、所述信息处理单元用于将所述目标轨迹进行保存、整理。

21、基于同一发明构思，本发明还提出一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨方法，所述方法是基于上述任一项所述的定轨装置实现的，所述方法包括：

22、s1：测距激光发射/接收单元发射测距激光，激光通过分光镜、卡塞格林望远镜射出；

23、s2：调动卡塞格林望远镜对准目标并接收测距激光回波；

24、s3：通过分光镜将激光传输到测距激光发射/接收单元中进行测距，获得目标测距值；

25、s4：可见光成像单元采集分光镜中可见光分束，对目标进行成像，获取目标二维位置信息；

26、s5：坐标转换单元根据目标测距值和可见光光学成像单元采集到的目标二维位置信息进行坐标变换，获取世界坐标系坐标；

27、s6：将世界坐标系上的坐标点通过轨迹拟合子系统进行拟合；

28、s7：编码器单元输出脱靶量至计算机单元，所述计算机单元根据脱靶量跟踪目标，使目标保持在图像中心，并记录脱靶量，在坐标转换时进行修正。

29、进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤s4包括：

30、分光镜将1064nm激光传输到测距激光发射/接收单元中进行测距，获得目标测距值；

31、通过分光镜将380nm-780nm的可见光分束至可见光光学成像单元中，对目标进行成像探测，获得目标图像信息，进而获得目标在图像上的脱靶量；

32、记录此时目标点的脱靶量，获得目标二维位置信息。

33、进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤s6包括：

34、将世界坐标系上的坐标点通过最小二乘法拟合，将采集到的分段点迹或目标轨迹完善并进行拟合拼接。

35、进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤s7包括：

36、通过编码器单元检测光学成像单元获得的目标在图像中相对于图像中心的距离，若所探测目标不在图像中心，目标在图像中的位置与图像中心的距离成为脱靶量；

37、编码器单元将所测得脱靶量传输到计算机单元，并控制二维转台转动并带动测距激光发射/接收单元、卡塞格林望远镜、可见光光学成像单元，使卡塞格林望远镜对准目标，可见光光学成像单元所成图像目标位置与图像中心脱靶量无限趋近于0，确保目标保持在图像中心。

38、进一步的，还提出一种优选方式，所述测距激光发射/接收单元包括10v~15vdc的nd:yag激光器和激光测距单元。

39、进一步的，还提出一种优选方式，所述可见光光学成像单元为分辨率为1920*1080的可见光光学相机。

40、进一步的，还提出一种优选方式，所述方法还包括精度补偿，具体为：若当前目标探测精度不足以达到要求，则调用其他的可见光光学成像单元与测距激光发射/ 接收单元进行观测，按照上述步骤s1至步骤s7开始对目标进行光学成像与脉冲激光测距，获得目标的二维位置信息与距离信息。

41、本发明的有益之处在于：

42、本发明解决了现有基于天基探测的空间目标探测方法存在目标信息获取有限、单端探测设备探测精度低的问题。

43、本发明所提供的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置与方法同时具有激光测距与光学成像功能，采用本发明所设计的定位定轨装置的成像与测距功能结合本发明所述的轨迹拟合以及坐标转换方法实现对目标的精准定位和接力探测。激光测距应用脉冲激光测距距离远、精度高的特点；光学成像系统能够实现侦察探测的目的，具有对目标稳定跟踪成像的优点；此外，在空间碎片众多的今天，本发明能够有效探测各种空间碎片，不仅能够协助我国卫星规避空间碎片的碰撞威胁；也能准确探测别国卫星，有效保障我国卫星不被别国卫星抓捕，保障我国卫星资产安全。本发明一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置将光学成像和激光测距集成到一个系统，极大节省本就宝贵的卫星、飞机载荷，能够搭载到卫星、飞机、车船等多种平台，可广泛的应用于各个探测领域，完成多种任务。

44、本发明使用通过多种获取信息的方式获取目标信息的多模态探测，多模态探测相较于单一模态具有更高的精度，使用可见光成像获取目标二维位置信息，同时使用空间脉冲激光测距可获取目标另一维度位置信息，将此二者信息融合后即可获得目标精确三维位置信息。

45、本发明可通过多探测设备接力探测以实现更高精度探测，并将多设备探测数据拟合以获得目标精确位置信息，相较于单一设备探测，精度更高，并在坐标转换时自修正当前脱靶量，使脱靶量导致的误差进一步减小，有利于拟合时获取更准确的目标轨迹。

46、本发明采用坐标转换实现接力探测，在目标探测时通过坐标转换实现观测设备的更改，具体原理为：将当前测距激光发射/接收单元所观测到的目标位置信息变换到世界坐标系，获得目标前段位置信息，假设随后该可见光光学成像单元无法对目标成像，并且第二个可见光光学成像单元与测距激光发射/ 接收单元刚好可以观测到目标，则调用第二个可见光光学成像单元与测距激光发射/ 接收单元将观测到的目标位置信息转换到世界坐标系，并将轨迹拼接，得到完整目标轨迹。

47、本发明所述的装置采用多模态信息融合的方法，可以同时利用目标的光信号，通过望远子系统获取更多的目标信息，提高探测的准确性和可靠性。通过轨迹拟合子系统，该装置能够对目标进行高精度的定位和定轨，使得对空间目标的监测和跟踪更加准确。采用机械控制子系统，通过编码器单元获取目标脱靶量，再由计算机单元控制二维转台和轨迹拟合子系统，实现对目标的跟踪，提高了系统的灵活性和控制精度。目标观测子系统、望远子系统、轨迹拟合子系统和机械控制子系统相互配合，整体集成度高，有助于提高系统的工作效率和性能。

48、本发明应用于卫星探测领域。