[發明專利]基于地基光雷像融合的在軌航天器瞬時姿態反演方法

有效

• 申請號: 202310202608.1
• 申請日: 2023-03-06
• 公開（公告）號: CN116068549B
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 鐘衛軍;何健;馬巖;杜鵑;馬晨;王靜;李浩;張虹
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍32035部隊
• 主分類號: G01S13/86
• 分類號: G01S13/86;G01C21/20;G01C21/24
• 代理公司: 西安嘉思特知識產權代理事務所(普通合伙) 61230
• 代理人: 王丹

本發明公開了一種基于地基光雷像融合的在軌航天器瞬時姿態反演方法，包括：計算航天器上的關鍵點在某一姿態下對應的軌道坐標系下的坐標位置；基于慣性坐標系到軌道坐標系的坐標轉換矩陣計算關鍵點在慣性坐標系下的坐標位置；基于慣性坐標系到雷達測量坐標系和光學測量坐標系的坐標轉換矩陣分別計算關鍵點在地基雷達成像平面的和地基光學成像平面的二維坐標理論位置；分別從航天器地基瞬時雷達圖像和光學圖像中提取出關鍵點對應的實測坐標位置；根據關鍵點的理論位置以及實測坐標位置進行航天器瞬時姿態反演，以得到航天器瞬時姿態角。該方法針對已知結構尺寸的空間目標的瞬時姿態反演具有較強的時效性、準確性以及可操作性。

技術領域

本發明屬于航天雷達探測技術領域，具體涉及一種基于地基光雷像融合的在軌航天器瞬時姿態反演方法。

背景技術

隨著空間技術的不斷發展，空間已成為維護國家安全和打贏現代信息化戰爭的制高點，精準掌握航天器軌跡信息、運動狀態、幾何形狀與物理參數等特征信息是在軌航天器狀態參數獲取的核心關鍵。其中，空間目標姿態分析是空間目標識別、評估、預警的重要手段，通過目標姿態分析，可以實現對任務狀態的評估、探測器指向分析、衛星識別和異常行為檢測等，具有重要的研究意義。

當前，基于單幅圖像的空間目標姿態估計可大致分為基于模板和基于模型兩種思路。其中，基于模板的方法需要預先構建反映目標在不同姿態下表征的模板庫，通過輸入圖像與模板庫的特征匹配確定目標姿態。基于模型的方法需要已知目標的三維模型，通過目標3維模型和輸入圖像之間的特征關聯計算目標的三維姿態。相比于前一類方法，此類方法不依賴大量的目標模板，而是通過嚴格的特征關聯方程求解得到目標準確的姿態值，可取得較高的估計精度。

然而，基于模板的方法精度受限于模板庫中的模板數量，而模板數量的增加會顯著提高模板庫構建成本、降低算法速度。基于模型的方法關鍵在于準確建立輸入圖像和目標三維模型的特征關聯，由于圖像是三維空間的降維表達，因此在建立特征關聯的過程中往往會產生較大的候選空間，易造成特征的誤匹配，降低算法效率和準確率。

發明內容

為了解決現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種基于地基光雷像融合的在軌航天器瞬時姿態反演方法。本發明要解決的技術問題通過以下技術方案實現：

一種基于地基光雷像融合的在軌航天器瞬時姿態反演方法，包括：

步驟1：計算航天器上的關鍵點在滾動角為、俯仰角為、偏航角為的姿態下對應的軌道坐標系中的坐標位置；

步驟2：計算慣性坐標系到軌道坐標系的坐標轉換矩陣，并結合步驟1得到的坐標位置計算所述關鍵點在慣性坐標系下的坐標位置；

步驟3：計算慣性坐標系到雷達測量坐標系的坐標轉換矩陣，并結合步驟2得到的坐標位置計算所述關鍵點在地基雷達成像平面的二維坐標理論位置；

步驟4：計算慣性坐標系到光學測量坐標系的坐標轉換矩陣，并結合步驟2得到的坐標位置計算所述關鍵點在地基光學成像平面的二維坐標理論位置；

步驟5：分別從航天器地基瞬時雷達圖像和光學圖像中提取出所述關鍵點對應的實測坐標位置和；

步驟6：根據所述關鍵點的理論位置、以及實測坐標位置、進行航天器瞬時姿態反演，以得到航天器瞬時姿態滾動角、俯仰角和偏航角。

在本發明的一個實施例中，步驟1包括：

1a)?獲取航天器上的關鍵點在航天器本體坐標系下的三維坐標，記為：

；

其中，所述航天器本體坐標系以航天器質心為原點，其軸與航天器的縱對稱軸一致，且指向航天器的頭部；軸垂直于軸，且位于航天器的主對稱面內，指向空間上方；軸與軸、軸滿足右手直角坐標系準則；分別為三個方向的坐標分量，為用以區分不同關鍵點的整數；