一种基于时空基线的空中目标单星定位方法技术

本发明专利技术的一种基于时空基线的空中目标单星定位方法，包括以下步骤：步骤S1,获取空中目标连续双边摆扫观测数据；步骤S2，双向摆扫系统定位模型构建及目标视矢量解算；步骤S3，基于时空基线的空中目标约束关系构建；步骤S4，基于迭代寻优方法的空中目标单星定位解算。本发明专利技术的一种基于时空基线的空中目标单星定位方法，通过天基双边摆扫探测系统多角度观测数据的时空基线约束及传感器实时在轨定位模型，获取实时在动的空中目标的位置信息，实现飞机等空中目标的单星即时定位。等空中目标的单星即时定位。等空中目标的单星即时定位。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时空基线的空中目标单星定位方法


[0001]本专利技术属于空中遥感
，具体涉及一种基于时空基线的空中目标单星定位方法。

技术介绍

[0002]飞机等空中目标的高精度探测、定位及跟踪是空天防御、空中态势感知等核心领域的关键技术之一，也是世界各国争相发展的重要研究方向。
[0003]然而，传统光学式被动探测载荷的单星观测只能获取目标在特定时空下的观测矢量，即实现目标的空间测角，无法直接实现空中目标的单星定位。为解决空中目标的定位难题，只能构建多星联合立体探测体制，通过空间视线交叉等理论方法解决空间目标的定位问题。但该方法体系复杂、代价高、理论不成熟，且受限于传感器测量误差等影响精度难以保证。当前，主要通过雷达探测手段实现空中目标的实时位置获取。
[0004]捷联惯性_天文组合导航算法研究，公开了一种利用天文观测角进行天文定位，是一种较为成熟的定位方式，其拥有自主性强，定位精度高等特点，其在传统的捷联惯性/星光组合导航算法的基础上分析了一种基于单星的组合导航算法。其属于天文定位，主要实现姿态解算是天体的赤经赤纬定位，本质为角度定位，没有距离概念，其定位方法是地面目标定位通过视线交点即可解算，但其无法实现空中目标定位。
[0005]现有技术中，已有单行侧向定位技术，其是测定空中目标在惯性系中的三维空间位置，定位指的还是目标定向，即锁定目标的方位和俯仰两个角度，他只能定向不能定位，不是严格意义上的定位。尽管基于单颗雷达卫星即可实现目标的方位及位置获取，但雷达探测方法面临以下两个方面的难题：首先，受星上雷达发射机功率的限制，当前雷达探测系统的探测距离受限，当轨道较高时探测效果显著降低，当轨道较低时，雷达探测易受地球曲率限制且长的大气路径易导致电磁波损耗及吸收；其次，对散射截面积较小的隐身战机，传统雷达难以实现有效探测，且雷达信号易被发现和锁定。
[0006]针对以上问题，考虑到天基双边摆扫探测系统不同时空下的多角度观测能力，同时，基于传感器定位模型可实现空中目标单星定位。综上，针对飞机等空中目标探测、定位及跟踪的实际重大应用需求，急需研究基于时空基线的空中目标单星定位方法，解决空中目标的单星定位难题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种基于时空基线的空中目标单星定位方法。
[0008]为此，本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：一种基于时空基线的空中目标单星定位方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1, 获取空中目标连续双边摆扫观测数据；步骤S2，双向摆扫系统定位模型构建及目标视矢量解算；
步骤S3，基于时空基线的空中目标约束关系构建；步骤S4，基于迭代寻优方法的空中目标单星定位解算；其中，步骤S2中，根据双边摆扫相机几何成像原理构建星载双边摆扫系统严格几何定位模型，通过双向摆扫系统几何定位模型解算空中目标在地心固定坐标系下的视线矢量；步骤S3中，通过空中目标飞行特性及双向摆扫载荷成像特点，构建单摆扫周期内飞机目标时空约束关系，即设定单周期短时间内飞机匀速飞行，同时该时段内飞机高度不变；步骤S4中，通过步骤S3中的约束关系，通过迭代寻优方法计算空中目标的实际位置，包括目标位置矢量及其在高度下的速度。
[0009]在采用上述技术方案的同时，本专利技术还可以采用或者组合采用如下技术方案：作为本专利技术的优选技术方案：步骤S1中，通过低轨卫星搭载双边摆扫载荷完成对空中目标的连续观测成像，t1时刻双边摆扫系统获取到空中目标在位置D处的第一次正扫观测数据，空中目标沿视线方向在地面的投影点为G；t2时刻双边摆扫系统获取到空中目标在位置E处的第一次反扫观测数据，空中目标沿视线方向在地面的投影点为J；同理，t3时刻双边摆扫系统获取到空中目标在位置F处的第二次正扫观测数据，空中目标沿视线方向在地面的投影点为K。
[0010]作为本专利技术的优选技术方案：步骤S2中，构建星载双边摆扫系统严格几何定位模型如下：（1）
[0011]其中，为像素坐标系下的像点（i，j）对应物方点在所述地心固定坐标系下的位置矢量；为卫星投影中心在所述地心固定坐标系下的位置矢量；μ为比例因子；为摆镜角度对应的平面反射矩阵；θ为所述扫描镜扫描角度值；为地心惯性坐标系与地心固定坐标系的转换关系，为UTC时间；为卫星本体坐标系到地心惯性坐标系的转换矩阵，通常有卫星的姿态角（）计算；为卫星三个姿态角：俯仰角、横滚角及偏航角；为相机在所述卫星本体坐标系下的已标定的安装矩阵，所述安装矩阵在卫
星发射前已进行精确标定；（i0，j0）为相机主点在所述像元坐标系下的坐标；为所述主点偏移误差；为所述像点在像平面上的偏移误差；为所述像元在x和y方向的尺寸；为所述相机主距；为所述主距误差量；表示归一化后的单位矢量。
[0012]作为本专利技术的优选技术方案，其特征在于：通过双向摆扫系统几何定位模型解算空中目标在地心固定坐标系下的视线矢量为：（2）（3）（4）
[0013]其中，，及分别为t1时刻、t2时刻及t3时刻空中目标在地心固定坐标系下的视线矢量；分别为卫星在t1时刻的俯仰角、横滚角及偏航角，分别为卫星在t2时刻的俯仰角、横滚角及偏航角及分别为卫星在t3时刻的俯仰角、横滚角及偏航角；θ1，θ2，及θ3分别为卫星在t1时刻、t2时刻及t3时刻摆镜的位置角度；（i1,j1），（i2,j2）及（i3,j3）为空中在t1时刻、t2时刻及t3时刻在反扫及正扫影像上的位置坐标。
[0014]作为本专利技术的优选技术方案：空中目标在t1时刻在正扫影像上的位置为（i1,j1），t2时刻在反扫影像上的位置为（i2,j2），t3时刻在反扫影像上的位置为（i3,j3），通过重心提取算法获取。
[0015]作为本专利技术的优选技术方案：步骤S3中，构建基于时空基线的空中目标的约束关
系，基于短时间内空中目标的飞行高度变化较小，则得如下约束关系：
[0016]即，
[0017]其中，卫星轨道高度为H；线段AD的长度为别为α,线段BE的长度为别为β，线段CF的长度为别为γ；目标在D,E及F处具有相同的高度h，其中，DG为t1时刻空中目标在视线方向距离地面的距离，AG为t1时刻空中目标所在视线的长度，EJ为t2时刻空中目标在视线方向距离地面的距离，BJ为t2时刻空中目标所在视线的长度，EK为t3时刻空中目标在视线方向距离地面的距离，CK为t3时刻空中目标所在视线的长度；基于短时间内空中目标的飞行速度变化较小，则得如下约束关系：
[0018]其中，DE为t1时刻至t2时刻空中目标飞过的距离，EF为t2时刻至t3时刻空中目标飞过的距离，v为计算所得的空中目标飞行速度。
[0019]作为本专利技术的优选技术方案：步骤S4中，基于约束关系，通过迭代方法计算空中目标的实际位置，具体包括以下步骤：步骤（1），根据空中目标的常规飞行高度及速度参数，通过经验法给出其飞行高度及速度的初步约束范围：，其中，和分别为速度和高度下、上约束边界，其中V
a
和h
a...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于时空基线的空中目标单星定位方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1, 获取空中目标连续双边摆扫观测数据；步骤S2，双向摆扫系统定位模型构建及目标视矢量解算；步骤S3，基于时空基线的空中目标约束关系构建；步骤S4，基于迭代寻优方法的空中目标单星定位解算；其中，步骤S2中，根据双边摆扫相机几何成像原理构建星载双边摆扫系统严格几何定位模型，通过双向摆扫系统几何定位模型解算空中目标在地心固定坐标系下的视线矢量；步骤S3中，通过空中目标飞行特性及双向摆扫载荷成像特点，构建单摆扫周期内飞机目标时空约束关系，即设定单周期短时间内飞机匀速飞行，同时该时段内飞机高度不变；步骤S4中，通过步骤S3中的约束关系，通过迭代寻优方法计算空中目标的实际位置，包括目标位置矢量及其在高度下的速度。2.如权利要求1所述的一种基于时空基线的空中目标单星定位方法，其特征在于：步骤S1中，通过低轨卫星搭载双边摆扫载荷完成对空中目标的连续观测成像，t1时刻双边摆扫系统获取到空中目标在位置D处的第一次正扫观测数据，空中目标沿视线方向在地面的投影点为G；t2时刻双边摆扫系统获取到空中目标在位置E处的第一次反扫观测数据，空中目标沿视线方向在地面的投影点为J；同理，t3时刻双边摆扫系统获取到空中目标在位置F处的第二次正扫观测数据，空中目标沿视线方向在地面的投影点为K。3.如权利要求1所述的一种基于时空基线的空中目标单星定位方法，其特征在于：步骤S2中，构建星载双边摆扫系统严格几何定位模型如下：（1）其中，为像素坐标系下的像点（i，j）对应物方点在所述地心固定坐标系下的位置矢量；为卫星投影中心在所述地心固定坐标系下的位置矢量；μ为比例因子；为摆镜角度对应的平面反射矩阵；θ为所述扫描镜扫描角度值；为地心惯性坐标系与地心固定坐标系的转换关系，为UTC时间；为卫星本体坐标系到地心惯性坐标系的转换矩阵，通常有卫星的姿态角（）计算；为卫星三个姿态角：俯仰角、横滚角及偏航角；为相机在所述卫星本体坐标系下的已标定的安装矩阵，所述安装矩阵在卫星发射前已进行精确标定；
（i0，j0）为相机主点在所述像元坐标系下的坐标；为所述主点偏移误差；为所述像点在像平面上的偏移误差；为所述像元在x和y方向的尺寸；为所述相机主距；为所述主距误差量；表示归一化后的单位矢量。4. 如权利要求3所述的一种基于时空基线的空中目标单星定位方法，其特征在于：通过双向摆扫系统几何定位模型解算空中目标在地心固定坐标系下的视线矢量为：（2）（3）（4）其中，，及分别为t1时刻、t2时刻及t3时刻空中目标在地心固定坐标系下的视线矢量；分别为卫星在t1时刻的俯仰角、横滚角及偏航角，分别为卫星在t2时刻的俯仰角、横滚角及偏航角及分别为卫星在t3时刻的俯仰角、横滚角及偏航角；θ1，θ2，及θ3分别为卫星在t1时刻、t2时...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈凡胜，李潇雁，李丽圆，赵立行，焦竞杰，
申请(专利权)人：国科大杭州高等研究院，
类型：发明
国别省市：