针对光度曲线典型特征的姿态估计方法技术

本发明专利技术考虑到光度曲线中普遍存在的中断现象，以及在曲线波动上呈现大特征、中等特征和小特征的现象，本发明专利技术针对中断特征提出了“伪观测”的概念以及基于光度曲线中断互补的多站联合观测并行融合方法来解决空间目标的姿态估计问题。而当各站光度曲线不存在中断的现象时，本发明专利技术又将上述方法转化为基于多站联合观测并行融合方法，并将其用在基于大特征、中等特征和小特征光度曲线的空间目标姿态估计中。该发明专利技术相较于传统的单站光度观测方法，具有更小的姿态估计误差和更快的收敛速度，是更适合光度观测下目标姿态与角速度估计的解决方案。

【技术实现步骤摘要】
针对光度曲线典型特征的姿态估计方法
本专利技术属于基于光学观测的空间目标姿态跟踪领域，涉及光度曲线典型特征的姿态估计方法。
技术介绍
随着高轨空间目标数量的逐年增加，使得对这一区域态势感知的需求越来越高，为此需要发展相应的理论方法与技术手段。对于距离远、尺寸小的高轨空间目标，雷达受到其功率、精度的限制以及观测噪声的影响难以成为有效的观测工具。作为另一种重要手段，光学观测难以对此类目标成像，通常仅能得到反映其亮度变化的光度曲线。而光度曲线是由空间目标反射太阳光线所得到的，与目标在空间的相对位置、目标的姿态、角速度及其形状、尺寸等特征都有关系，因此光度值是随时间变化的，且在不同时段观测同一个目标所得到的光度曲线通常不同。近年来兴起通过递推滤波技术从光度观测中实时获取目标运动信息与特征信息的研究。2009年，Wetterer等在光度观测下基于无味滤波器(UnscentedFilter,UF)首次实现对火箭发动机圆柱体残骸的姿态估计；2010年，Linares等基于姿态运动学模型与轨道动力学模型通过多模型方法实现对空间目标尺寸的识别以及位置、姿态等状态量的估计，2014年又基于旋转动力学模型与轨道动力学模型通过多模型方法实现常见空间目标的形状、尺寸的识别以及状态量的估计；2015年，Holzinger等通过建立外形不确定性的一阶动力学模型利用利用粒子滤波器(ParticleFilter，PF)实现了空间目标姿态快变过程中的姿态角估计；2017年，单斌等分析了典型的四棱柱、六棱柱和八棱柱空间目标光度特征和目标形状对姿态估计的影响，并探讨了算法对姿态随机缓慢机动目标的自适应跟踪能力。从上述分析可以看出当前的研究主要集中在空间目标的建模，以及对它们的状态估计和特征识别算法上，尚未对光度曲线所具有的特征予以关注。为此本专利技术开展了多种因素下的目标光度曲线的分析，从中发现了光度曲线普遍具有的四种典型特征。本专利技术针对这些典型特征提出解决方案，该方法来自于信息融合的思想，结合光度曲线特征设计基于多站观测的并行融合估计器。
技术实现思路
针对光度曲线中存在的各类典型特征的技术问题，本专利技术提出一种针对光度曲线典型特征的姿态估计方法，该方法通过基于光度曲线中断互补的多站联合观测并行融合方法和多站联合观测并行融合方法来跟踪空间目标姿态，这两种方法的姿态估计结果收敛精度高且收敛速度快，该专利技术是可以实现各类典型特征光度曲线下空间目标姿态高精度估计的有效解决方案。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：针对光度曲线典型特征的姿态估计方法，包括以下步骤：将多个观测站点联合，建立多站联合观测模型；采用四元数对空间目标姿态进行描述，建立姿态和角速度的运动方程；在各观测站光度曲线中断的情况下，基于多站联合观测模型、姿态和角速度的运动方程，通过伪观测建模以及基于光度曲线中断互补的多站联合观测并行融合处理，进行目标的姿态和角速度估计；在各观测站光度曲线均不存在中断的情况下，基于多站观测的并行融合光度观测数据，进行目标的姿态和角速度估计。作为本专利技术的进一步改进，多站联合观测模型过程为：多个观测站点联合观测下同一时刻会从多个站点观测到光度数据，观测模型为：其中，为第N个观测站k时刻的观测数据；为第N个观测站k时刻的量测噪声；为第N个观测站k时刻的光度数据；光度数据计算模型为：将每个空间目标看成是由N个平面组成，观测站测到的光度大小为各个面反射到地面观测站光度大小的总和，则光度计算模型为：其中，Csun,vis＝455W/m2为可见光照射到空间目标表面单位平方米面积上的功率；Fobs(i)为太阳光线经空间目标表面i反射到地面观测站的辐射量，计算为其中，Asc(i)为第i个反射面的面积；robs＝R-r为地心惯性坐标系下卫星指向地面观测站的向量，此处r和R分别是地心指向卫星的向量和地心指向观测站的向量；为robs的单位向量；为地心惯性坐标系下卫星表面i的单位法向量，由星体坐标系下该表面单位法向量通过姿态矩阵A(q)转换得到，即其中，四元数q表示目标的姿态；Fsun(i)为太阳光线辐射至卫星表面i的辐射量，计算为其中，表示地心惯性坐标系下卫星指向太阳的单位向量，r⊙是地心指向太阳的向量；ρtotal(i)为第i个平面的双向反射分布函数，采用Phong模型计算ρtotal，并假定光反射量主要由漫反射部分ρdiff和镜面反射部分ρspec构成：ρtotal(i)＝ρdiff(i)+ρspec(i)。作为本专利技术的进一步改进，姿态和角速度的运动方程建模过程为：采用四元数对空间目标姿态进行描述，四元数定义为q＝[ρTq4]T，其中ρ＝[q1q2q3]T，且满足qTq＝1的限制关系；姿态和角速度的运动方程为其中，t为时间；I是单位矩阵，对于三维向量a＝[a1a2a3]T，有卫星角速度ω(t)＝[ωx(t)ωy(t)ωz(t)]T；w1(t)、w2(t)为零均值高斯白噪声。作为本专利技术的进一步改进，还引入罗德里格斯参数GRPs，根据用到的局部误差四元数δq＝[δρTδq4]T，则GRPs表示为为使误差更小，可令a＝1，f＝2(a+1)＝4；目标姿态估计器的状态向量表示为X＝[δpTωT]T，则姿态角与角速度联合估计的离散化动态模型为：X(k+1)＝FX(k)+Γk其中，X(k)为当前时刻k的目标状态向量；Γk为动态模型噪声；此处Δt为光度观测的采样周期，ωk为k时刻的目标角速度。作为本专利技术的进一步改进，光度曲线的中断互补是利用多个观测站对空间目标进行同步观测，将每个观测站得到的光度数据分别作为量测向量中的一个观测分量；观测站选站准则为：站点数量的选择和站点位置的设置应使光度曲线的缺失段可以互补；由此，对于观测站{1,2,...N}，在任意时刻k，至少一个观测站i使得如果所加入的第二个站点未实现光度曲线中断互补，则既改变第二个观测站的位置以改变其补偿能力，或加入新的观测站，直到满足光度曲线中断互补的要求。作为本专利技术的进一步改进，所述伪观测建模过程为：在第i个观测站当前时刻k没有获得光度数据时，将该站k-1时刻对当前观测值的预测值取为k时刻的观测值，并将该观测值称为伪观测建模：作为本专利技术的进一步改进，光度曲线中断互补的并行融合步骤包括：已知当前时刻k的n维状态向量状态协方差为Pk|k；将罗德里格斯参数GRPs初始化为同时将当前时刻k的四元数记为则状态的sigma点由下式计算：将状态的sigma点拆分为分别对应于GRPs和角速度的两部分将GRPs部分的sigma点转换为局部误差四元数的sigma点则得到局部误差四元数的将局部误差四元数的sigma点与当前时刻四元数相乘得到四元数的sigma本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.针对光度曲线典型特征的姿态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n将多个观测站点联合，建立多站联合观测模型；/n采用四元数对空间目标姿态进行描述，建立姿态和角速度的运动方程；/n在各观测站光度曲线中断的情况下，基于多站联合观测模型、姿态和角速度的运动方程，通过伪观测建模以及基于光度曲线中断互补的多站联合观测并行融合处理，进行目标的姿态和角速度估计；/n在各观测站光度曲线均不存在中断的情况下，基于多站观测的并行融合光度观测数据，进行目标的姿态和角速度估计。/n

【技术特征摘要】
1.针对光度曲线典型特征的姿态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
将多个观测站点联合，建立多站联合观测模型；
采用四元数对空间目标姿态进行描述，建立姿态和角速度的运动方程；
在各观测站光度曲线中断的情况下，基于多站联合观测模型、姿态和角速度的运动方程，通过伪观测建模以及基于光度曲线中断互补的多站联合观测并行融合处理，进行目标的姿态和角速度估计；
在各观测站光度曲线均不存在中断的情况下，基于多站观测的并行融合光度观测数据，进行目标的姿态和角速度估计。


2.根据权利要求1所述的针对光度曲线典型特征的姿态估计方法，其特征在于，多站联合观测模型过程为：
多个观测站点联合观测下同一时刻会从多个站点观测到光度数据，观测模型为：



其中，为第N个观测站k时刻的观测数据；为第N个观测站k时刻的量测噪声；为第N个观测站k时刻的光度数据；光度数据计算模型为：
将每个空间目标看成是由N个平面组成，观测站测到的光度大小为各个面反射到地面观测站光度大小的总和，则光度计算模型为：



其中，Csun,vis＝455W/m2为可见光照射到空间目标表面单位平方米面积上的功率；Fobs(i)为太阳光线经空间目标表面i反射到地面观测站的辐射量，计算为



其中，Asc(i)为第i个反射面的面积；robs＝R-r为地心惯性坐标系下卫星指向地面观测站的向量，此处r和R分别是地心指向卫星的向量和地心指向观测站的向量；为robs的单位向量；为地心惯性坐标系下卫星表面i的单位法向量，由星体坐标系下该表面单位法向量通过姿态矩阵A(q)转换得到，即



其中，四元数q表示目标的姿态；Fsun(i)为太阳光线辐射至卫星表面i的辐射量，计算为



其中，表示地心惯性坐标系下卫星指向太阳的单位向量，r⊙是地心指向太阳的向量；ρtotal(i)为第i个平面的双向反射分布函数，采用Phong模型计算ρtotal，并假定光反射量主要由漫反射部分ρdiff和镜面反射部分ρspec构成：
ρtotal(i)＝ρdiff(i)+ρspec(i)。


3.根据权利要求1所述的针对光度曲线典型特征的姿态估计方法，其特征在于，姿态和角速度的运动方程建模过程为：
采用四元数对空间目标姿态进行描述，四元数定义为q＝[ρTq4]T，其中ρ＝[q1q2q3]T，且满足qTq＝1的限制关系；姿态和角速度的运动方程为






其中，t为时间；I是单位矩阵，对于三维向量a＝[a1a2a3]T，有卫星角速度ω(t)＝[ωx(t)ωy(t)ωz(t)]T；w1(t)、w2(t)为零均值高斯白噪声。


4.根据权利要求1所述的针对光度曲线典型特征的姿态估计方法，其特征在于，还引入罗德里格斯参数GRPs，根据用到的局部误差四元数δq＝[δρTδq4]T，则GRPs表示为



为使误差更小，可令a＝1，f＝2(a+1)＝4；
目标姿态估计器的状态向量表示为X＝[δpTωT]T，则姿态角与角速度联合估计的离散化动态模型为：
X(k+1)＝FX(k)+Γk
其中，X(k)为当前时刻k的目标状态向量；Γk为动态模型噪声；此处Δt为光度观测的采样周期，ωk为k时刻的...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁勇奇，韩凌峰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61