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专利名称：一种空间目标相对定位方法
技术领域：
本发明涉及图像处理和模式识别领域中的空间目标定位。
背景技术：
在图像处理和模式识别领域的目标识别技术中，空间目标定位是一个至关重要的环节，其定位的速度和精度直接影响到目标识别系统的性能。当前空间目标定位方法主要有单星对目标基于测角的无源定位、多星交叉定位等方法。这些方法主要存在的缺陷是1、单星无源定位的收敛时间长、定位精度低；2、传统的多星交叉定位需要高精度的星址坐标，因此需要借助地面设备或天基导航设备确定多星的位置。而考虑到在太空环境中，对太空垃圾的避障只需要知道它们与在轨航天器之间的相对距离和方向关系，而不需要知道他们的绝对坐标。在实时空间目标识别系统中，对于目标定位速度和定位精度要求都很高，因此实时、高精度空间目标定位成为图像处理和模式识别领域中的研究热点。

发明内容
本发明要解决的技术问题时，提出一种空间目标定位方法，能够快速准确的定位在轨航天器附近的目标。本发明的技术方案包括以下步骤步骤1 在轨航天器释放一颗携带可见光相机的微型卫星；步骤2 分别通过微波和测向设备测量它们之间的距离以及在彼此本体坐标系下的方位角和俯仰角；步骤3 在轨航天器和微型卫星构成双星观测系统，共同对空间目标进行观测，获得目标在各自本体坐标系下的方位角和俯仰角；步骤4 建立双星星间坐标系，并计算卫星本体坐标系至双星星间坐标系的旋转矩阵；步骤5 计算目标在双星星间坐标系下的方位角和俯仰角；步骤6 最后通过双星视线交叉计算得到空间目标的三维位置。步骤1中携带可见光相机的微型卫星是从在轨航天器中释放出来的。步骤2中测量在轨航天器和微型卫星在对方本体坐标系下的方位角和俯仰角有以下几个步骤步骤2-1通过图像处理，从背景图像中检测出目标，并测量其在相机焦平面上成像坐标；步骤2-2计算目标相对视线单位矢量在相机测量坐标系中的投影坐标；步骤2-3根据光电轴角编码器测量得到的相机光轴指向角，把目标相对视线单位矢量转至卫星本体坐标系，计算在轨航天器和微型卫星在对方本体坐标系下的方位角和俯
3仰角。步骤4中的双星星间坐标系是以双星的质心为原心，双星连线并指向对方的方向为X轴，Z轴在双星和地心构成的平面内，垂直于X轴并指向地心，Y轴与X轴、Z轴构成右手坐标系。步骤5中的目标在双星星间坐标系下的方位角和俯仰角，是把目标在双星本体坐标系下测量到的方位角和俯仰角，通过步骤4计算得到的旋转矩阵转至双星星间坐标系下而计算出来的。最后通过双星交叉确定空间目标在卫星本体坐标系下的三维坐标。本发明的优点在于1)从在轨航天器中释放一颗微型卫星，构成双星观测系统；2)通过微波测量星间的距离，不用依赖地面设备或者天基导航设备实时测量双星的位置；3)建立双星星间坐标系，通过坐标系转换计算得到空间目标在双星星间坐标系下的方位角和俯仰角。


图1是本发明提出的空间目标相对定位方法的总体流程图。图2是本发明中目标相对卫星在卫星本体坐标系的方位角和俯仰角计算流程。图3是本发明提出的双星星间坐标系和卫星本体坐标系间的转换关系。图4是本发明中空间目标在双星星间坐标系下的位置计算原理
具体实施例方式首先简单对本发明中用到的几种不同的坐标系和坐标系间转换作简单介绍(1)卫星本体坐标系坐标原点位于测量卫星质心，ζ轴在卫星主对称面内指向地心，X轴在卫星主对称面内垂直于ζ轴并指向卫星运动方向，y轴垂直于主对称面构成右手坐标系。(2)相机测量坐标系坐标原点位于相机光学系统入瞳中心，χ轴与相机光轴重合，ζ轴在相机主对称面内垂直于χ轴并指向地心，y轴与χ、ζ轴构成右手坐标系。(3)焦平面坐标系坐标原点在焦平面中心，y轴与相机测量坐标系中y轴重合，ζ轴与相机测量坐标系ζ轴重合。(4)卫星本体坐标系至相机测量系的坐标转换测量相机相对卫星问题的欧拉旋转次序为偏航-俯仰，欧拉角分别为…(0,邶))，
则卫星本体坐标系至测量坐标系的转移矩阵为
Μ0Β=Κ0Τγ[θ(φ0Τζ[φ( )](1)以下结合附图对本发明方法作进一步详细说明。本发明流程如图1所示，其步骤描述如下
4
步骤1 在轨航天器释放携带可见光相机的微型卫星。微型卫星的轨道和航天器轨道根数一样，这样使得它们之间的距离和相对姿态可以基本稳定。微型卫星携带了两台可见光相机，一台用于跟踪确定航天器的方向，另外一台用于跟踪确定空间目标的方向，两台相机都由双轴驱动机构驱动，用光电轴角编码器测量驱动机构的转角。步骤2 航天器和微型卫星测量彼此之间的距离和对方在本体坐标系下的方位角和俯仰角。设微波测距测量到的星间距离为1AB。方位角和俯仰角的测量流程如图2所示， 其主要步骤如下步骤2-1通过图像处理，从背景图像中检测出目标，并测量其在相机焦平面上成像坐标；步骤2-2根据相机光学焦距，计算得到目标相对视线单位矢量在相机测量坐标系中的投影坐标。假设目标在相机焦平面上成像坐标为(y' ,ζ')，相机光学焦距为f，则目标相对视线单位矢量S。在相机测量坐标系中的投影坐标为(x° ’r , z° ) = (f/l,-y' /l，-z' /1) (2)其中l=(f2+y' 2+z' 2)"2。步骤2-3根据光电轴角编码器测量得到的相机光轴指向角，把目标相对视线单位矢量转至卫星本体坐标系，计算得到在轨航天器和微型卫星在对方本体坐标系下的方位角和俯仰角。将S。投影到卫星本体坐标系则有
权利要求
1.一种空间目标相对定位方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤1 在轨航天器释放一颗携带可见光相机的微型卫星；步骤2 分别通过微波和测向设备测量它们之间的距离以及在彼此本体坐标系下的方位角和俯仰角；步骤3:它们构成双星观测系统，共同对空间目标进行观测，获得目标在各自本体坐标系下的方位角和俯仰角；步骤4 建立双星星间坐标系，并计算卫星本体坐标系至双星星间坐标系的转换矩阵； 步骤5 通过坐标系转换计算目标在双星星间坐标系下的方位角和俯仰角； 步骤6 最后通过双星视线交叉计算得到空间目标的三维位置。
2.权利要求1所述的空间目标相对定位方法，其特征在于，所述步骤1中的携带可见光相机的微型卫星是从在轨航天器中释放出来的。
3.权利要求1所述的空间目标相对定位方法，其特征在于，所述步骤2中的计算在轨航天器和微型卫星在彼此本体坐标系下的方位角和俯仰角包括以下步骤步骤2-1通过图像处理，从背景图像中检测出目标，并测量其在相机焦平面上成像坐标；步骤2-2根据相机光学焦距，计算得到目标相对视线单位矢量在相机测量坐标系中的投影坐标。步骤2-3根据光电轴角编码器测量得到的相机光轴指向角，把目标相对视线单位矢量转至卫星本体坐标系，计算得到在轨航天器和微型卫星在对方本体坐标系下的方位角和俯仰角。
4.权利要求1所述的空间目标相对定位方法，其特征在于，所述步骤4中的双星星间坐标系的建立是以双星的质心为原心，双星连线并指向对方的方向为X轴，Z轴在双星和地心构成的平面内，垂直于X轴并指向地心，Y轴与X轴、Z轴构成右手坐标系。
5.权利要求1所述的空间目标相对定位方法，其特征在于，所述步骤5中的目标在双星星间坐标系下的方位角和俯仰角是把目标在双星本体坐标系下测量到的方位角和俯仰角通过旋转矩阵转至双星星间坐标系下计算出来的。
全文摘要
一种空间目标相对定位方法，在轨航天器释放一颗携带可见光相机的微型卫星；通过微波测距法测量在轨航天器和微型卫星之间的距离；通过测向设备测量它们在彼此本体坐标系下的方位角和俯仰角；把它们构成双星观测系统，共同对空间目标进行观测；以双星的连线方向为X轴建立双星星间坐标系，Z轴在双星和地心构成的平面内且垂直于X轴并指向地心。计算卫星本体坐标系至双星星间坐标系的转换矩阵；通过坐标系转换计算目标在双星星间坐标系下的方位角和俯仰角；最后通过双星视线交叉计算得到空间目标的三维位置。本发明先计算双星之间的相对关系，建立双星星间坐标系，然后通过坐标转换，把在卫星本体坐标系测量到的方位角和俯仰角转至双星星间坐标系，最后通过双星视线交叉得到目标的精确位置，定位速度快，精度高，特别适用于确定航天器附近太空垃圾的实时定位。
文档编号G01C1/00GK102353931SQ20111025890
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月2日 优先权日2011年9月2日
发明者何雷, 叶平, 孙汉旭, 杜宇楠, 胡琦, 贾庆轩 申请人:北京邮电大学