本發(fā)明屬于航天器深空探測的空間測量領(lǐng)域，尤其涉及一種衛(wèi)星自主連續(xù)觀測小行星的方法。

背景技術(shù)：

隨著深空探測技術(shù)的發(fā)展，小行星探測已成為21世紀(jì)深空探測的重要內(nèi)容之一，開展小行星探測不僅有助于揭開太陽系和生命的起源、演化之謎，而且可促進(jìn)地球防護(hù)、空間科學(xué)和空間技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，能為更遠(yuǎn)的深空探測關(guān)鍵技術(shù)提供驗(yàn)證。

目前，各主要航天國家都十分重視深空探測戰(zhàn)略的制定工作，從戰(zhàn)略高度明確了各自的發(fā)展方向和重點(diǎn)，但目前對小行星的探測工作還處于初級階段，相關(guān)技術(shù)尚未成熟，有待進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。小行星探測的主要手段包括：飛越探測、繞飛探測、著陸取樣探測三種方式，其中為了在小行星附近進(jìn)行飛越探測和伴飛探測，都需要通過星載監(jiān)測設(shè)備對小行星進(jìn)行遠(yuǎn)程觀測，以獲得小行星的地形、地貌等外部信息。此外，由于小行星周圍引力場復(fù)雜、測控信息匱乏、探測器與地面控制站通信延遲大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的無線電跟蹤技術(shù)難以滿足導(dǎo)航實(shí)時(shí)性的要求，使得小行星探測任務(wù)中的自主導(dǎo)航技術(shù)成為了小行星探測技術(shù)需要研究的重點(diǎn)之一。

綜上所述，由于傳統(tǒng)可見光相機(jī)無法始終連續(xù)跟蹤觀測小行星，因此這就使得研究針對小行星的新型光學(xué)測量方法顯得迫切重要，不僅可以為我國深空探測任務(wù)提供技術(shù)儲備，同時(shí)也可以促進(jìn)其他相關(guān)研究課題和工程項(xiàng)目的進(jìn)展，為我國航空航天技術(shù)進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明針對面向小行星的深空探測，衛(wèi)星無法始終連續(xù)跟蹤觀測小行星導(dǎo)致信息缺失的問題，提出一種衛(wèi)星利用星敏感器自主連續(xù)觀測小行星相對方向矢量的方法，為深空探測衛(wèi)星提供高精度相對觀測信息。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供的一種衛(wèi)星自主連續(xù)觀測小行星的方法，步驟如下：

(1)以目標(biāo)小行星為跟蹤觀測對象，根據(jù)小行星星歷，設(shè)計(jì)衛(wèi)星理論飛行軌道參數(shù)；

(2)根據(jù)計(jì)算的衛(wèi)星和小行星相對距離，判斷是否滿足星敏感器觀測距離要求，滿足則進(jìn)入步驟(3)，否則進(jìn)入步驟(10)；

(3)根據(jù)解算的太陽、地球和小行星三者位置關(guān)系，判斷小行星是否處在太陽光照區(qū)，是則進(jìn)入步驟(4)，否則進(jìn)入步驟(10)；

(4)根據(jù)解算的地球、衛(wèi)星和小行星三者位置關(guān)系，判斷地球是否進(jìn)入星敏感器視場，是則進(jìn)入步驟(5)，否則進(jìn)入步驟(10)；

(5)根據(jù)計(jì)算的小行星可視星等，判斷小行星可視星等是否小于星敏感器可觀測閾值，是則進(jìn)入步驟(6)，否則進(jìn)入步驟(10)；

(6)根據(jù)計(jì)算的小行星相對衛(wèi)星方向矢量與星敏感器光軸指向夾角，判斷小行星是否在星敏感器視場范圍內(nèi)，是則進(jìn)入步驟(7)，否則利用萬向軸調(diào)整星敏感器光軸指向后，繼續(xù)判斷小行星是否在星敏感器視場范圍內(nèi)，是則進(jìn)入步驟(7)，否則進(jìn)入(10)；

(7)根據(jù)計(jì)算的小行星在星敏感器二維像面陣坐標(biāo)，判斷小行星是否在星敏感器二維像面陣內(nèi)，是則進(jìn)入步驟(7)，否則進(jìn)入步驟(10)；

(8)根據(jù)計(jì)算的小行星相對衛(wèi)星理論方向矢量和方位角與俯仰角，進(jìn)入步驟(9)；

(9)根據(jù)步驟(8)所得的小行星相對衛(wèi)星理論方向矢量和方位角與俯仰角，調(diào)整主星星敏感器光軸與理論方向矢量一致，計(jì)算小行星相對衛(wèi)星單位方向矢量真實(shí)測量值，并建立觀測模型，進(jìn)入步驟(10)；

(10)結(jié)束觀測。

進(jìn)一步的，所述步驟(1)中的設(shè)計(jì)衛(wèi)星理論飛行軌道參數(shù)具體包括軌道半長軸a、軌道偏心率e、軌道傾角i、升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω、近地點(diǎn)幅角ω和過近地點(diǎn)時(shí)刻tp。

進(jìn)一步的，所述步驟(2)中判斷小行星是否滿足星敏感器觀測特定距離要求過程如下：

計(jì)算衛(wèi)星相對小行星距離δr^(Ast0)，判斷其是否滿足條件

L_min≤δr^(Ast0)≤L_max (1)

其中，δr^(Ast0)＝|δr^(Ast0)|＝|r^(Ast)-r⁽⁰⁾|，r⁽⁰⁾和r^(Ast)為衛(wèi)星和小行星位置矢量；L_min和L_max為星間觀測所需最小距離和最大距離。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)中判斷小行星是否處在太陽光照區(qū)過程如下：

分析地球陰影范圍以及小行星運(yùn)行穿過該陰影區(qū)的臨界條件，設(shè)小行星位置矢量r^(Ast)與太陽位置矢量r^(sun)夾角為ψ，小行星進(jìn)入和離開地球陰影范圍的臨界夾角為和則小行星處在太陽光照區(qū)需要滿足條件：

進(jìn)一步的，所述步驟(4)中判斷地球是否進(jìn)入星敏感器視場過程如下：

設(shè)衛(wèi)星位置矢量r⁽⁰⁾和衛(wèi)星相對小行星方向矢量δr^(Ast0)的夾角為θ，由于被地球遮擋導(dǎo)致背景光線過弱的臨界條件是小行星相對衛(wèi)星方向矢量δr^(Ast0)與地球邊緣相切，定義此臨界夾角為θ_cri，則地球未進(jìn)入星敏感器視場條件為：

θ＞θ_cri (3)。

進(jìn)一步的，所述步驟(5)中判斷小行星可視星等是否小于星敏感器可觀測閾值過程如下：

引入可視星分析小行星的可見性，星等值越小，表明天體越亮；反之，天體則越暗；設(shè)星敏感器可觀測閾值為m_thr，小行星可視星等為m，小行星被觀測到其可視星等需要滿足條件

m＜m_thr (4)。

進(jìn)一步的，所述步驟(6)中判斷小行星是否在星敏感器視場范圍內(nèi)過程如下：

設(shè)小行星相對衛(wèi)星方向矢量δr^(Ast0)與星敏感器光軸指向矢量夾角為星敏感器視場角為FOV，則方向矢量δr^(Ast0)在星敏感器視場范圍內(nèi)需要滿足條件

如果相對矢量δr^(Ast0)不在視場范圍內(nèi)，利用萬向軸或其他機(jī)械裝置調(diào)整星敏感器光軸指向，使其進(jìn)入視場范圍，如果轉(zhuǎn)動(dòng)后仍不能進(jìn)入視場，則無法觀測。

進(jìn)一步的，所述步驟(7)中判斷判斷小行星是否在星敏感器二維像面陣內(nèi)的過程如下：

根據(jù)小行星相對衛(wèi)星方向矢量δr^(Ast0)投影在星敏感器二維像面陣的幾何關(guān)系，解其坐標(biāo)為設(shè)二維像面陣長度和寬度分別為IP_longth和IP_width，則小行星在像平面坐標(biāo)需要滿足條件

進(jìn)一步的，所述步驟(8)中計(jì)算小行星相對衛(wèi)星理論方向矢量和方位角與俯仰角具體為：

小行星相對衛(wèi)星單位方向矢量由星敏感器獲得，即得小行星相對衛(wèi)星方位角α與俯仰角δ，衛(wèi)星和小行星相對距離|δr^(Ast0)|由星間鏈路獲得，由此得到小行星相對衛(wèi)星理論方向矢量δr^(Ast0)

其中，

小行星相對衛(wèi)星方位由方位角和俯仰角描述，在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系ob-xbybzb中，定義方位角α為δr^(Ast0)在o_b-ybzb平面的投影與yb軸夾角，俯仰角δ為δr^(Ast0)與xb軸夾角，表示為

其中，是地心慣性坐標(biāo)系相對本體坐標(biāo)系姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣。

進(jìn)一步的，所述步驟(9)具體為：

根據(jù)步驟(8)所得的小行星相對衛(wèi)星理論方向矢量和方位角與俯仰角，衛(wèi)星采用萬向軸調(diào)整星敏感器光軸指向與理論方向矢量一致，并利用星敏感器進(jìn)行實(shí)際測量，輸出小行星相對衛(wèi)星單位方向矢量真實(shí)測量值由衛(wèi)星激光測距儀測量衛(wèi)星和小行星之間的實(shí)際測量值|δr^(Ast0)|_mes，得小行星相對衛(wèi)星單位方向矢量真實(shí)觀測模型為：

工作原理：本發(fā)明是一種衛(wèi)星自主連續(xù)觀測小行星新方法，利用衛(wèi)星星敏感器自主連續(xù)觀測小行星，得到小行星相對衛(wèi)星方向矢量和方位角與俯仰角。首先以目標(biāo)小行星為跟蹤觀測對象，根據(jù)小行星星歷，設(shè)計(jì)衛(wèi)星飛行軌道參數(shù)，然后提出衛(wèi)星星敏感器觀測小行星需要滿足四種基本光照條件：①衛(wèi)星和小行星相對距離滿足觀測距離要求；②小行星處在太陽光照區(qū)能被完全觀測；③地球(或其他天體)未進(jìn)入星敏感器視場；④小行星可視星等小于可視星等閾值，其次判斷衛(wèi)星星敏感器能否觀測到小行星：①小行星是否在星敏感器視場范圍；②小行星是否在星敏感器二維像面陣內(nèi)，最后計(jì)算小行星相對衛(wèi)星方向矢量和方位角及俯仰角，為衛(wèi)星自主連續(xù)觀測小行星提供數(shù)據(jù)支持。

有益效果：相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明可為衛(wèi)星編隊(duì)飛行提供高精度相對觀測信息，有效解決衛(wèi)星編隊(duì)飛行觀測信息不足所導(dǎo)致的導(dǎo)航精度較低的問題。具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、星敏感器是觀測恒星的天體敏感器，而利用星敏感器觀測小行星需要需要滿足特定條件，本發(fā)明提出小行星被觀測需要滿足的光照條件和星敏感器觀測條件，解決傳統(tǒng)星敏感器只能被動(dòng)觀測問題，提高自主觀測準(zhǔn)確性；2、在實(shí)現(xiàn)星間觀測基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出實(shí)時(shí)計(jì)算小行星相對衛(wèi)星方位矢量和方位角和俯仰角方法，并且利用萬向軸調(diào)整星敏感器光軸指向連續(xù)跟蹤小行星，解決傳統(tǒng)觀測無法連續(xù)跟蹤問題，提高星間連續(xù)觀測效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法流程圖；

圖2為本發(fā)明衛(wèi)星相對小行星星間特定距離范圍示意圖；

圖3為本發(fā)明中小行星光照條件示意圖；

圖4為本發(fā)明中星敏感器視場與地球位置關(guān)系示意圖；

圖5為本發(fā)明中小行星可視星等計(jì)算示意圖；

圖6本發(fā)明中小行星在星敏感器二維像面陣投影示意圖；

圖7為本發(fā)明中小行星相對衛(wèi)星方向矢量與方位角示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的實(shí)施案例進(jìn)行詳細(xì)的描述；

如圖1所示，本發(fā)明為一種衛(wèi)星自主連續(xù)觀測小行星的方法，其面向小行星的深空探測階段，衛(wèi)星利用星敏感器自主連續(xù)觀測小行星相對方向矢量的新方法，是一種非常適合于深空探測衛(wèi)星連續(xù)觀測小行星方法。其包括步驟如下：

(1)以目標(biāo)小行星為跟蹤觀測對象，根據(jù)小行星星歷，設(shè)計(jì)衛(wèi)星理論飛行軌道參數(shù)(包括軌道半長軸a、軌道偏心率e、軌道傾角i、升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω、近地點(diǎn)幅角ω、過近地點(diǎn)時(shí)刻t_p)，設(shè)計(jì)衛(wèi)星星敏感器最佳安裝方位以觀測小行星；

(2)根據(jù)所設(shè)計(jì)兩個(gè)空間機(jī)器人軌道參數(shù)，計(jì)算衛(wèi)星和小行星相對距離δr^(Ast0)，如圖2所示，判斷其是否滿足星敏感器觀測小行星需要滿足特定距離要求

L_min≤δr^(Ast0)≤L_max (10)

其中，δr^(Ast0)＝|δr^(Ast0)|＝|r^(Ast)-r⁽⁰⁾|，r⁽⁰⁾和r^(Ast)為衛(wèi)星和小行星位置矢量；L_min和L_max為星間觀測所需最小和最大距離。

(3)當(dāng)衛(wèi)星觀測小行星時(shí)，小行星需要被太陽光充分照射。當(dāng)小行星在地球光照區(qū)時(shí)，小行星能被太陽光充分照射；反之，當(dāng)小行星進(jìn)入地球陰影區(qū)時(shí)，由于地球遮擋，太陽光無法照射到小行星，因此需要對小行星光照條件進(jìn)行判斷。

根據(jù)太陽、地球和小行星三者幾何位置關(guān)系，如圖3所示，確定太陽陰影區(qū)和小行星運(yùn)行軌跡穿過該陰影區(qū)的臨界條件。設(shè)太陽光為平行光，定義太陽光方向矢量為0°，繞其順時(shí)針角度為正，取值范圍[0,π]，繞其逆時(shí)針角度為負(fù)，取值范圍為[-π,0)，小行星位置矢量r^(Ast)與太陽方向矢量r^(sun)形成的夾角為

順時(shí)針：

逆時(shí)針：

小行星進(jìn)入和離開地球陰影范圍的臨界夾角為

其中，R_e是地球半徑。

由此可得小行星處在太陽光照區(qū)和陰影區(qū)條件分別為：

太陽光照區(qū)：

太陽陰影區(qū)：或

(4)在星敏感器觀測小行星過程中，當(dāng)視場背景光線過強(qiáng)或過弱時(shí)，其也無法觀測小行星，因此需要分析視場背景受天體影響。

以地球?qū)е滦敲舾衅饕晥霰尘斑^弱為例進(jìn)行分析，根據(jù)地球、衛(wèi)星和小行星三者幾何位置關(guān)系，如圖4所示，小行星相對衛(wèi)星方向矢量δr^(Ast0)和衛(wèi)星方向矢量r⁽⁰⁾的夾角為

由于地球?qū)е卤尘肮饩€過弱的臨界條件是衛(wèi)星和小行星的連線與地球邊緣相切，則切線與衛(wèi)星位置矢量的臨界夾角為

由此可得星敏感器視場不受背景光線影響的條件為

θ＞θ_cri (16)

該方法同樣適用判斷小行星背景受其他天體遮擋導(dǎo)致光線過強(qiáng)情況。

(5)星等是天文學(xué)中的概念，它是衡量天體光度的物理量。星等通常分為絕對星等和可視星等，絕對星等是指在離該天體32.6光年處所看到的天體亮度；可視星等是指地球上觀測者所見的天體亮度。星等值越小，表明天體越亮；反之，天體則越暗。引入恒星可視星等概念分析被觀測小行星的可見性。

首先要計(jì)算小行星的絕對星等，小行星的絕對星等M可通過下式計(jì)算得出：

其中，m_sun是太陽的可視星等，它的值為-26.73；r_d為被觀測天體的半徑；a是天體的反射率；d₀是地球與太陽之間的平均距離，它的值為1.496×10¹¹m。

小行星的視星等m可以通過絕對星等M依照如下公式計(jì)算得到：

其中，|r^(sun0)|是太陽與小行星之間的距離；ξ是相對矢量δr^(Ast0)與太陽相對小行星方向矢量r^(sunAst)夾角，如圖5所示，可通過下式求得：

p(ξ)是相位積分，可由下式求得：

被觀測星體可視星等值越大，其相對星敏感器越暗；反之，其相對星敏感器越亮。設(shè)星敏感器可觀測閾值為m_thr，小行星可視星等為m，其可視星等需要滿足條件

m＜m_thr (21)

定義星敏感器光軸指向在本體坐標(biāo)系方向矢量為計(jì)算小行星相對衛(wèi)星方向矢量δr^(Ast0)與星敏感器方向矢量為的夾角

其中，是地心慣性坐標(biāo)系相對本體坐標(biāo)系姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣。

定義星敏感器視場角為FOV，判斷相對矢量δr^(Ast0)是否在星敏感器視場范圍內(nèi)

視場范圍內(nèi)：

視場范圍外：

如果相對矢量δr^(Ast0)不在視場范圍內(nèi)，考慮利用萬向軸調(diào)整星敏感器光軸指向矢量，可以在由δr^(Ast0)和組成的平面內(nèi)直接偏轉(zhuǎn)等于或大于角度，使矢量δr^(Ast0)進(jìn)入視場范圍，如果轉(zhuǎn)動(dòng)后仍不能進(jìn)入視場，則無法觀測。

(7)根據(jù)小行星相對衛(wèi)星方向矢量δr^(Ast0)投影在星敏感器二維像面陣的幾何關(guān)系，如圖6所示，解算如下(23)式，可得小行星在二維像面陣坐標(biāo)

其中，f是星敏感器焦距

設(shè)像平面長度和寬度分別為IP_longth和IP_width，小行星能被觀測需要滿足條件

(8)在衛(wèi)星觀測到小行星后，由星間鏈路可得兩顆衛(wèi)星之間距離δr^(Ast0)，由星敏感器可得小行星相對衛(wèi)星單位方向矢量當(dāng)上述星敏感器所有理想觀測條件都滿足時(shí)，根據(jù)所設(shè)計(jì)衛(wèi)星理論飛行軌道參數(shù)，即可計(jì)算出小行星相對于觀測衛(wèi)星的理論方向矢量以及方位角和俯仰角，如圖7所示，可得小行星相對衛(wèi)星方向矢量為

其中，

小行星相對衛(wèi)星方向可由方位角和俯仰角描述，在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系o_b-x_by_bz_b中，定義方位角α為δr^(Ast0)在o_b-y_bz_b平面的投影與y_b軸夾角，俯仰角δ為δr^(Ast0)與x_b軸夾角，可表示為

其中，是地心慣性坐標(biāo)系相對本體坐標(biāo)系姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣。

(9)根據(jù)上述所得的小行星相對衛(wèi)星理論方向矢量和方位角與俯仰角，衛(wèi)星采用萬向軸或其他機(jī)械裝置調(diào)整星敏感器光軸指向與該理論方向矢量相吻合，并利用星敏感器進(jìn)行實(shí)際測量，輸出小行星相對衛(wèi)星單位方向矢量真實(shí)測量值由衛(wèi)星激光測距儀測量與小行星之間的實(shí)際測量值|δr^(Ast0)|_mes，由可得小行星相對衛(wèi)星的方向矢量真實(shí)觀測模型為：

(10)結(jié)束觀測。

本發(fā)明首先以目標(biāo)小行星為跟蹤觀測對象，根據(jù)小行星星歷，設(shè)計(jì)衛(wèi)星理論飛行軌道參數(shù)，然后提出衛(wèi)星星敏感器觀測小行星需要滿足四種基本光照條件：衛(wèi)星和小行星相對距離滿足觀測特定距離要求；小行星處在太陽光照區(qū)能被完全觀測；地球(或其他天體)未進(jìn)入星敏感器視場；小行星可視星等小于可視星等閾值，其次判斷衛(wèi)星星敏感器能否觀測到小行星：小行星是否在星敏感器視場范圍；小行星是否在星敏感器二維像面陣內(nèi)，計(jì)算小行星相對衛(wèi)星的理論方向矢量和方位角與俯仰角，最后調(diào)整星敏感器光軸與理論方向一致，對小行星進(jìn)行真實(shí)觀測，為衛(wèi)星自主連續(xù)觀測小行星提供數(shù)據(jù)支持。