專利名稱：一種空間目標(biāo)相對定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理和模式識別領(lǐng)域中的空間目標(biāo)定位。
背景技術(shù)：
在圖像處理和模式識別領(lǐng)域的目標(biāo)識別技術(shù)中，空間目標(biāo)定位是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其定位的速度和精度直接影響到目標(biāo)識別系統(tǒng)的性能。當(dāng)前空間目標(biāo)定位方法主要有單星對目標(biāo)基于測角的無源定位、多星交叉定位等方法。這些方法主要存在的缺陷是1、單星無源定位的收斂時間長、定位精度低；2、傳統(tǒng)的多星交叉定位需要高精度的星址坐標(biāo)，因此需要借助地面設(shè)備或天基導(dǎo)航設(shè)備確定多星的位置。而考慮到在太空環(huán)境中，對太空垃圾的避障只需要知道它們與在軌航天器之間的相對距離和方向關(guān)系，而不需要知道他們的絕對坐標(biāo)。在實時空間目標(biāo)識別系統(tǒng)中，對于目標(biāo)定位速度和定位精度要求都很高，因此實時、高精度空間目標(biāo)定位成為圖像處理和模式識別領(lǐng)域中的研究熱點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題時，提出一種空間目標(biāo)定位方法，能夠快速準(zhǔn)確的定位在軌航天器附近的目標(biāo)。本發(fā)明的技術(shù)方案包括以下步驟步驟1 在軌航天器釋放一顆攜帶可見光相機的微型衛(wèi)星；步驟2 分別通過微波和測向設(shè)備測量它們之間的距離以及在彼此本體坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角；步驟3 在軌航天器和微型衛(wèi)星構(gòu)成雙星觀測系統(tǒng)，共同對空間目標(biāo)進(jìn)行觀測，獲得目標(biāo)在各自本體坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角；步驟4 建立雙星星間坐標(biāo)系，并計算衛(wèi)星本體坐標(biāo)系至雙星星間坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；步驟5 計算目標(biāo)在雙星星間坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角；步驟6 最后通過雙星視線交叉計算得到空間目標(biāo)的三維位置。步驟1中攜帶可見光相機的微型衛(wèi)星是從在軌航天器中釋放出來的。步驟2中測量在軌航天器和微型衛(wèi)星在對方本體坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角有以下幾個步驟步驟2-1通過圖像處理，從背景圖像中檢測出目標(biāo)，并測量其在相機焦平面上成像坐標(biāo)；步驟2-2計算目標(biāo)相對視線單位矢量在相機測量坐標(biāo)系中的投影坐標(biāo)；步驟2-3根據(jù)光電軸角編碼器測量得到的相機光軸指向角，把目標(biāo)相對視線單位矢量轉(zhuǎn)至衛(wèi)星本體坐標(biāo)系，計算在軌航天器和微型衛(wèi)星在對方本體坐標(biāo)系下的方位角和俯
3仰角。步驟4中的雙星星間坐標(biāo)系是以雙星的質(zhì)心為原心，雙星連線并指向?qū)Ψ降姆较驗閄軸，Z軸在雙星和地心構(gòu)成的平面內(nèi)，垂直于X軸并指向地心，Y軸與X軸、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。步驟5中的目標(biāo)在雙星星間坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角，是把目標(biāo)在雙星本體坐標(biāo)系下測量到的方位角和俯仰角，通過步驟4計算得到的旋轉(zhuǎn)矩陣轉(zhuǎn)至雙星星間坐標(biāo)系下而計算出來的。最后通過雙星交叉確定空間目標(biāo)在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。本發(fā)明的優(yōu)點在于1)從在軌航天器中釋放一顆微型衛(wèi)星，構(gòu)成雙星觀測系統(tǒng)；2)通過微波測量星間的距離，不用依賴地面設(shè)備或者天基導(dǎo)航設(shè)備實時測量雙星的位置；3)建立雙星星間坐標(biāo)系，通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換計算得到空間目標(biāo)在雙星星間坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角。


圖1是本發(fā)明提出的空間目標(biāo)相對定位方法的總體流程圖。圖2是本發(fā)明中目標(biāo)相對衛(wèi)星在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的方位角和俯仰角計算流程。圖3是本發(fā)明提出的雙星星間坐標(biāo)系和衛(wèi)星本體坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。圖4是本發(fā)明中空間目標(biāo)在雙星星間坐標(biāo)系下的位置計算原理
具體實施例方式首先簡單對本發(fā)明中用到的幾種不同的坐標(biāo)系和坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換作簡單介紹(1)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系坐標(biāo)原點位于測量衛(wèi)星質(zhì)心，ζ軸在衛(wèi)星主對稱面內(nèi)指向地心，X軸在衛(wèi)星主對稱面內(nèi)垂直于ζ軸并指向衛(wèi)星運動方向，y軸垂直于主對稱面構(gòu)成右手坐標(biāo)系。(2)相機測量坐標(biāo)系坐標(biāo)原點位于相機光學(xué)系統(tǒng)入瞳中心，χ軸與相機光軸重合，ζ軸在相機主對稱面內(nèi)垂直于χ軸并指向地心，y軸與χ、ζ軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。(3)焦平面坐標(biāo)系坐標(biāo)原點在焦平面中心，y軸與相機測量坐標(biāo)系中y軸重合，ζ軸與相機測量坐標(biāo)系ζ軸重合。(4)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系至相機測量系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換測量相機相對衛(wèi)星問題的歐拉旋轉(zhuǎn)次序為偏航-俯仰，歐拉角分別為…(0,邶))，
則衛(wèi)星本體坐標(biāo)系至測量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)移矩陣為
Μ0Β=Κ0Τγ[θ(φ0Τζ[φ( )](1)以下結(jié)合附圖對本發(fā)明方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明流程如圖1所示，其步驟描述如下
4
步驟1 在軌航天器釋放攜帶可見光相機的微型衛(wèi)星。微型衛(wèi)星的軌道和航天器軌道根數(shù)一樣，這樣使得它們之間的距離和相對姿態(tài)可以基本穩(wěn)定。微型衛(wèi)星攜帶了兩臺可見光相機，一臺用于跟蹤確定航天器的方向，另外一臺用于跟蹤確定空間目標(biāo)的方向，兩臺相機都由雙軸驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動，用光電軸角編碼器測量驅(qū)動機構(gòu)的轉(zhuǎn)角。步驟2 航天器和微型衛(wèi)星測量彼此之間的距離和對方在本體坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角。設(shè)微波測距測量到的星間距離為1AB。方位角和俯仰角的測量流程如圖2所示， 其主要步驟如下步驟2-1通過圖像處理，從背景圖像中檢測出目標(biāo)，并測量其在相機焦平面上成像坐標(biāo)；步驟2-2根據(jù)相機光學(xué)焦距，計算得到目標(biāo)相對視線單位矢量在相機測量坐標(biāo)系中的投影坐標(biāo)。假設(shè)目標(biāo)在相機焦平面上成像坐標(biāo)為(y' ,ζ')，相機光學(xué)焦距為f，則目標(biāo)相對視線單位矢量S。在相機測量坐標(biāo)系中的投影坐標(biāo)為(x° ’r , z° ) = (f/l,-y' /l，-z' /1) (2)其中l(wèi)=(f2+y' 2+z' 2)"2。步驟2-3根據(jù)光電軸角編碼器測量得到的相機光軸指向角，把目標(biāo)相對視線單位矢量轉(zhuǎn)至衛(wèi)星本體坐標(biāo)系，計算得到在軌航天器和微型衛(wèi)星在對方本體坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角。將S。投影到衛(wèi)星本體坐標(biāo)系則有
權(quán)利要求
1.一種空間目標(biāo)相對定位方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1 在軌航天器釋放一顆攜帶可見光相機的微型衛(wèi)星；步驟2 分別通過微波和測向設(shè)備測量它們之間的距離以及在彼此本體坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角；步驟3:它們構(gòu)成雙星觀測系統(tǒng)，共同對空間目標(biāo)進(jìn)行觀測，獲得目標(biāo)在各自本體坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角；步驟4 建立雙星星間坐標(biāo)系，并計算衛(wèi)星本體坐標(biāo)系至雙星星間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣； 步驟5 通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換計算目標(biāo)在雙星星間坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角； 步驟6 最后通過雙星視線交叉計算得到空間目標(biāo)的三維位置。
2.權(quán)利要求1所述的空間目標(biāo)相對定位方法，其特征在于，所述步驟1中的攜帶可見光相機的微型衛(wèi)星是從在軌航天器中釋放出來的。
3.權(quán)利要求1所述的空間目標(biāo)相對定位方法，其特征在于，所述步驟2中的計算在軌航天器和微型衛(wèi)星在彼此本體坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角包括以下步驟步驟2-1通過圖像處理，從背景圖像中檢測出目標(biāo)，并測量其在相機焦平面上成像坐標(biāo)；步驟2-2根據(jù)相機光學(xué)焦距，計算得到目標(biāo)相對視線單位矢量在相機測量坐標(biāo)系中的投影坐標(biāo)。步驟2-3根據(jù)光電軸角編碼器測量得到的相機光軸指向角，把目標(biāo)相對視線單位矢量轉(zhuǎn)至衛(wèi)星本體坐標(biāo)系，計算得到在軌航天器和微型衛(wèi)星在對方本體坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角。
4.權(quán)利要求1所述的空間目標(biāo)相對定位方法，其特征在于，所述步驟4中的雙星星間坐標(biāo)系的建立是以雙星的質(zhì)心為原心，雙星連線并指向?qū)Ψ降姆较驗閄軸，Z軸在雙星和地心構(gòu)成的平面內(nèi)，垂直于X軸并指向地心，Y軸與X軸、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。
5.權(quán)利要求1所述的空間目標(biāo)相對定位方法，其特征在于，所述步驟5中的目標(biāo)在雙星星間坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角是把目標(biāo)在雙星本體坐標(biāo)系下測量到的方位角和俯仰角通過旋轉(zhuǎn)矩陣轉(zhuǎn)至雙星星間坐標(biāo)系下計算出來的。
全文摘要
一種空間目標(biāo)相對定位方法，在軌航天器釋放一顆攜帶可見光相機的微型衛(wèi)星；通過微波測距法測量在軌航天器和微型衛(wèi)星之間的距離；通過測向設(shè)備測量它們在彼此本體坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角；把它們構(gòu)成雙星觀測系統(tǒng)，共同對空間目標(biāo)進(jìn)行觀測；以雙星的連線方向為X軸建立雙星星間坐標(biāo)系，Z軸在雙星和地心構(gòu)成的平面內(nèi)且垂直于X軸并指向地心。計算衛(wèi)星本體坐標(biāo)系至雙星星間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換計算目標(biāo)在雙星星間坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角；最后通過雙星視線交叉計算得到空間目標(biāo)的三維位置。本發(fā)明先計算雙星之間的相對關(guān)系，建立雙星星間坐標(biāo)系，然后通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，把在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系測量到的方位角和俯仰角轉(zhuǎn)至雙星星間坐標(biāo)系，最后通過雙星視線交叉得到目標(biāo)的精確位置，定位速度快，精度高，特別適用于確定航天器附近太空垃圾的實時定位。
文檔編號G01C1/00GK102353931SQ20111025890
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者何雷, 葉平, 孫漢旭, 杜宇楠, 胡琦, 賈慶軒 申請人:北京郵電大學(xué)