[發(fā)明專(zhuān)利]一種空間翻滾火箭箭體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010616743.7
• 申請(qǐng)日: 2020-06-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111750870A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙高鵬;范佳杰;敖俊杰;汪標(biāo);黃皓冉
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01C21/24
• 分類(lèi)號(hào): G01C21/24;G01S17/933;G01S17/89
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專(zhuān)利中心 32203
• 代理人: 王瑋

本發(fā)明公開(kāi)一種空間翻滾火箭箭體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)方法，該方法針對(duì)空間翻滾運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的火箭箭體，利用激光成像雷達(dá)獲得的點(diǎn)云，通過(guò)隨機(jī)一致性采樣算法求得自旋軸，隨后采用帶有遺忘因子的最小二乘法求得翻滾軸參數(shù)和章動(dòng)角，接著求解得出空間章動(dòng)角速率。本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)是適用于空間翻滾運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的火箭箭體，利用激光成像雷達(dá)對(duì)回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的火箭箭體進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)翻滾火箭箭體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)。本發(fā)明方法能夠穩(wěn)定地計(jì)算得到火箭箭體的翻滾軸、章動(dòng)角以及空間章動(dòng)角速率，具有精度高的特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于空間自主導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間翻滾火箭箭體運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)方法。

背景技術(shù)

空間碎片主動(dòng)移除的主要目標(biāo)是安全地捕獲和處置太空垃圾，使低地球軌道區(qū)域碎片進(jìn)入大氣層燒毀，或使地球靜止軌道區(qū)域碎片軌道抬高進(jìn)入墳?zāi)管壍溃瑥亩_(dá)到保護(hù)在軌航天器不受碎片撞擊。根據(jù)待捕獲的空間目標(biāo)是否帶有有效的先驗(yàn)信息，可將空間目標(biāo)分為合作目標(biāo)與非合作目標(biāo)。空間非合作目標(biāo)未配備星箭通訊裝置或其它主動(dòng)傳感器，其余的航天器難以通過(guò)與其建立信息傳輸或通過(guò)感知識(shí)別裝置等方式來(lái)獲取目標(biāo)的位置、姿態(tài)等狀態(tài)信息。空間碎片為典型的空間非合作目標(biāo)，其包括完成任務(wù)的火箭箭體、失效的衛(wèi)星本體等。失效衛(wèi)星和火箭箭體由于尺寸大、包含未使用的燃料，其存在碰撞以及點(diǎn)火爆炸的潛在風(fēng)險(xiǎn)，是在軌主動(dòng)清除任務(wù)中高優(yōu)先級(jí)的目標(biāo)。與衛(wèi)星相比，火箭箭體呈回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，其成像具有表面特征點(diǎn)稀少的特點(diǎn)，采用特征點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)的傳統(tǒng)方法難度較大，因此，如何獲取翻滾運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的火箭箭體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)是后續(xù)近距離逼近的重要前提。

非掃描式激光成像雷達(dá)可以實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)的三維量測(cè)數(shù)據(jù)，包括三維點(diǎn)云、二維深度圖和強(qiáng)度圖數(shù)據(jù)，具有對(duì)背景雜散光的抑制能力強(qiáng)、探測(cè)距離遠(yuǎn)、且不存在運(yùn)動(dòng)模糊、幀率高等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足實(shí)時(shí)測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種空間翻滾火箭箭體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)方法，利用激光成像雷達(dá)對(duì)回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的火箭箭體進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)翻滾運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的火箭箭體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種空間翻滾火箭箭體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)方法，針對(duì)空間翻滾運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的火箭箭體，利用激光成像雷達(dá)獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)隨機(jī)一致性采樣算法求得自旋軸，隨后采用帶有遺忘因子的最小二乘法求得翻滾軸參數(shù)和章動(dòng)角，接著求解得出繞翻滾軸的空間章動(dòng)角速率。

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟(1)、利用激光成像雷達(dá)獲取第K幀的目標(biāo)點(diǎn)云Q_K。

步驟(2)、對(duì)第K幀目標(biāo)點(diǎn)云Q_K進(jìn)行點(diǎn)云表面法向量估計(jì)，得到每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的法向量n_K{n_K,1,n_K,2,…,n_K,N}。

步驟(3)、利用目標(biāo)點(diǎn)云Q_K和法向量n_K{n_K,1,n_K,2,…,n_K,N}采用隨機(jī)采樣一致性算法進(jìn)行自旋軸的估計(jì)。

步驟(4)、當(dāng)K＜2時(shí)，K＝K+1并回到步驟1。當(dāng)K≥2時(shí)，對(duì)翻滾軸m_K進(jìn)行估計(jì)，采用帶有遺忘因子的最小二乘遞推算法進(jìn)行求解，得到翻滾軸的公共點(diǎn)m_K,0(m_a,m_b,m_c)和方向向量m_K,dir(m_dir,x,m_dir,y,m_dir,z)。

步驟(5)、利用自旋軸l_K和翻滾軸m_K的夾角公式，求解得到章動(dòng)角θ_K。