天基空间碎片光学探测影响因素分析及仿真

光学手段在天基空间碎片探测中被广泛应用,但容易受到杂光等因素影响。结合在轨试验数据,从探测器和碎片两方面分析了影响天基空间碎片光学探测的因素。影响探测器探测效果的因素包括太阳光、月光、地气光、大气辉光等杂光及南大西洋异常区辐射等;影响碎片可见性的因素包括地球遮挡、地影及反射的太阳光等。分别给出了上述影响因素涉及的特征量及规避影响的计算方法。基于某天基探测设备的仿真结果表明,上述影响在自然交会及姿态机动模式下均可能发生,在试验设计时需被充分考虑。最后,针对某天基空间碎片探测任务进行了规划。文章对天基光学探测试验设计具有一定的指导意义。     

地气光辐射对空间目标成像特性影响分析

为分析地气光辐射对空间目标成像特性的影响,以地球同步轨道(GEO)卫星搭载的可见光成像器为探测平台,利用卫星工具包(STK)设计高椭圆轨道(HEO)及近地轨道(LEO)目标运动场景,根据空间目标、地球、太阳、探测平台之间的位置关系,采用微元法建立空间目标与地气光背景等效星等模型,推导出空间目标信噪比(SNR)计算公式。分析了距离、角度参数变化对不同轨道空间目标、地气光背景等效星等及空间目标信噪比的影响。仿真结果表明:当探测平台距离空间目标较远时,地气光背景等效星等低于空间目标等效星等,地气光辐射比空间目标信号强。当地气光辐射进入和离开空间目标探测视场时,空间目标信噪比最大,该时间段是进行空间目标探测的最佳“观测窗口”。仿真得出的空间目标信噪比值为空间目标探测识别提供了理论计算依据。      

光电二极管的地球反照光校正及卫星姿态估计

光电二极管作为体积小、成本低的太阳敏感器,可以结合地球敏感器进行卫星三轴姿态估计,但是地球反照光对其具有严重的影响,从而限制了其应用,然而地球反照光数学模型应用复杂。针对此问题,首先建立了一种简化的光电二极管量测模型,将地球反照光设成动态偏置项补偿在光电二极管模型中,并将误差建模为混合高斯噪声。然后应用滑窗估计和随机权重策略动态估计和更新模型中的参数。同时,采用多比例因子分别估计各光电二极管的地球反照光影响,并引入Huber影响函数处理异常值,从而提高了算法鲁棒性和参数估计精度。实验结果表明,采用地球反照光校正的光电二极管量测模型和无迹卡尔曼滤波（UKF）算法可实现卫星的高精度姿态估计,三轴姿态精度能达到0.2°~0.3°。      

在轨航天器地气光环境分析

为得出定量化的遥感观测地气光环境数据,建立了简化的航天器地气光分布计算模型,首先将航天器及其各类运行轨道归纳到统一的照明模式中,地气光的分布主要考察航天器轨道面与地球晨昏面的夹角,然后考察航天器在每轨中的具体相位,以建立照度的几何传递关系;随后考察太阳辐照经地表后,最终到达航天器遥感观测载荷的光照度.计算结果能反映地气光在载荷观测方向2π半球视场内的分布情况,根据分布随空间变化的具体量级,对不同的离轴角进行照度积分,可转化为对观测仪器的地气光抑制能力要求.      

基于SBV传感器的地球同步带目标监视系统星座设计

以天基可见光(Space-BasedVisible,SBV)传感器实现对整个地球同步带的监视为研究背景,对监视系统星座构型进行分析与设计.在分析三种观测模式优劣的基础上,给出了最优观测模式;导出了监视卫星轨道高度与搜索栅栏参数之间的关系,并以此确定了监视系统轨道高度的可选范围;通过分析影响天基可见光传感器观测时段和操作策略的因素,给出了SBV传感器的最优观测时段及成像时间的分配原则;在分析单星和双星监视系统方案覆盖率与重访次数的基础上,给出了监视系统卫星数目和搜索栅栏大小的选取原则以及满足回归性的双星监视系统轨道高度选取范围.研究结果表明,监视卫星经过天极附近时采用pinchpoints观测模式可有效提高对较大倾角地球同步轨道目标的覆盖能力,其轨道采用降交点在06:00LT或18:00LT时的太阳同步圆轨道,高度约在615～850km,且在此范围内有6条轨道满足星座回归性要求.      

天基可见光传感器卫星监视地球同步带目标的轨道设计

在分析地球同步轨道目标光学特性和位置特性的基础上, 确定了天基可见光(Space-Based Visible, SBV)传感器监视整个地球同步带目标的搜索栅栏位置以及搜索策略, 导出搜索栅栏与观测时间和观测次数之间的关系. 根据航天任务需求和SBV传感器特性, 确定了监视轨道的类型和参数约束条件, 给出了约束条件下监视轨道的选取范围, 并对其轨道观测效能进行仿真分析. 仿真结果表明, 通过适当选取监视轨道参数, 监视轨道对地球同步带的覆盖率均可达到90%以上. 如果SBV传感器视场达到4°×4°以上或搜索栅栏宽度大于40°, 其覆盖率高达95%以上.      

空间交会最终平移段控制策略

提出空间交会最终平移段的控制方法,选取追踪航天器的相对位置与姿态角作为控制变量,同步控制追踪航天器的质心运动与姿态运动,修正制导机动执行偏差的影响,使目标航天器保持在光学导航视场范围之内,且满足对接操作对追踪航天器状态的要求。     

空间碎片天基监测图像仿真研究

空间碎片天基光学监测可以有效弥补地基监测的时空覆盖缺陷.目前天基观测数据不足甚至没有数据,这给监测系统研制、数据处理算法研究及软件系统研发和验证造成了一定困难.因此,研发能够为相关研究提供空间监测图像的空间碎片天基监测图像仿真软件系统具有重要意义.本文根据天基监测图像的特点,研究基本算法,设计仿真流程,给出仿真图像并对结果进行分析.为得到符合实际观测场景的高精度仿真图像,软件系统采用瞬时惯性坐标系;基于Tycho2星表提出了采用基于索引文件的快速星表查询方法来生成背景星图;利用两行根数（Two-Line Element,TLE）数据集仿真空间碎片观测值;并对结果图像中目标的运行轨迹进行分析,得出天基监测空间目标的成像特性.仿真结果表明,该仿真系统能够针对不同观测条件和观测平台,在兼顾精度与时效性的情况下,获得较为真实的空间碎片天基光学系列观测图像.      

基于代码自动生成的空间交会GNC系统仿真平台

空间交会对接GNC系统涉及目标器和追踪器两个航天器的姿态轨道控制,其数学仿真比一般的卫星更复杂.给出一种轨道动力学、姿态动力学、相对动力学、测量及执行部件等仿真模型的规范化方法,并在此基础上,提出一套基于代码自动生成技术的空间交会对接GNC仿真平台,该平台的模块化和自动化程度高、软件的可读性和通用性强,实现了两个航天器的快速规范化仿真,显著提高了研究人员的工作效率,为空间交会GNC系统的设计和仿真提供了良好的支持.     

航天器自主交会对接的视觉相对导航方法

针对航天器自主交会对接在最终逼近阶段的相对导航问题,研究了基于特征光标的航天器视觉相对导航方法。首先建立了小角度假设条件下的相对导航模型。给出了航天器相对位置和采用欧拉角描述的相对姿态的近似解析算法。其次利用相对姿态的解析解作为观测信息,采用降阶的无迹卡尔曼滤波方法对目标航天器的姿态角和惯性角速度进行了估计,间接得到了相对姿态和相对姿态角速度的估计值。数值仿真表明提出的解析算法能够有效获得相对位置和相对姿态测量信息,通过降阶滤波可明显提高相对姿态确定精度。     

椭圆轨道非合作目标交会接近策略与控制

文章研究了追踪航天器与失控旋转非合作目标航天器在椭圆轨道中的交会接近策略与控制。在接近策略方面,首先,根据目标航天器大致结构设定一个安全的停泊点,使追踪航天器交会至停泊点;其次,通过在停泊点对旋转目标航天器姿态的观测,分析和预测其运动并确定合适的抓捕点位置,设计安全的接近轨迹,使追踪航天器沿着该轨迹接近至理想的抓捕实施点位置。在控制方面,考虑实际系统中的不确定性,只利用两航天器之间相对位置的测量信息,设计基于特征模型的自适应控制方法实现交会接近。最后通过数学仿真模拟整个交会接近过程,验证了文中所提出的接近策略和控制方法。     

空间目标在天基光学探测中的特性分析与仿真

分析了空间目标的分布及几何特性,研究了空间目标光学特性与天基探测系统、太阳以及目标自身参数的关系,提出了空间目标光学特性仿真的思路,建立的天基空间目标光学特性分析系统可以计算并绘制相对距离、太阳相位角及目标星等变化曲线.由于很难获取准确的空间目标实际光度数据,文中提出了对仿真结果的验证方法.通过对仿真结果的分析,得出了天基空间目标光学探测的特点,为天基光学探测和识别的研究提供了参考.      

天基激光移除空间碎片仿真平台研究与开发

为了从空间碎片和天基移除系统两方面分析激光驱动碎片变轨过程,优化移除任务规划和策略,基于真实的可观测空间碎片数据,设计并开发了一套天基激光移除空间碎片三维数值仿真平台。首先从总体设计出发,对三维数值仿真平台的需求分析、总体框架、模块功能进行了明确的描述。其次通过对激光驱动空间碎片变轨过程数学模型的分析,确定了各模块的具体实现方法。最后采用C++/Qt开发了三维数值仿真平台,通过仿真验证了设计平台的有效性。该仿真平台可用于不同天基平台和目标碎片的任务规划、碎片分布热点区域和航天器防护区域的方案设计及空间环境治理体系的优化设计。     

多星近距离绕飞观测任务姿轨耦合控制研究

针对多星近距离绕飞观测任务,建立了相对姿态轨道动力学模型,分别考虑了在椭圆、空间圆绕飞轨道上观测卫星的两种期望三角形编队构型,以观测卫星视线始终指向目标为期望姿态,采用基于四元数和角速度误差反馈的比例 微分控制律以及一种改进的基于人工势场法的制导方法相结合,对相对姿态及轨道进行控制。仿真结果表明：在控制律的作用下,绕飞过程中各观测卫星均能够有效地跟踪期望相对姿态和期望相对轨道;在空间圆绕飞轨道构型中,各观测卫星从初始同一位置出发后,在任意时刻3颗观测卫星构成的编队构型始终为正三角形,且正三角形的边长从零逐渐增大,最终等于期望正三角形构型的边长。     

基于双目视觉的非合作目标自主姿态估计方法

针对在轨服务任务对于空间非合作目标的自主相对导航需求,提出了一种基于双目视觉的自主姿态估计方法。该方法以Markley变量描述目标的姿态运动,并利用双目相机对目标表面的特征点进行观测,利用特征点的运动规律与目标姿态运动的相关性,并通过容积卡尔曼滤波算法实现了对非合作目标角速度与自旋轴方向的估计。数学仿真验证了所给出的姿态估计方法,并分析了估计精度的影响因素。     

基于天基光学监视的空间目标跟踪方法研究

利用天基观测平台实现对空间目标的有效监视跟踪是空间监视的发展趋势. 在对天基光学监视特点进行分析的基础上, 通过对帧集内目标运动条痕线性拟合提取帧集测量信息, 提出适合其数据特点的空间目标被动跟踪方法, 并给出相应跟踪初始化方法. 该方法在降低信息处理数据流量的同时可以保证一定的精度.      

基于截断最小二乘和半正定规划的空间非合作目标相对位姿估计

面向空间在轨服务和碎片清除的重大应用需求,围绕空间光场复杂、空间目标尺度变化及相对姿态与位置强耦合等难题,提出了一种基于截断最小二乘与半正定规划的空间非合作目标相对位姿估计方法。基于TOF相机,首先进行体素下采样,提取快速点特征直方图(FPFH)特征,考虑目标的局部几何结构尺寸,计算两组FPFH特征的相似度并预测特征之间的对应关系,采用截断最小二乘和半正定规划方法对姿态和位置进行解耦,实现了空间非合作目标的相对位姿估计。使用非合作目标的3D模型进行仿真验证,仿真结果表明：该方法在三种不同高斯噪声强度下具有较好的估计特性,为后续的工程应用及在轨任务实施提供了理论与技术支撑。     

基于天基雷达的空间目标轨道预测

根据天基雷达获取的空间目标位置和速度参数, 研究了计算空间目标轨道根数的方法, 以实现对空间目标的初定轨. 分析了雷达坐标系下对目标的观测误差给协议天球坐标系下的目标参数估计带来的影响. 提出了空间二体相遇问题的一种解决方案. 利用已知的空间站轨道, 仿真分析了空间目标在一周之内和空间站的相遇情况, 同时给出了目标轨道预测的误差分析.      

空间目标视星等曲线仿真

人类航天活动日益频繁，空间目标种类和数量不断增多，识别未知空间目标的关键特征具有重要的科学价值。本文通过辅助图形软件建模分割，获取球体、圆锥体和圆柱体带法向量的面元坐标；基于卫星仿真工具包，得到了目标轨道及位置参数，并结合双向反射分布函数各向异性Phong 模型和四元数姿态更新模型，完成了地基观测条件下4种形状空间目标的视星等仿真。仿真结果表明，目标受空间位置、形状和姿态的影响程度不同，其光度曲线具有各自特点。球体由于形状完全中心对称，光度曲线主要受空间位置的影响；圆锥体、正方体、圆柱体光度曲线的波形受形状影响较大，曲线走向受位置影响较大，波动频率受姿态角速率影响较大。通过统计分析相关数据，可为后续空间目标位置、姿态和形状的反演提供先验模型。      

交会对接敏感器总体设计要点分析

相对测量技术是完成在轨航天器交会对接的重要技术之一,设计能够完成相对位置、速度,以及近距离的相对角度、角速度测量的交会对接敏感器,用于确定交会的轨迹和控制对接时的相对运动,不仅要考虑实现功能、性能方面,还要考虑在工程实现中外太空杂光干扰、热环境等因素的影响．本文不涉及到交会敏感器的具体设计,而是从分系统的任务和技术总体设计角度,总结交会对接敏感器设计时应注意的几个方面．