一种虚拟共面条件约束下的空间目标初轨确定方法技术

本发明专利技术公开一种虚拟共面条件约束下的空间目标初轨确定方法，属于测绘科学与技术领域。它包括以下步骤：提取基于星图的恒星轨迹方程，利用六参数仿射变换模型对观测平台进行运动补偿，获取虚拟静止观测条件下的目标星的像平面坐标；利用虚拟静止观测条件下，观测平台与目标星共面的成像几何关系，构建虚拟静止共面条件观测模型，解算目标星的空间位置；建立时空域联合定初轨算法，解算目标轨道根数。本发明专利技术虚拟静止共面条件观测模型将“动对动”轨道估计问题转化为“静对动”的卫星动态摄影测量问题，并解决了天基可见光相机(SBV)探测无测距数据难题。

【技术实现步骤摘要】
一种虚拟共面条件约束下的空间目标初轨确定方法
本专利技术属于摄影测量
，特别涉及一种虚拟共面条件约束下的空间目标初轨确定方法。
技术介绍
空间目标在轨测量经过多年的发展，已形成完整有效的理论体系。利用角度观测信息的空间目标在轨测量分初始轨道确定和轨道改进，其中二体动力学约束的初轨确定主要有高斯方法、拉普拉斯方法和双r迭代法等方法，基于摄动理论的轨道改进主要有最小二乘法和滤波法。轨道计算被认为是一个确定性问题，但需要给定初始历元轨道根数，进而获得观测平台和空间目标的相对距离，再通过解析公式或数值积分才可以确定未来某一时刻的轨道根数。但在纯角度观测值的轨道确定过程中，观测弧度短、数据稀疏和观测几何差，引起观测系统的可观性弱，轨道改进过程中迭代难以收敛，甚至法方程病态。因此观测平台和空间目标之间距离的不确定性是制约空间目标轨道测量精度的重要因素之一。在空间目标探测过程中，观测平台和空间目标同时运动，因此基于传统摄影测量方法的多帧影像联合平差无法实现空间目标的位置解算。实际上，观测平台和空间目标都在各自的轨道上作周期运动，其轨道可近似认为两个缓慢变化的轨道面内椭圆运动的叠加，两者之间的相对时空关系决定了两者的相对运动。与此同时，星空影像也体现了二者的相对运动，空间目标像点的二维运动是由目标的运动和观测卫星的运动联合产生的，而恒星像点的二维运动仅与和观测卫星有关，并且观测卫星的运动相对于空间目标深度变化小。若对观测卫星运动造成的恒星星象与像点坐标关系“失联”进行全星图运动补偿，则经过补偿的星空影像可以认为是观测卫星静止下产生的。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术的问题，提供一种虚拟共面条件约束下的空间目标初轨确定方法通过恒星成像轨迹估计观测卫星的运动方程，将“动对动”轨道估计转化为“静对动”的卫星动态摄影测量问题，建立虚拟共面条件约束下的空间目标初轨确定方法，从而实现近地空间目标高精度定轨。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术公开了一种虚拟共面条件约束下的空间目标初轨确定方法，包括如下步骤：(1)利用六参数仿射变换模型，建立基于恒星轨迹方程的观测平台运动补偿算法；(2)构建严密几何成像模型，提取测向信息；构建静态虚拟共面条件观测模型，解算空间目标相对位置坐标，为定轨模型提供初值；(3)建立几何与动力学理论支撑下的时空域联合定初轨算法，解算空间目标状态矢量；(4)根据二体运动理论，求解目标轨道根数；(5)将解算出的目标轨道根数提供给观测平台以便完成后续的侦查、交汇对接、捕获、空间遥操作、在轨维修维护。进一步的，所述步骤(1)中建立基于恒星轨迹方程的观测平台运动补偿算法的具体步骤如下：(1.1)利用从第k帧开始的恒星成像轨迹建立观测平台的全局运动估计方程，利用六参数仿射变换模型实现观测平台运动补偿；其中，是第k帧影像上i号恒星像平面坐标，是第k+1帧影像上同名恒星像平面坐标，a0-a5是待解算的运动补偿模型六参数，N是同名恒星点的个数；(1.2)：将全局运动补偿后的第k帧影像看成是第k+1帧影像的背景估计值，利用解算出的运动补偿六参数，获得运动补偿后的第k+1帧影像上空间目标像平面坐标；其中，是第k+1帧影像上目标像平面坐标，是运动补偿后的第k+1帧影像上目标像平面坐标，a0-a5是解算出的运动补偿模型六参数；(1.3)：分别获得运动补偿后的第k+i帧(i＝1,2,3…)影像上目标像平面坐标进一步的，所述步骤(2)中构建静态虚拟共面条件观测模型的具体步骤如下：(2.1)构建观测卫星的严密几何成像模型；其中，是观测卫星定轨设备中心在WGS84坐标系下的位置矢量；RJ20002WGS84为J2000坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵，Rbody2J2000为观测卫星的本体坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵，Rcamera2body为传感器坐标系到本体坐标系的变换矩阵；m、λ均为比例系数，相当于放缩系数；为内方位元素；则是待提取的测向信息；利用运动补偿后的第k+i帧影像，再由严密几何成像模型解算得到目标的测向信息从而为定轨模型提供输入参数；(2.2)由运动补偿后的第k+i帧影像与第k帧影像组成立体像对，构建共面条件观测模型；计算两张影像上目标星的像空间辅助坐标(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)；其中，R1、R2是由第k+i帧影像与第k帧影像的姿态角计算的左、右图像旋转矩阵，f是观测卫星上搭载的传感器的焦距；(2.3)解算摄影基线B的三个坐标分量以及投影系数N1、N2；其中，是第k帧影像观测卫星的位置坐标，是第k+i帧影像观测卫星的位置坐标；(2.4)解算目标星的物空间三维坐标(x0,y0,z0)，为定轨模型提供输入初值；进一步的，所述步骤(3)中建立时空域联合定初轨算法的具体步骤如下：(3.1)建立空间目标在轨运动几何约束条件；ri＝ρi+Ri＝ρiLi+Ri其中，Ri是观测卫星的位置矢量，ri是空间目标位置矢量，ρi为观测矢量，ρi为观测卫星和目标之间的距离，Li为观测方向单位矢量即测向信息；(3.2)建立空间目标在轨运动动力学约束条件；rj＝fj·r0+gj·v0其中，rj为任一次观测对应的空间目标位置矢量，r0、v0分别为由某一观测时刻t0对应的空间目标位置矢量和速度矢量，系数fj和gj为参考历元时刻目标状态r0(x0,y0,z0)和及时间tj的非线性函数；(3.3)建立关于已知值观测卫星位置矢量Ri(Xi,Yi,Zi)、观测方向单位矢量和空间目标状态变量(x0,y0,z0,x0,y0,z0)的观测方程组；(3.4)观测方程的迭代求解，选取近似半长轴a值为初始r0，fj和gj取级数展开式的前两项为：代入方程，解出状态向量对于k>0,由已经算出的按封闭公式计算代入方程，解出状态向量迭代计算至其中ε为预设精度，为所求的解。进一步的，所述步骤(4)中求解目标轨道根数的具体步骤如下：(4.1)计算目标轨道的半长轴a；其中，μ为地球引力常数，r0、v0分别为观测时刻t0解算出的空间目标的位置矢量和速度矢量；(4.2)计算目标轨道的第一偏心率e；(4.3)计算目标轨道的轨道倾角i；与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术通过恒星成像轨迹估计观测卫星的运动方程，将“动对动”轨道估计转化为“静对动”的卫星动态摄影测量问题，构建虚拟共面条件约束下的空间目标初轨确定方法，从而实现近地空间目标高精度定轨。丰富了卫星动态摄影测量的理论与方法体系，将为我国后续空间探测重大工程提供切实可行的技术方案，获得处于国际先进甚至领先水平的自主创新研究成果，具有重要的现实意义和紧迫性。(2)本专利技术通过提取基于星图的恒星轨迹方程，实现了对观测平台的运动补偿；利用虚拟静止观测条件下，观测平台与目标星共面的成像几何关系，构建了虚拟静止共面条件观测模型；建立了几何与动力学理论支撑下时空域联合定初轨算法，解决了天基可见光相机(SBV)探测无测距数据难题。附图说明图1为本专利技术的方法流程图；图2为具体实施例中动态实际观测到静态虚拟测量摄影几何转换示意图；图3为具体实施例中空域联合Laplace定初轨技术流程图；图4为具体实施例中目标星及恒星叠加轨迹图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术。本专利技术描述的实施例仅仅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种虚拟共面条件约束下的空间目标初轨确定方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)利用六参数仿射变换模型，建立基于恒星轨迹方程的观测平台运动补偿算法；(2)构建严密几何成像模型，提取测向信息；构建静态虚拟共面条件观测模型，解算空间目标相对位置坐标，为定轨模型提供初值；(3)建立几何与动力学理论支撑下的时空域联合定初轨算法，解算空间目标状态矢量；(4)根据二体运动理论，求解目标轨道根数；(5)将解算出的目标轨道根数提供给观测平台以便完成后续的侦查、交汇对接、捕获、空间遥操作、在轨维修维护。

【技术特征摘要】
1.一种虚拟共面条件约束下的空间目标初轨确定方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)利用六参数仿射变换模型，建立基于恒星轨迹方程的观测平台运动补偿算法；(2)构建严密几何成像模型，提取测向信息；构建静态虚拟共面条件观测模型，解算空间目标相对位置坐标，为定轨模型提供初值；(3)建立几何与动力学理论支撑下的时空域联合定初轨算法，解算空间目标状态矢量；(4)根据二体运动理论，求解目标轨道根数；(5)将解算出的目标轨道根数提供给观测平台以便完成后续的侦查、交汇对接、捕获、空间遥操作、在轨维修维护。2.根据权利要求1所述的一种虚拟共面条件约束下的空间目标初轨确定方法，其特征在于，所述步骤(1)中建立基于恒星轨迹方程的观测平台运动补偿算法的具体步骤如下：(1.1)利用从第k帧开始的恒星成像轨迹建立观测平台的全局运动估计方程，利用六参数仿射变换模型实现观测平台运动补偿；其中，是第k帧影像上i号恒星像平面坐标，是第k+1帧影像上同名恒星像平面坐标，a0-a5是待解算的运动补偿模型六参数，N是同名恒星点的个数；(1.2)：将全局运动补偿后的第k帧影像看成是第k+1帧影像的背景估计值，利用解算出的运动补偿六参数，获得运动补偿后的第k+1帧影像上空间目标像平面坐标；其中，是第k+1帧影像上目标像平面坐标，是运动补偿后的第k+1帧影像上目标像平面坐标，a0-a5是解算出的运动补偿模型六参数；(1.3)：分别获得运动补偿后的第k+i帧(i＝1,2,3…)影像上目标像平面坐标3.根据权利要求1所述的一种虚拟共面条件约束下的空间目标初轨确定方法，其特征在于，所述步骤(2)中构建静态虚拟共面条件观测模型的具体步骤如下：(2.1)构建观测卫星的严密几何成像模型；其中，是观测卫星定轨设备中心在WGS84坐标系下的位置矢量；RJ20002WGS84为J2000坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵，Rbody2J2000为观测卫星的本体坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵，Rcamera2body为传感器坐标系到本体坐标系的变换矩阵；m、λ均为比例系数，相当于放缩系数；为内方位元素；则是待提取的测向信息；利用运动补偿后的第k+i帧影像，再由严密几何成像模型解算得到目标的测...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛庆红，杨锐，王博，肖晖，洪然，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32