[发明专利]一种基于曲线坐标的无源探测非合作目标定轨方法

说明书

本发明公开了一种基于曲线坐标的无源探测非合作目标定轨方法，能够在不增加测量卫星平台，也不进行轨道机动辅助等高代价条件下，仅通过新算法的引入实现无源探测仅测角的非合作目标定轨。首先，在柱面坐标系下建立相对轨道运动动力学模型和无源探测仅测角模型，通过设计合适的非合作目标定轨性能指标模型并采用微分进化算法进行寻优获得最优的初始定轨解；然后，设计基于平方根容积卡尔曼滤波原理的非线性最优估计算法实现无源探测仅测角实时导航问题。

技术领域

本发明属于空间自主相对导航技术领域，具体涉及一种基于曲线坐标的无源探测非合作目标定轨方法。

背景技术

当前，空间里的失效卫星和空间碎片的数量正以指数速度增加，主动入侵威胁问题也日益凸显，现役卫星的轨道环境越来越复杂。故障卫星、已报废卫星、敌方卫星以及未知空间碎片等可统称为非合作目标，而确定这些非合作目标的位置就是进行一切在轨服务的前提。

对于需要对非合作目标进行交会对接、抓捕操作的中小型快速响应卫星来说，微波雷达、激光雷达等系统因为系统复杂、造价昂贵、能耗大等缺点难以在中小型卫星上配备。而光学相机因为具有简单可靠、体积小、重量轻、功耗低、全自主等等特点已经被在轨卫星广泛引用。同时，光学相机无源测量也具有很好的隐蔽性，更加适合在空间攻防领域的应用。但是，也正是因为光学相机的无源测量，使得其只能获取目标的视线角信息，而缺少距离信息，这就产生了仅测角相对导航的状态不可观测/弱可观测的问题。国内外的学者从多个角度对该问题进行了研究。

有学者提出一种双视线测量的仅测角相对导航实现方法，该方法通过配置辅助测量航天器形成测量基线解决了相对距离的可观测性问题，但是这种方法需要至少2颗卫星，增加了成本支出。有学者利用轨道机动信息进行距离估计的思想解决可观测性问题，但是轨道机动法约束了实际操作任务中相对轨道制导的自由度，同时也带来了更多的燃料消耗与安全风险。有学者提出一种利用测量相机安装存在偏离航天器质心的现象解决距离可观测性的方法，但其有效作用范围取决于相机偏离航天器质心的距离，只适用于近距离探测的情况。也有学者从笛卡尔坐标系下二阶非线性相对运动动力学出发，通过采用高阶李导数研究了仅测角相对轨道确定的非线性可观测性问题，但非线性项的强弱会直接决定可观性的强弱，如果非线性太弱，则产生的效果很容易淹没在测量误差之中。

综上，现有方法要么增加硬件或燃料消耗，要么仅适用于近程场景，要么难以解决误差测量情况下的可观测性问题。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于曲线坐标的无源探测非合作目标定轨方法，该方法设计合理，操作简单，在无需多星协同、无需轨道机动的情况下，利用曲线坐标系下动力学模型对轨道曲率的强大捕获能力实现空间非合作目标仅测角轨道确定。

本发明的一种基于曲线坐标的无源探测非合作目标定轨方法，包括步骤如下：

步骤1，建立柱面坐标系下的相对轨道运动动力学模型，并由此得到关于α、β以及z的视线角测量模型，其中α、β、z分别为从星关于主星的初始相对状态的相对方位角、俯仰角以及测量值。

步骤2，根据相对轨道运动动力学方程对主星、从星间的相对轨道进行演化，得到用初始相对状态的柱面坐标来表示t时刻的状态转移矩阵。通过演化将t时刻的状态和初始时刻的状态相联系。

步骤3，引入微分进化算法设计寻优函数，找到最优初始状态，完成航天器仅测角初始相对轨道确定。相对轨道确定为得到初始时刻从星相对于主星的装对状态，从测量角得到从星相对于主星的状态，以判断从星的位置。通过寻优函数，在一个合理的范围内寻找到一个满足测量方程和动力学方程的初始相对状态，找到了该初始相对状态即为完成了初始相对轨道确定。

步骤4，采用平方根容积卡尔曼滤波，结合测量值对确定后的初始相对轨道的状态进行实时估计，完成航天器仅测角相对导航。