[发明专利]一种基于卫星编队的非合作目标位置速度跟踪方法

说明书

本发明提供一种基于卫星编队的非合作目标位置速度跟踪方法。针对利用卫星编队平台的天基测角跟踪对非合作目标观测性较差、难以实时跟踪的问题，提出了一种结合双目视觉测量与扩展卡尔曼滤波(EKF)算法的天基非合作目标位置速度跟踪方法。该方法通过双星串行编队构成的长基线进行双目测量；针对双星编队的几何特点，对目标粗测值加以修正；最后以带J2摄动项的卫星动力学模型作为系统方程，以卫星轨道坐标系到地心惯性坐标系的转移矩阵作为观测方程，对目标的位置与速度更新估计。与现有技术相比，本发明测距系统功耗较低，计算开销小，且基线长度可调节，适用于对非合作目标的位置速度实时跟踪。

技术领域

本发明涉及一种非合作空间目标的位置速度跟踪方法，尤其是依靠卫星编队构成双目测量基线的目标跟踪方法。

背景技术

天基非合作目标跟踪是指基于卫星、航天飞机、空间站等天基平台，利用雷达、可见光、红外等多种探测技术手段对空间非合作目标进行精确探测和跟踪，以确定目标航天器的工作任务、尺寸、形状和轨道参数等重要目标特性，对目标特性进行归类和分发等，进而确定目标威胁度、警戒空间碰撞、提供安全告警信息。天基非合作目标跟踪系统是空间安全体系的基础，其能力制约着空间攻防对抗作战效能。根据探测方式的不同，可分为天基雷达跟踪与天基光电跟踪两种方式，前者以激光雷达、微波雷达为探测载荷，后者以可见光或红外敏感器作为探测载荷。另外，根据观测资料的不同，还可分为天基测角跟踪与天基测距跟踪两种方式。

利用卫星编队及星座作为观测平台是天基非合作目标跟踪的重点发展方向之一。卫星编队及星座具有小型化、成本较低、可靠性高等特点，近年来受到航空机构与企业的青睐。美国国家侦查局(NRO)开展的STARE计划(The Space-based Telescopes forActionable Refinement of Ephemeris，可操作精化星历表天基望远镜)是以3U立方星为载荷的纳卫星星座空间监视项目，其LEO目标定轨精度可达100m。美国洛马公司提出的GEO目标监视纳卫星星座系统由运行在GEO轨道以上500km处的多颗3U立方星组成，卫星前后侧分别配备18°宽视场可见光相机，可在不转动星体的条件下观测GEO轨道东西两侧的空间目标。

目前的研究与应用中，天基测角跟踪是天基非合作目标跟踪的主要方式。一方面，测角信息对地心位矢方向上位置与速度的观测性较差，本质上存在病态性；另一方面，受动力学和敏感器视野的限制，天基测角跟踪难以对空间目标进行实时跟踪，对于非合作目标，这些不利影响尤其显著。对此，本文提出一种利用测距资料的非合作目标跟踪方法，基于卫星编队平台，利用多个光学敏感器构成双目测量基线，解算得到目标的相对位置信息，进而跟踪非合作目标的位置与速度。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于卫星编队的非合作目标位置速度跟踪方法，克服了现有技术的不足，解决了利用卫星编队平台的天基测角跟踪对非合作目标观测性较差、难以实时跟踪的问题。

本发明的技术方案是，一种基于卫星编队的非合作目标位置速度跟踪方法，步骤如下：

1)以同轨串行卫星编队中的两颗成员星作为测量单元，为这两颗成员星设定目标星状态量初始值{X_L0、P_L0、Q_L0、R_L0}，与{X_R0、P_R0、Q_R0、R_R0}；L和R分别代表卫星行进方向上的前后两颗成员星；

2)利用两成员星携带的光学相机对目标成像，提取目标质心坐标

3)根据姿态敏感器测得的卫星本体姿态对目标质心坐标进行修正，得到{u_L、v_L}、{u_R、v_R}。