[发明专利]一种光学测量高轨慢旋失稳目标的编队卫星相对消旋系统及方法

权利要求书

1.一种光学测量高轨慢旋失稳目标的编队卫星相对消旋系统，其特征在于：包括光学信息测量和处理模块、目标运动信息反演模块、编队卫星相对消旋模块、编队卫星及目标动力学模块；其中：

光学信息测量和处理模块，完成对高轨慢旋失稳目标的光学成像，并从序列图像中连续提取目标亮度、目标在图像的大小和位置信息，得到目标的亮度变化曲线、目标在像平面的位置坐标，并提供给目标运动信息反演模块；

目标运动信息反演模块，根据光学信息测量和处理模块得到的亮度变化曲线、目标在像平面的位置坐标，编队卫星及目标动力学模块输入的编队卫星间的相对距离，完成目标到编队卫星的相对距离实时解算、目标相对编队卫星的相对速度计算、目标在编队卫星光学载荷下的自旋信息统计反演及自适应加权计算，得到目标的自旋周期，并输出给编队卫星相对消旋模块；

编队卫星相对消旋模块，接收目标运动信息反演模块得到自旋周期，目标和编队卫星的相对距离、目标和编队卫星的相对速度，以及编队卫星相对消旋期望共振比，实时计算多脉冲控制数量，编队卫星的实际速度矢量和期望速度矢量，生成编队卫星相对消旋期望脉冲控制指令，输入编队卫星及目标相对动力学模块；

编队卫星及目标动力学模块，仿真执行相对消旋脉冲控制指令，并通过状态转移计算，实现编队卫星对目标的联合相对消旋运动，通过星间通信，实时测量和计算编队卫星间的相对距离，并输出给目标运动信息反演模块；

在整个共振周期内完成整个相对消旋任务。

2.根据权利要求1所述的光学测量高轨慢旋失稳目标的编队卫星相对消旋系统，其特征在于：所述目标运动信息反演模块具体实现如下：

(1)接收目标在图像的大小和位置信息，提取目标质心并计算目标质心在图像的位置信息，基于目标在编队各卫星的单帧成像图像的位置信息，结合编队卫星间的相对测距信息，完成目标到编队卫星的相对距离实时解算；

(2)接收目标在图像的大小和位置信息，提取目标质心并计算目标质心在图像的位置信息，基于目标在编队各卫星的多帧成像图像的方位变化信息，结合目标到编队卫星间的相对距离信息，完成目标相对编队卫星的相对速度计算；

(3)接收目标亮度信息，在连续观测一段时间后，利用编队各卫星在目标成像过程中提取的亮度变化曲线，利用自相关分析，各卫星反演目标自转周期，利用互相关分析，计算编队双卫星间的相关时延，并利用目标、编队双卫星的几何关系计算编队双卫星、目标之间的角度，解算出基于双卫星计算的目标自旋周期，结合各卫星与目标的相对距离，相关时延，通过目标在编队卫星光学载荷下的自旋信息统计反演及自适应加权计算，得到目标的自旋周期。

3.根据权利要求1所述的光学测量高轨慢旋失稳目标的编队卫星相对消旋系统，其特征在于：所述编队卫星相对消旋模块具体实现如下：

(1)接收目标到编队各卫星的相对距离信息，基于相对距离信息、编队卫星相对消旋期望共振比自适应确定多脉冲数量，接收目标运动信息反演模块输出的目标自旋周期，计算编队卫星相对于目标的期望速度信息；

(2)基于多脉冲数目及任务周期，确定多脉冲的时间间隔，并计算时间间隔内目标与编队卫星在本体坐标系下的相对速度矢量，并结合目标的期望速度矢量计算编队卫星相对消旋期望脉冲控制指令。

4.一种光学测量高轨慢旋失稳目标的编队卫星相对消旋方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)编队卫星首先对高轨慢旋失稳目标进行目标光学探测，获取目标的连续光学成像信息，并通过光学信息测量和处理提取目标亮度、目标在图像的大小和位置信息，得到目标的亮度变化曲线、目标像平面的位置坐标；目标亮度计算采用对目标分布的像平面内像元灰度累计积分，计算公式为：

light为目标的亮度值，Grey_pix每个相元的灰度值，Pix_num为目标所占相元数；

其中Hei为高低角，Azi为方位角，(x,y)为目标在像平面的位置坐标，θ_max为光学载荷视场角，x_max为载荷像平面横轴的最大尺寸；

(2)根据提取得到的亮度变化曲线、目标在像平面的位置坐标，编队卫星及目标动力学模块输入的编队卫星间的相对距离，完成目标到编队卫星的相对距离实时解算、目标相对编队卫星的相对速度计算、目标在编队卫星光学载荷下的自旋信息统计反演及自适应加权计算，得到目标的自旋周期；动态加权反演目标的自旋周期，基于编队卫星自相关分析反演目标的自旋周期和互相关分析获取的相关时延加权计算，自相关分析获取目标自旋周期取自相关函数的最大时延，即max(R(t₁,t₂))，基于单卫星的目标自旋周期计算公式T_1i＝abs(t_1i-t_2i)，i代表卫星1和卫星2，互相关函数获取目标自旋周期采用如下方法，当取max(R(t₁,t₂))时，设时延τ＝abs(t₁-t₂)，基于编队双卫星的自旋周期计算公式为其中θ为编队卫星与目标之间的相对角度；

最终反演出目标自旋周期为：

其中D₁,D₂为目标与编队卫星之间的相对距离；

(3)根据目标运动信息反演得到的自旋周期，目标和编队卫星的相对距离、目标和编队卫星的相对速度，以及编队卫星相对消旋期望共振比，动态确定相对消旋控制脉冲数量，之后应用等时间、等角度多脉冲状态转移方法，依次确定一个自旋周期内在编队卫星本体坐标系下的各速度脉冲增量值，通过脉冲指令的执行，完成整个目标相对消旋控制过程；

脉冲时间间隔确定公式为：

其中n为期望共振比，N为脉冲数量，T为目标自旋周期；

速度增量计算公式为：

其中分别为t₁时刻施加脉冲前后的速度，分别为t₂时刻施加脉冲前后的速度；

(4)基于计算的得到速度脉冲的增量值，依次执行相对消旋脉冲控制指令，并通过状态转移计算，实现编队卫星对目标的联合相对消旋运动，状态转移计算公式为：

其中Φ_vρ、Φ_ρρ、Φ_vv分别为状态转移矩阵，ρ₁和ρ₂分别为脉冲变轨时刻目标和编队卫星的相对距离矢量，通过星间通信，实时测量和计算编队卫星间的相对距离，并输出给目标运动信息反演模块进行下一周期的全过程运行控制。