[发明专利]基于三点反射合作的卫星指向与姿态测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于测量测试领域中角度测量技术，主要涉及一种小卫星编队技术中，通过角度测量来间接获得待测小卫星相对于基准小卫星位置和距离的测量方法和装置。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展，小卫星编队飞行技术受到各国的高度重视。小卫星编队飞行是指一小卫星群以某一点为基准，保持一个特定形状，以相同的轨道周期绕地球飞行。编队飞行的各颗小卫星相互协同工作，共同承担信号处理、通信和有效载荷等任务。编队飞行的小卫星群不仅可以以较低的成本、较高的可靠性和生存能力替代单颗相同功能的传统大卫星，还可以突破传统大卫星的尺寸限制，扩展大卫星的应用领域和性能，包括对地观测、立体成像、精确定位、大气探测、天文观测和地球物理观测等，具有巨大的军用价值和民用价值。

虽然小卫星编队飞行技术具有广阔的应用前景，但却面临着超高技术难度的挑战。由于编队飞行的小卫星的优越性是通过高精度的星间基线测量与编队卫星队形的精确控制来实现的，并且对基线的测量精度要求达到厘米量级，甚至毫米量级，指向精度和姿态测量精度都要求达到角秒量级，因此，体现小卫星编队飞行的优越性，首先就要对编队小卫星状态进行高精度测量。

状态量包括每颗小卫星的飞行速度、高度和转动角度，状态量的测量又分为绝对状态测量和相对状态测量。同绝对状态测量相比，相对状态测量队实现小卫星编队自主飞行、队形保持与控制等具有更重要的意义，在众多相对状态量中，待测小卫星相对基准小卫星的位置，包括角度和距离，是保持卫星通信的基础。

在航天交会领域，如2008年1月，宇航学报第29卷第1号发表文章《基于双目视觉的航天器间相对位置和姿态的测量方法》，又如2010年3月，光学技术第36卷第2号发表《基于单目视觉的航天器间相对位姿测量算法》等文章，均广泛采用的一种方法是分别根据基准小卫星的姿态和待测小卫星的姿态，建立基准小卫星的三维坐标和待测小卫星的三维坐标，并且对待测小卫星三维坐标进行旋转和平移即可同基准小卫星三维坐标重合，并且旋转量和平移量可以通过矩阵运算得到。这种方法是为了解决航天交会领域中的对接技术而提出的，虽然可以精确测量待测小卫星相对于基准小卫星所处方向和姿态，但是这种方法的缺点是无法测量待测小卫星与基准小卫星之间的距离。

在激光测距领域，如中国专利公开号CN101349757A，公开日2009年1月21日，发明《有源协作式相位激光测距方法与装置》，公开了一种激光测距方法，该方法利用双光束单程协作测量模式，使测量系统回光能量的衰减形式为二次方衰减函数，因此可以在很大程度上增大系统回光能量及信噪比，适合远程测距。将这种方法应用到编队小卫星相对状态测量，可以精确获得两颗小卫星之间的距离，然而这种方法最大的缺点是无法测量待测小卫星相对基准小卫星的角度。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，设计了一种仅通过角度测量，即可同时获得待测小卫星相对于基准小卫星的指向与空间姿态的测量方法与装置。

本发明的目的是这样实现的：

基于三点反射合作的卫星指向与姿态测量方法，包括以下步骤：

a、第一时刻，激光器发射的激光束经分光棱镜透射，再由第一角锥棱镜、第二角锥棱镜、第三角锥棱镜反射后，沿原路返回，第二次经过分光棱镜反射后经望远镜成像，并由图像传感器采集，并将图像数据输送给计算机进行处理；通过数学运算，得到在不考虑望远镜放大率的情况下的第一角锥棱镜与第二角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离d₁和第二角锥棱镜与第三角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离d₂；

b、根据基准小卫星的轨道半径r₁、待测小卫星的轨道半径r₂、待测小卫星上第一角锥棱镜与第二角锥棱镜之间的距离l₁，利用第a步得到的第一角锥棱镜与第二角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离d₁，用计算式：