本發(fā)明涉及一種基于多星協(xié)同的空間碎片運動狀態(tài)聯(lián)合確定方法，屬于航天控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著空間碎片數(shù)量的不斷增加，對在軌正常運行的航天器造成的威脅越來越大，對空間碎片實施主動清除已成為主要航天國家的共識。為了避免空間碎片級聯(lián)碰撞效應(yīng)，近地軌道的大型碎片(廢棄航天器/火箭體)是碎片清除的首要對象。為了對空間碎片進行捕獲和控制，需要采取精確有效的天基空間碎片觀測手段，掌握空間碎片的運動狀態(tài)信息。

采用觀測衛(wèi)星組網(wǎng)，構(gòu)成空間信息感知平臺，是進行空間碎片運動狀態(tài)確定的理想方式。觀測衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需要具備姿態(tài)軌道快速機動能力、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型構(gòu)建和保持控制能力、對非合作目標的跟蹤測量和狀態(tài)識別能力。觀測衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中可配置3－4顆觀測衛(wèi)星，在每個觀測衛(wèi)星上配置雙目立體視覺相對測量敏感器?？臻g碎片觀測任務(wù)以觀測衛(wèi)星編隊的快速逼近、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和繞飛觀測作為具體實施過程，觀測衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在接到任務(wù)指令后，首先進行軌道機動，運行到空間碎片一定范圍內(nèi)，直到相對測量敏感器可以捕獲目標；然后，圍繞空間碎片進行多星網(wǎng)絡(luò)快速構(gòu)建，在碎片附近進行繞飛，并通過協(xié)同姿態(tài)指向控制，使得各個觀測衛(wèi)星上的雙目立體視覺相對測量敏感器可以從不同方向指向空間碎片進行觀測；進而，通過多源測量信息融合和最優(yōu)狀態(tài)估計獲取空間碎片的運動狀態(tài)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對空間碎片捕獲和控制的信息獲取需求，為了解決單星觀測精度較低、特征點易受遮擋、觀測量不連續(xù)的問題，提出一種基于多星協(xié)同的空間碎片運動狀態(tài)聯(lián)合確定方法，通過增加觀測衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)目，通過信息融合改善相對位姿聯(lián)合確定系統(tǒng)的性能，達到精確估計空間碎片運動狀態(tài)的目的。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于多星協(xié)同的空間碎片運動狀態(tài)聯(lián)合確定方法，步驟如下：

(1)選擇主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對姿態(tài)四元數(shù)、空間碎片相對于慣性系的角速率、主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對位置矢量，以及主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對速度矢量作為狀態(tài)變量；

(2)采取多顆觀測衛(wèi)星組網(wǎng)的方式實施空間碎片觀測，利用多顆觀測衛(wèi)星上的雙目立體視覺相對測量敏感器，獲取空間碎片上的特征點位置矢量的觀測量；

(3)利用擴展卡爾曼濾波算法處理步驟(2)中得到的空間碎片上的特征點位置矢量觀測量，獲得狀態(tài)變量的估計值，即主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對姿態(tài)四元數(shù)、空間碎片相對于慣性系的角速率、主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對位置矢量，以及主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對速度矢量的估計值，從而實現(xiàn)基于多星協(xié)同的空間碎片運動狀態(tài)聯(lián)合確定。

所述步驟(1)中狀態(tài)變量為：

其中，qsf＝[qsf1qsf2qsf3qsf4]^t表示主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對姿態(tài)四元數(shù)，ωf＝[ωfxωfyωfz]^t表示空間碎片相對于慣性系的角速率，ρ＝[ρxρyρz]^t表示主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對位置矢量，表示主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對速度矢量；觀測衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的觀測衛(wèi)星數(shù)設(shè)為l個。

所述步驟(2)中空間碎片上的特征點位置矢量的觀測量為：

y＝h(x)+v

其中，y表示空間碎片上的特征點位置矢量的觀測量；h(x)表示觀測函數(shù)；a(qjs)表示從主觀測衛(wèi)星本體坐標系到觀測衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中第j顆觀測衛(wèi)星本體坐標系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，根據(jù)主觀測衛(wèi)星與第j顆觀測衛(wèi)星的相對姿態(tài)四元數(shù)qjs計算得到，下標j＝1,2,…,l，用于區(qū)分不同的觀測衛(wèi)星；a(qsf)表示從空間碎片本體坐標系到主觀測衛(wèi)星本體坐標系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，根據(jù)相對姿態(tài)四元數(shù)qsf計算得到；pinj表示第j個特征點在空間碎片本體坐標系中的位置矢量；表示從空間碎片軌道坐標系到主觀測衛(wèi)星本體坐標系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣；rjs表示主觀測衛(wèi)星與第j顆觀測衛(wèi)星的相對位置矢量，v表示測量噪聲。

所述步驟(3)中通過擴展卡爾曼濾波算法處理空間碎片上的特征點位置矢量觀測量，獲得狀態(tài)變量的估計值具體為：

其中，為tk-1時刻狀態(tài)變量的估計值，和分別為tk時刻狀態(tài)變量的估計值和預(yù)測值，為已知的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，t為濾波周期，k(tk)為濾波增益陣，y(tk)為tk時刻的觀測量。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

采用本發(fā)明方法，部署多顆觀測衛(wèi)星接近空間碎片，并在空間碎片周圍繞飛，構(gòu)成分布式觀測衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，在各個觀測衛(wèi)星上部署雙目立體視覺相對測量敏感器，協(xié)同實施立體觀測，通過多源測量信息融合，提升空間碎片運動狀態(tài)的估計精度。本發(fā)明所述方法有助于解決旋轉(zhuǎn)空間碎片上的特征點易受遮擋，導(dǎo)致敏感器觀測量不連續(xù)的問題；所設(shè)計的觀測方程中狀態(tài)變量選取與單星觀測時相同，并不增加狀態(tài)變量，為空間碎片運動狀態(tài)確定系統(tǒng)的性能提升提供了保障。相對現(xiàn)有的基于單星觀測的空間碎片運動狀態(tài)確定方法，本發(fā)明所述方法精度更高。此外，該方法計算量小，適合在軌應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明流程圖；

圖2為多星協(xié)同觀測示意圖；

圖3為觀測衛(wèi)星數(shù)目對相對姿態(tài)確定精度的影響曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行進一步的詳細描述。

本發(fā)明提出基于多星協(xié)同的空間碎片運動狀態(tài)聯(lián)合確定方法，如圖1所示，步驟如下：

(1)選擇主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對姿態(tài)四元數(shù)、空間碎片相對于慣性系的角速率、主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對位置矢量，以及主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對速度矢量作為狀態(tài)變量。狀態(tài)變量的數(shù)學(xué)表達式為：

其中，qsf＝[qsf1qsf2qsf3qsf4]^t表示主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對姿態(tài)四元數(shù)，ωf＝[ωfxωfyωfz]^t表示空間碎片相對于慣性系的角速率，ρ＝[ρxρyρz]^t表示主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對位置矢量，表示主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對速度矢量。

(2)采取多顆觀測衛(wèi)星組網(wǎng)的方式實施空間碎片觀測，利用多顆觀測衛(wèi)星上的雙目立體視覺相對測量敏感器獲取空間碎片上的特征點位置矢量的觀測量。觀測衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的觀測衛(wèi)星數(shù)設(shè)為l個。利用雙目立體視覺相對測量敏感器獲取空間碎片上的特征點位置矢量的技術(shù)比較成熟?？臻g碎片上的特征點位置矢量的觀測量為：

y＝h(x)+v

其中，y表示空間碎片上的特征點位置矢量的觀測量，h(x)表示觀測函數(shù)，a(qjs)(j＝1,2,…,l)表示從主觀測衛(wèi)星本體坐標系到觀測衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中第j顆觀測衛(wèi)星本體坐標系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，可根據(jù)主觀測衛(wèi)星與第j顆觀測衛(wèi)星的相對姿態(tài)四元數(shù)qjs＝[qjs1qjs2qjs3qjs4]^t計算得到，計算公式如下所示

下標j用于區(qū)分不同的觀測衛(wèi)星，a(qsf)表示從空間碎片本體坐標系到主觀測衛(wèi)星本體坐標系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，可根據(jù)相對姿態(tài)四元數(shù)qsf計算得到，計算公式如下所示

pimj表示第j個特征點在空間碎片本體坐標系中的位置矢量，表示從空間碎片軌道坐標系到主觀測衛(wèi)星本體坐標系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣,可根據(jù)已知的觀測衛(wèi)星運動狀態(tài)信息和相對位置估計值計算得到，rjs表示主觀測衛(wèi)星與第j顆觀測衛(wèi)星的相對位置矢量，可根據(jù)已知的觀測衛(wèi)星運動狀態(tài)信息計算得到,v表示測量噪聲。

(3)利用擴展卡爾曼濾波算法處理步驟(2)中得到的空間碎片上的特征點位置矢量觀測量，獲得狀態(tài)變量的估計值，即主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對姿態(tài)四元數(shù)、空間碎片相對于慣性系的角速率、主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對位置矢量，以及主觀測衛(wèi)星相對于空間碎片的相對速度矢量的估計值，從而實現(xiàn)基于多星協(xié)同的空間碎片運動狀態(tài)聯(lián)合確定。通過擴展卡爾曼濾波算法處理空間碎片上的特征點位置矢量觀測量，獲得狀態(tài)變量的估計值具體為：

其中，為tk-1時刻狀態(tài)變量的估計值，和分別為tk時刻狀態(tài)變量的估計值和預(yù)測值，為已知的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，可根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型和軌道動力學(xué)模型建立，t為濾波周期，k(tk)為濾波增益陣，y(tk)為tk時刻的觀測量。衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型可參考北京航空航天大學(xué)出版社1998年出版的由章仁為編著的《衛(wèi)星軌道姿態(tài)動力學(xué)與控制》一書，衛(wèi)星軌道動力學(xué)可參考南京大學(xué)出版社2006年出版的由劉林、胡松杰等編著的《航天動力學(xué)引論》一書，卡爾曼濾波算法的增益陣k(tk)的計算方法可參考西北工業(yè)大學(xué)出版社1998出版的由秦永元、張洪鉞、汪叔華編著的《卡爾曼濾波與組合導(dǎo)航原理》一書。

實施例

以由4顆觀測衛(wèi)星構(gòu)成的觀測衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為例，通過仿真實例驗證本發(fā)明所述方法的有效性，多星協(xié)同觀測示意圖如圖2所示。假設(shè)空間碎片運行在半長軸為7100km的近圓軌道上環(huán)繞地球運動，具有25°/s的姿態(tài)角速度，觀測衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在距離空間目標約100m的位置上自然繞飛，雙目立體視覺相對測量敏感器安裝在各個觀測衛(wèi)星上，其位置測量精度為0.05m，在空間碎片表面選取4個不共線的特征點進行觀測，特征點在空間碎片本體坐標系中的位置矢量如下：

pin1＝[100]^tm,pin2＝[111]^tm

pin3＝[010]^tm,pin4＝[-11-1]^tm

敏感器采樣頻率為10hz，仿真時間約為空間碎片的1個軌道周期。

仿真過程中，空間碎片和觀測衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的真實運動狀態(tài)數(shù)據(jù)通過高保真度衛(wèi)星軌道姿態(tài)仿真器產(chǎn)生，采用擴展卡爾曼濾波算法處理根據(jù)姿態(tài)軌道數(shù)據(jù)模擬產(chǎn)生的測量數(shù)據(jù)，估計空間碎片的相對姿態(tài)、慣性角速度、相對位置和相對速度。將濾波算法對狀態(tài)變量的估計值與真實狀態(tài)數(shù)據(jù)進行對比，計算濾波算法的估計誤差。

通過仿真分析了多星協(xié)同觀測對提高空間碎片運動狀態(tài)確定系統(tǒng)性能的積極效果。信息融合是以現(xiàn)有技術(shù)手段改善系統(tǒng)性能的有效方法，根據(jù)信息融合理論，融合多個敏感器的冗余測量信息，構(gòu)成組合系統(tǒng)，能夠有效消除測量噪聲的影響，取得超越單個子系統(tǒng)的估計精度。觀測衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的觀測衛(wèi)星數(shù)目分別為1個、2個、3個和4個時，空間碎片運動狀態(tài)確定系統(tǒng)的相對姿態(tài)估計誤差統(tǒng)計值如圖3所示。圖中縱坐標表示相對姿態(tài)估計誤差的大小，單位為°，橫坐標表示觀測衛(wèi)星數(shù)目，單位為個。根據(jù)圖3不難看出，如果增加用于空間碎片觀測的觀測衛(wèi)星數(shù)目，則空間碎片運動狀態(tài)確定系統(tǒng)性能有所改善。通過統(tǒng)計計算可知，采用基于4顆衛(wèi)星協(xié)同觀測的空間碎片運動狀態(tài)聯(lián)合確定方法，相對姿態(tài)估計精度優(yōu)于0.05°，系統(tǒng)性能優(yōu)于單星觀測的情況。

本發(fā)明所述方法能夠充分發(fā)揮多敏感器信息融合的作用，有效消除旋轉(zhuǎn)空間碎片上的特征點易受遮擋、導(dǎo)致敏感器觀測量不連續(xù)等因素對系統(tǒng)性能的不利影響，達到精確估計空間碎片運動狀態(tài)的目的，為實現(xiàn)空間碎片高精度運動狀態(tài)確定提供了一種理想解決方案。本發(fā)明的主要技術(shù)內(nèi)容可用于跨尺度、旋轉(zhuǎn)空間碎片的主動清除任務(wù)，并可推廣應(yīng)用于我國空間機動平臺、在軌維護等新型戰(zhàn)略系統(tǒng)的研制，能夠提高我國在空間攻防領(lǐng)域的技術(shù)水平。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。