一种基于光度信号的空间目标关键特征辨识方法

技术领域

本发明涉及空间信息探测技术领域，尤其涉及一种基于光度信号的空间目标关键特征辨识技术领域。

背景技术

地球同步轨道卫星等中高轨卫星轨道周期与地球自转周期相差较小，可以在不产生背景像移的情况下长时间凝视地表目标，准确识别中高轨卫星等空间目标的工作类型和工作状态，对空间信息探测具有重要意义。

地基光学系统因其不受空间平台资源约束，较天基光学系统具有更好的光学信息获取和处理能力，使用成本更低，是空间目标监视的主要手段。地基观测的距离较远，光学系统成像分辨率较低，且易受光照、非合作目标姿轨变化等不可控因素影响；此时通常难以有效地获取空间目标特征，因此基于光学图像的研究方法存在一定局限性。光度信号为能量信号，包含了空间目标位置、姿态和轨道等关键特征信息，对上述信息变化的敏感性更高，因此适合用于辨识空间目标的关键特征。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于光度信号的空间目标关键特征辨识方法，包括如下步骤：

步骤1：设置空间目标初始状态，基于有限元模型和太阳辐射压模型预测空间目标位置，根据姿态控制模式估计空间目标姿态；

步骤2：分析空间目标表面的面元可见性；

步骤3：基于双向反射率分布函数预测空间目标光度信号，根据实际观测数值修正步骤1预测的空间目标状态；

步骤4：基于步骤3中的空间目标状态估计修正后参数的观测值，并以实际观测值矫正步骤3中可能存在的过拟合现象；

步骤5：基于步骤4所估计的空间目标参数，重复步骤1至步骤4，更新并获得空间目标位置和姿态，实现空间目标关键特征辨识。

本发明的有益效果为：根据地基光电望远镜观测的中、高轨空间目标相角和光度曲线，通过非线性滤波方法将相角和光度数据融合，实现空间目标位置、姿态和速度等运动参数以及质量、形状和反照率等特性参数的同步估计。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

现将结合图1，对本发明的技术方案进行完整的描述。以下描述仅仅是本发明的一部分实施案例而已，并非全部。基于本发明中的实施案例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明的权利保护范围。

本发明提供的基于光度信号的空间目标关键特征辨识方法包括如下步骤：

步骤1：设置空间目标初始状态，基于有限元模型和太阳辐射压模型预测空间目标位置，根据姿态控制模式估计空间目标姿态；

步骤2：分析空间目标表面的面元可见性；

步骤3：基于双向反射率分布函数预测空间目标光度信号，根据实际观测数值修正步骤1预测的空间目标状态；

步骤4：基于步骤3中的空间目标状态估计修正后参数的观测值，并以实际观测值矫正步骤3中可能存在的过拟合现象；

步骤5：基于步骤4所估计的空间目标参数，重复步骤1至步骤4，更新并获得空间目标位置和姿态，实现空间目标关键特征辨识。

优选的，步骤1中，空间目标位置和姿态的预测和估计步骤如下：

(1)通过无损变换预测非线性系统状态参数与观测值；

(2)通过拟合非线性系统状态参数均值和协方差，完成其数值传递和更新；

(3)构建姿态四元数的运动更新模型；

(4)根据轨道位置和速度，更新空间目标姿态。

优选的，步骤2中，空间目标表面的面元可见性分析步骤如下：

(1)对空间目标的几何模型进行有限元划分，导出面元参数；

(2)基于面元角点位置和光线簇的方向，确定面元之间的遮挡关系；

(3)基于面元之间的遮挡关系，确定可见面元及其可见性。

优选的，步骤3中，空间目标的光度信号和状态预测值修正步骤如下：

(1)基于太阳辐射照度，计算可见面元在地基探测器入瞳处产生的辐射照度，获得单帧光度信号；

(2)基于空间目标运动参数，结合太阳、光学探测器位置参数、空间目标位置和姿态参数，预测空间目标单帧光度信号；

(3)基于步骤(2)预测的光度信号结合实际观测数值，修正空间目标状态。

优选的，步骤4中，针对观测值估计和修正的过拟合现象矫正步骤如下：

(1)针对位置修正过程，基于线性变换假设，确定过拟合矫正尺度的定量表达式；

(2)针对姿态修正过程，基于线性变换假设，确定过拟合矫正尺度的定量表达式。

实施例1

1.空间目标位置和姿态的预测

若忽略其他天体的引力影响，仅考虑太阳辐射压力对空间目标轨道的摄动影响，则空间目标的加速度表达式为

式中，a

四元数的定义为

q＝[q

其中，q

式中，ν为欧拉旋转角，

大部分空间目标不具备姿态调节能力，属于自旋稳定系统。自旋稳定的空间目标围绕固定旋转轴匀速旋转，其姿态四元数的运动更新模型为

对于任意一个3×1向量a，[a×]的表达式为

三轴稳定的空间目标姿态与其位置和瞬时速度有关。以卫星凝视星下点为例，令目标本体坐标系x轴指向运动方向，z轴指向星下点方向，y轴与x轴和z轴形成右手坐标系，组成空间目标的本体坐标系，则指向星下点的三轴稳定卫星的姿态模型为：

β＝γ×α

R＝[α β γ]

其中，r

于是，空间目标轨道位置和速度的更新计算式如下：

根据上述计算过程，对每一时刻的空间目标状态参数进行更新，结合单帧仿真过程完成迭代，实现连续帧光度信号曲线仿真。

空间目标在k时刻的质量和位置对应着k时刻的观测值，同时轨道动力学和姿态控制系统的存在会影响下一时刻的观测值。因此可以通过k时刻的目标状态参数估计k+1时刻的目标状态参数，再基于k+1时刻的实际观测值对预测的k+1时刻的目标状态参数进行修正，直到预测的观测值与实际观测值的残差小于既定阈值。

利用光度数据反演空间目标形状特征信息的方法主要有高斯面密度法、几何模型匹配法、基于非线性滤波的向量法和多模型自适应估计方法。其中，基于非线性滤波技术的形状反演方法适用范围广、误差较小且具有较好的鲁棒性。

非线性滤波方法将目标姿态等参数反演看作非线性动态系统的滤波估计问题，以光度数据等观测值，估计目标的状态，能够比较准确地解决空间目标的姿态反演问题，是目前运动信息反演法的研究热点。

使用非线性滤波方法，能够较为准确地解决空间目标的姿态反演问题。该方法所使用的非线性系统状态参数与观测值的预测可以通过无损变换完成，根据状态参数x的均值

在以该方法采样获得的点集中，每个点都有与其对应的权重，用于重新拟合为新的状态参数和协方差分布，权重的计算公式为

式中参数α用于调整采样点与均值点的关系，其值越大，采样点受均值点影响越小；参数β用于拟合泰勒展开的高阶误差，对于高斯分布，该参数的数值取2即可。对于上述点集，在经过非线性系统获得y

对于姿态估计，四元数具有模长为1的约束。为满足上述约束，且不破坏采样点的物理意义，引入中间变量罗德里格斯参数δP。利用此参数对姿态进行采样，获得采样四元数，表征采样点与四元数均值的距离。四元数和罗德里格斯参数之间的相互转化公式为

式中a是取值范围为从0至1的参数，f＝2(a+1)。

空间目标的状态参数分为全局参数和局部参数，全局参数用四元数x

x

δx

局部误差罗德里格斯参数每帧估计时设置均值为[0 0 0]，通过无损变换可以求出

δμ＝f

局部误差四元数表征的是采样点与均值的采样距离，则全局参数的计算式为

在上述计算过程之后，状态更新和状态观测都通过全局四元数进行，更新后的预测局部误差四元数计算式为

2.空间目标表面的面元可见性分析

几何面元之间存在一定的遮挡关系，遮挡关系可由三角射线法计算获得。该方法的思路是首先计算空间射线与三角面元所在平面的交点，然后再判断该交点是否位于面元内部。在判断交点位置时，选择三角面元的任意一条边，再验证交点和该边所对的面元顶点是否都位于该边的同一侧；如此依次地选择三角面元的每一条边，若上述交点和面元顶点始终位于同一侧，则可知该交点位于面元的内部。

太阳辐射距离空间目标较远，可以看作平行光，因此光线簇简化为许多点源不同、方向相同的光线，这种平行光线存在以下数学关系：

O

D

其中，O

3.空间目标的光度信号和状态预测值修正

空间目标反射的辐射亮度可以通过下式计算：

其中，k

采用有限元思想对空间目标光度信号进行仿真。首先建立空间目标几何模型，作为有限元划分的基础；然后对模型进行有限元划分，导出目标的每一个面元的参数；最后通过四元数描述空间目标在J2000坐标系下的有限元表达模型。

四元数和旋转矩阵之间可以相互转换。由四元数获得旋转矩阵，先将目标位置坐标从本体坐标系转换到J2000坐标系，再左乘旋转矩阵的逆矩阵即可。有限元模型角点坐标的转换公式为

于是针对每一个可见面元，在对太阳在可见光波段的能量求积分，获得太阳表面处的辐射照度E

其中，r

式中n为面元法向量，k

式中h为k

基于轨道运动模型，可以通过空间目标的位置坐标计算相角观测数据。相角观测数据包括目标对地基观测站坐标系的高度角和方位角。首先将目标在地惯坐标系下的笛卡尔坐标转换为地基观测站坐标系下的坐标；然后根据转换后的坐标参数计算目标的相角观测数据。地基观测站坐标系下的目标位置坐标与地惯坐标系下的目标位置坐标的转换关系如下：

其中，ρ为地惯坐标系中地基观测站到空间目标的向量，θ和λ为地基观测站相对于地惯坐标系的经纬角。

通过实际观测

式中，K为卡尔曼增益，其表达式为

同时，预测状态和观测协方差的计算公式为

观测的估计结果可能因为几何模型遮挡关系或者探测器的噪声出现跳变，可能对姿态估计造成较大的影响，因此需要判定是否属于跳变。跳变存在两种情况：一种是由于探测器等外界因素导致的跳变，这种跳变会影响到估计算法的稳定性，另一种是由于空间目标的大表面出现镜面反射导致的突变，这一种情况的出现不会影响算法的稳定性，因而可以通过两个阈值来判断是否为影响系统的跳变。

首先定义该点跳变系数如下

其中，m

若跳变系数大于阈值，认为系统存在跳变，进一步判断跳变是否属于合理跳变，则预测k+1时刻的观测值，若k+1时刻预测的观测值与实际观测值的残差大于阈值，则认为该跳变为不合理阈值，即

4.过拟合现象矫正

若无损变换参数，特别是观测模型误差协方差选取不恰当，则会对状态参数的估计产生过度拟合。四元数可以表示较为简单的状态参数差异，但是难以定量地表达需要修正的尺度，故针对过拟合现象，在其矫正过程中使用罗德里格斯参数来定量地表征修正尺度。

上述修正是由线性变换完成的，因此可以将过度拟合看作一个线性过程，修正的尺度为

其中，

基于线性变换假设，根据需要修正的尺度来校正卡尔曼增益的大小，矫正后的卡尔曼增益为

其中，K

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。