一种高动态目标快速捕获与稳态跟踪的时空对准方法与流程

本发明涉及卫星控制领域，特别是一种高动态目标快速捕获与稳态跟踪的时空对准方法。

背景技术：

1、卫星的姿轨控分系统用于实施卫星的姿态和轨道控制，是卫星平台的最重要分系统之一，对卫星飞行任务顺利完成起着至关重要的作用。姿轨控分系统主要由敏感器、执行机构、控制器组成。常用的敏感器包括星敏和陀螺，陀螺是航天器的角速率敏感器，可以直接测量卫星三轴惯性角速率；星敏则作为角度敏感器，直接测量卫星三轴惯性姿态。两者是卫星完成在轨姿态确定、稳定控制和姿态机动功能的核心单机。此外，为了捕获跟踪高动态目标，卫星通常搭载相机(属于姿轨控分系统以外的其他分系统)，来提供实时的目标观测信息(如脱靶量信息)。

2、姿轨控分系统内部各组成部分之间的时序，以及与外部相机之间的时序之间存在时差，对于一般目标，现有技术在信息时间不同问题上，主要通过解决星敏与陀螺间的不同步，提高姿态确定的精度，平台姿态指向的计算没有引入实时的目标观测信息，敏感器处理未与外部目标观测信息进行耦合。

3、对于高动态目标而言，相比于一般目标，则需要姿轨控分系统和相机之间信息的高度耦合，在信息不对准的情况下，完成高精度的卫星位置姿态确定、快速姿态机动，从而实现对目标的快速捕获与稳态跟踪；并且目标动态性越高，信息不对准引起的指向控制偏差越大；因此，为了实现对高动态目标的快速捕获与稳态跟踪，必须解决这一问题，从而精准、快速地根据相机提供的目标观测信息，计算出姿轨控分系统所需的姿态调整控制量。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：针对现有技术中的技术难点，提供了一种高动态目标快速捕获与稳态跟踪的时空对准方法，保证姿轨控分系统内部，以及与外部其他分系统之间各环节处理时序的快速同步性，从而获取空间上高精度的卫星位姿以及目标位置，从而实现快速精准地卫星姿态调整，达到对高动态目标快速捕获与稳态跟踪目的。

2、本发明的技术解决方案是：一种高动态目标快速捕获与稳态跟踪的时空对准方法，基于星上姿轨控分系统的星敏、陀螺，以及星载相机共同实现，包括：

3、s1、采用星敏与陀螺联合滤波的方式，得到星敏曝光时刻的卫星惯性姿态四元数估值；

4、s2、对脱靶量时间戳对应的目标位置、速度进行估计；所述脱靶量时间戳为星载相机拍摄目标图像所对应的时刻；

5、s21、将s1计算的星敏曝光时刻的卫星惯性姿态四元数估值换算至脱靶量时间戳，得到脱靶量时间戳对应的卫星惯性姿态四元数；

6、s22、计算得到脱靶量时间戳对应的卫星惯性位置；

7、s23、计算相机坐标系下的目标视线矢量，再变换得到地心惯性系下的目标视线矢量；

8、s24、基于s21、s22、s23的计算结果，估计得到脱靶量时间戳对应的目标惯性位置、速度；

9、s3、将脱靶量时间戳对应的目标惯性位置、速度递推至控制实施时刻，得到控制实施时刻的目标惯性位置；

10、s4、计算得到控制实施时刻的卫星惯性位置；通过控制实施时刻的卫星惯性位置和目标惯性位置，得到卫星捕获跟踪目标所需的导引量，完成卫星与目标的时空对准。

11、进一步，s24中，估计脱靶量时间戳对应的目标惯性位置、速度，具体方式为：采用卡尔曼滤波进行估计，将状态量xk设定为需要估计的脱靶量时间戳对应的目标惯性位置、速度；第k拍滤波过程为：

12、(1)系统矩阵更新；

13、

14、其中，μ为地球引力常数，δtpix为当前拍脱靶量时间戳与前一拍的脱靶量时间戳的时间差，rt,k-1为前一拍的系统状态量对应的目标惯性系位置，i3×3为3×3的单位矩阵；

15、(2)状态一步预测；

16、xk|k-1＝akxk-1

17、其中，xk-1为上一拍状态量，xk|k-1为一步预测的状态量；

18、(3)量测矩阵更新，观测量更新；

19、量测矩阵为：

20、

21、其中，c1为星目矢量rst,k对应的雅克比矩阵，rst,k＝rt,k|k-1-rpix,k；03×3为3×3的零矩阵；rt,k|k-1为状态一步预测的目标位置矢量，rpix,k为根据脱靶量计算的目标位置矢量；

22、观测量为：

23、

24、其中，δsi,k为惯性系下目标视线矢量增量，计算方式为：

25、

26、其中，si,k为当前拍惯性系下的目标视线矢量，si,k-1为前一拍惯性系下的目标视线矢量；

27、(4)残差计算；

28、δγk＝yk-ckxk|k-1

29、其中，δγk为残差；

30、(5)误差协方差矩阵一步预测；

31、

32、其中，pk|k-1为一步预测的误差协方差矩阵，pk-1为上一拍误差协方差矩阵；q为噪声协方差矩阵；

33、(6)增益矩阵计算；

34、

35、其中，kk为增益矩阵，δ0为放大参数，r为量测噪声协方差矩阵；

36、(7)状态量估计；

37、xk＝xk|k-1+kkδγk

38、(8)误差协方差矩阵更新；

39、

40、步骤(7)得到的状态量xk即为所需计算的脱靶量时间戳对应的目标惯性位置、速度。

41、进一步，s1中，采用星敏与陀螺联合滤波的方式，得到星敏曝光时刻的卫星惯性姿态四元数估值，具体方式为：

42、基于星敏获取的星敏相对地心惯性坐标系的姿态四元数，计算得到第一卫星惯性姿态四元数；

43、基于陀螺获取的卫星惯性角速度，计算得到第二卫星惯性姿态四元数；

44、比较第一卫星惯性姿态四元数和第二卫星惯性姿态四元数，得到姿态偏差四元数；利用卡尔曼滤波方法，消除姿态偏差四元数中的高频项，估计得到陀螺常值漂移和姿态偏差；用陀螺常值漂移修正陀螺输出的卫星惯性角速度，用姿态偏差修正第二卫星惯性姿态四元数，修正后的第二卫星惯性姿态四元数，即为星敏曝光时刻的卫星惯性姿态四元数估值。

45、进一步，所述第一卫星惯性姿态四元数和第二卫星惯性姿态四元数均为卫星本体系相对地心惯性系的姿态四元数。

46、进一步，s21中，卫星惯性姿态四元数估值换算方式为：

47、利用卫星惯性角速度，将星敏曝光时刻的卫星惯性姿态四元数估值积分至脱靶量时间戳，得到脱靶量时间戳对应的卫星惯性姿态四元数。

48、进一步，s22中，脱靶量时间戳对应的卫星惯性位置的计算方式，为基于gnss数据计算或基于上注参数计算的任一计算方式。

49、进一步，s23中，计算地心惯性系下的目标视线矢量，具体方式为：

50、首先计算相机坐标系下的目标视线矢量；利用相机坐标系相对卫星本体系的安装矩阵，将相机坐标系下的目标视线矢量转得转换到卫星本体系下；利用s21得到的脱靶量时间戳对应的卫星惯性姿态四元数，将卫星本体系下的目标视线矢量转换至地心惯性系，得到地心惯性系下的目标视线矢量。

51、进一步，s3中，采用无动力递推方式，递推得到控制实施时刻的目标位置。

52、进一步，s4中，以惯性系到跟踪基准系的方向余弦矩阵ati作为卫星捕获跟踪目标所需的导引量，ati通过以下公式计算：

53、

54、ati＝[oy×oz oy oz]t

55、其中，为控制实施时刻的目标惯性位置矢量；rexc为控制实施时刻的卫星惯性位置矢量。

56、本发明与现有技术相比的优点在于：

57、(1)本发明先通过将陀螺信息递推至星敏曝光时刻与星敏信息进行滤波融合实现卫星平台高精度姿态确定，然后将星敏曝光时刻确定的卫星姿态递推至目标观测信息时刻(脱靶量时间戳)，得到脱靶量时间戳对应的卫星姿态，这两步完成了卫星姿态信息与目标观测信息的时间对准。进一步，利用脱靶量时间戳的卫星姿态将卫星相机坐标系下的目标视线矢量变换到惯性系的目标视线矢量，以惯性系的目标视线矢量为观测量，估计脱靶量时间戳目标的惯性系位置矢量和速度矢量，再进一步，将脱靶量时间戳目标的惯性系位置矢量与卫星平台的惯性系位置矢量均递推至卫星平台执行机构的控制实施时刻，这两步完成了卫星与目标的空间对准。

58、(2)本发明给出了通过卡尔曼滤波估计脱靶量时间戳目标的惯性系位置矢量和速度矢量的具体实现方式，以惯性系的目标视线矢量为观测量来估计脱靶量时间戳目标的惯性系位置和速度。

59、(3)本发明在不增加多余产品的情况下，通过上述方法，有效地解决了卫星平台姿态耦合到目标观测估计时，多个输入信息时空不一致导致目标观测基准计算失准的问题，有效提升目标观测的动态适应性和鲁棒性，实现可靠地高动态目标快速捕获和稳态跟踪。