本發(fā)明涉及一種用于衛(wèi)星編隊(duì)的星間相對觀測方法，屬于衛(wèi)星編隊(duì)飛行空間測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星編隊(duì)一般是由一顆參考衛(wèi)星(或稱主星)和若干伴隨衛(wèi)星(或稱從星)組成，編隊(duì)中所有衛(wèi)星協(xié)同工作完成單顆衛(wèi)星難以完成的空間觀測任務(wù)。衛(wèi)星編隊(duì)飛行導(dǎo)航是研究編隊(duì)飛行的關(guān)鍵技術(shù)之一，導(dǎo)航任務(wù)的完成質(zhì)量依賴于精確的星間相對狀態(tài)信息，只有得到精確編隊(duì)衛(wèi)星的相對位置和速度關(guān)系，才能夠采用合適的控制策略來進(jìn)行構(gòu)型控制。

近幾年，隨著衛(wèi)星編隊(duì)飛行在精度、任務(wù)區(qū)域的改變，國內(nèi)外學(xué)者對衛(wèi)星編隊(duì)飛行星間相對測量技術(shù)進(jìn)行了大量研究，主要包括：(1)利用GNSS進(jìn)行測量的半自主導(dǎo)航技術(shù)；該技術(shù)需要依靠GNSS信號，易受干擾。(2)針對中高軌道衛(wèi)星編隊(duì)任務(wù)導(dǎo)航信號缺失的情況，提出采用星間無線電導(dǎo)航方案；雖然其測量精度高，作用距離遠(yuǎn)方，定位時(shí)間短，但無線電波容易受到空間環(huán)境干擾。(3)視覺測量是隨著衛(wèi)星編隊(duì)飛行任務(wù)深空化、自主化的發(fā)展趨勢而產(chǎn)生的，由于其低成本、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在解決近距離高精度的相對位姿參數(shù)的確定問題中發(fā)揮著重要作用，但由于特征點(diǎn)提取困難且抗遮擋能力較差，其不適合中遠(yuǎn)程衛(wèi)星編隊(duì)相對導(dǎo)航。到目前為止，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)表了較多的星間相對測量任務(wù)，這些任務(wù)大多采用光學(xué)相對測量技術(shù)進(jìn)行相對位置和姿態(tài)測量，也有采用差分GPS和無線電微波雷達(dá)測量技術(shù)相結(jié)合的方案。

當(dāng)多顆衛(wèi)星編隊(duì)飛行時(shí)，衛(wèi)星數(shù)目往往較多，單純采用單星自主導(dǎo)航方法往往忽略了編隊(duì)飛行中星間相對運(yùn)動的信息。充分利用星間運(yùn)動規(guī)律，采用星間相對測量進(jìn)行相對自主導(dǎo)航研究逐漸成為研究的熱點(diǎn)，現(xiàn)在衛(wèi)星編隊(duì)任務(wù)對于相對位置測量精度的要求已經(jīng)達(dá)到厘米級甚至毫米級。

綜上所述，為了對衛(wèi)星進(jìn)行編隊(duì)飛行、定點(diǎn)保持以及共位控制，必須能實(shí)時(shí)獲得衛(wèi)星的位置和姿態(tài)信息，并且不能對臨星產(chǎn)生干擾，因此這就使得研究衛(wèi)星編隊(duì)飛行過程中新的星間觀測技術(shù)顯得迫切重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種用于衛(wèi)星編隊(duì)的星間相對觀測方法，可快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星編隊(duì)中任意兩顆衛(wèi)星之間的相對觀測。

本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題：

一種用于衛(wèi)星編隊(duì)的星間相對觀測方法，觀測衛(wèi)星上設(shè)置有星敏感器；在滿足星敏感器觀測條件的情況下，觀測衛(wèi)星以被觀測衛(wèi)星作為所述星敏感器的相對方位測量參考源，利用所述星敏感器對被觀測衛(wèi)星相對于觀測衛(wèi)星的單位方向矢量進(jìn)行測量，然后結(jié)合利用星間鏈路測量得到的被觀測衛(wèi)星與觀測衛(wèi)星之間的距離，計(jì)算出被觀測衛(wèi)星相對于觀測衛(wèi)星的方向矢量。

進(jìn)一步地，根據(jù)衛(wèi)星編隊(duì)的預(yù)設(shè)任務(wù)參數(shù)判斷所述星敏感器觀測條件是否得到滿足，所述星敏感器觀測條件具體如下：

條件一、觀測衛(wèi)星與被觀測衛(wèi)星之間的距離在所述星敏感器的有效觀測距離范圍內(nèi)；

條件二、被觀測衛(wèi)星處于太陽光照區(qū)；

條件三、地球可以進(jìn)入所述星敏感器的視場；

條件四、被觀測衛(wèi)星的亮度大于所述星敏感器的最小可觀測亮度；

條件五、被觀測衛(wèi)星處于所述星敏感器的視場內(nèi)；

條件六、觀測衛(wèi)星與被觀測衛(wèi)星之間連線可完全投影在所述星敏感器的二維像面陣上。

優(yōu)選地，判斷條件二是否得到滿足的方法如下：設(shè)被觀測衛(wèi)星的位置矢量r⁽¹⁾與太陽的位置矢量r^(sun)之間夾角為ψ，被觀測衛(wèi)星進(jìn)入和離開地球陰影范圍的臨界夾角為ψ_cri，則被觀測衛(wèi)星處于太陽光照區(qū)需要滿足條件：

ψ＜ψ_cri。

優(yōu)選地，判斷條件三是否得到滿足的方法如下：設(shè)觀測衛(wèi)星的位置矢量r⁽⁰⁾與被觀測衛(wèi)星相對于觀測衛(wèi)星的方向矢量δr⁽¹⁰⁾之間的夾角為θ，與地球邊緣相切的兩條被觀測衛(wèi)星相對于觀測衛(wèi)星的方向矢量δr⁽¹⁰⁾間的夾角為θ_cri，則地球可以進(jìn)入所述星敏感器的視場的條件為：

θ＞θ_cri。

優(yōu)選地，判斷條件五是否得到滿足的方法如下：設(shè)被觀測衛(wèi)星相對于觀測衛(wèi)星的方向矢量δr⁽¹⁰⁾與星敏感器光軸指向矢量夾角為星敏感器視場角為FOV，則被觀測衛(wèi)星處于所述星敏感器的視場內(nèi)需要滿足條件：

優(yōu)選地，，判斷條件六是否得到滿足的方法如下：根據(jù)被觀測衛(wèi)星相對于觀測衛(wèi)星的方向矢量δr⁽¹⁰⁾投影在星敏感器二維像面的幾何關(guān)系，求解其坐標(biāo)為設(shè)二維像面陣長度和寬度分別為IP_longth和IP_width，則需滿足條件：

進(jìn)一步地，當(dāng)星敏感器觀測條件中僅有條件五未得到滿足時(shí)，調(diào)整所述星敏感器的光軸指向，使得被觀測衛(wèi)星處于所述星敏感器的視場內(nèi)，然后再利用星敏感器進(jìn)行測量。

進(jìn)一步地，在滿足星敏感器觀測條件的情況下，觀測衛(wèi)星先根據(jù)衛(wèi)星編隊(duì)的預(yù)設(shè)任務(wù)參數(shù)計(jì)算出被觀測衛(wèi)星相對于觀測衛(wèi)星的理論方向，并調(diào)整所述星敏感器的光軸指向與該理論方向相吻合；然后再以被觀測衛(wèi)星作為所述星敏感器的相對方位測量參考源，利用所述星敏感器對被觀測衛(wèi)星相對于觀測衛(wèi)星的單位方向矢量進(jìn)行測量。

優(yōu)選地，所述衛(wèi)星編隊(duì)為低軌道(LEO)衛(wèi)星編隊(duì)。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明創(chuàng)造性地利用星敏感器進(jìn)行衛(wèi)星編隊(duì)的星間相對觀測，打破了星敏感器只能用來進(jìn)行恒星觀測的認(rèn)識誤區(qū)，為星間相對觀測指出了一條新的道路；

本發(fā)明進(jìn)一步對星敏感器進(jìn)行星間觀測所需的光照條件和觀測條件進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出了一系列可保證觀測質(zhì)量、精度的條件；

本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星之間相對方向準(zhǔn)確而高效率的連續(xù)跟蹤觀測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法一個(gè)具體實(shí)施例的流程圖；

圖2為主星相對子星星間特定距離范圍；

圖3為子星光照條件示意圖；

圖4為星敏感器視場與地球位置關(guān)系的原理示意圖；

圖5為子星可視星等計(jì)算的原理示意圖；

圖6為子星在星敏感器二維像面陣投影的原理示意圖；

圖7為子星相對主星方向矢量與方位角計(jì)算的原理示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明針對衛(wèi)星編隊(duì)飛行中衛(wèi)星之間的相對觀測問題，提出利用星敏感器進(jìn)行星間相對觀測，即在滿足星敏感器觀測條件的情況下，觀測衛(wèi)星以被觀測衛(wèi)星作為所述星敏感器的相對方位測量參考源，利用所述星敏感器對被觀測衛(wèi)星相對于觀測衛(wèi)星的單位方向矢量進(jìn)行測量，然后結(jié)合利用星間鏈路測量得到的被觀測衛(wèi)星與觀測衛(wèi)星之間的距離，計(jì)算出被觀測衛(wèi)星相對于觀測衛(wèi)星的方向矢量。

進(jìn)一步地，根據(jù)衛(wèi)星編隊(duì)的預(yù)設(shè)任務(wù)參數(shù)判斷所述星敏感器觀測條件是否得到滿足，所述星敏感器觀測條件具體如下：

條件一、觀測衛(wèi)星與被觀測衛(wèi)星之間的距離在所述星敏感器的有效觀測距離范圍內(nèi)；

條件二、被觀測衛(wèi)星處于太陽光照區(qū)；

條件三、地球可以進(jìn)入所述星敏感器的視場；

條件四、被觀測衛(wèi)星的亮度大于所述星敏感器的最小可觀測亮度；

條件五、被觀測衛(wèi)星處于所述星敏感器的視場內(nèi)；

條件六、觀測衛(wèi)星與被觀測衛(wèi)星之間連線可完全投影在所述星敏感器的二維像面陣上。

為了便于公眾理解，下面以一個(gè)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖來對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。為便于描述，下文中將觀測衛(wèi)星、被觀測衛(wèi)星分別稱為主星、子星。

以LEO衛(wèi)星編隊(duì)飛行任務(wù)為例，本發(fā)明星間相對觀測方法如圖1所示，具體包括以下步驟：

(1)針對LEO衛(wèi)星編隊(duì)飛行任務(wù)，設(shè)計(jì)兩顆衛(wèi)星(衛(wèi)星0、衛(wèi)星1，分別設(shè)為主星和子星)編隊(duì)飛行構(gòu)型及軌道參數(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)置主星上的星敏感器以觀測子星；

(2)根據(jù)所設(shè)計(jì)軌道參數(shù)，計(jì)算主星和子星的相對距離δr⁽¹⁰⁾，如圖2所示，判斷其是否滿足星敏感器觀測子星需要滿足特定距離要求：

L_min≤δr⁽¹⁰⁾≤L_max (1)

其中，δr⁽¹⁰⁾＝|δr⁽¹⁰⁾|＝|r⁽¹⁾-r⁽⁰⁾|，r⁽⁰⁾和r⁽¹⁾為主星和子星位置矢量；L_min和L_max為星敏感器的最小、最大有效觀測距離。

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

根據(jù)太陽、地球和子星三者幾何位置關(guān)系，如圖3所示，確定太陽陰影區(qū)和子星運(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，子星位置矢量r⁽¹⁾與太陽方向矢量r^(sun)形成的夾角為

子星進(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。

由此可得子星處在太陽光照區(qū)和陰影區(qū)條件分別為：

太陽光照區(qū)：ψ＜ψ_cri (4a)

太陽陰影區(qū)：ψ≥ψ_cri (4b)

(4)在星敏感器觀測子星過程中，當(dāng)視場背景光線過強(qiáng)或過弱時(shí)，其也無法觀測子星，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、主星和子星三者幾何位置關(guān)系，如圖4所示，子星相對主星的方向矢量δr⁽¹⁰⁾和主星的方向矢量r⁽⁰⁾的夾角為：

由于地球?qū)е卤尘肮饩€過弱的臨界條件是主星和子星的連線與地球邊緣相切，則切線與主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 (7)

該方法同樣適用判斷子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的子星的可見性。

首先要計(jì)算子星的絕對星等，子星的絕對星等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。

子星的視星等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)|是太陽與子星之間的距離；ξ是方向矢量δr⁽¹⁰⁾與太陽相對子星方向矢量r^(sun1)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，子星可視星等為m，其可視星等需要滿足條件

m＜m_thr (12)

(6)定義星敏感器光軸指向在本體坐標(biāo)系方向矢量為計(jì)算子星相對主星的方向矢量δr⁽¹⁰⁾與星敏感器光軸矢量的夾角

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，判斷方向矢量δr⁽¹⁰⁾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⁽¹⁰⁾不在星敏感器視場范圍內(nèi)，則考慮利用萬向軸或其它裝置調(diào)整星敏感器光軸指向，使矢量δr⁽¹⁰⁾進(jìn)入視場范圍，可以在δr⁽¹⁰⁾和兩個(gè)矢量組成的平面內(nèi)，主動將星敏感器光軸矢量偏轉(zhuǎn)角度φ，需要滿足條件：

如果轉(zhuǎn)動后仍不能進(jìn)入視場，則無法觀測。

(7)根據(jù)子星相對主星的方向矢量δr⁽¹⁰⁾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(16)式，可得子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，子星能被觀測需要滿足條件

(8)根據(jù)衛(wèi)星編隊(duì)的預(yù)設(shè)任務(wù)參數(shù)可得理論上的兩顆衛(wèi)星之間距離|δr⁽¹⁰⁾|以及子星相對主星的單位方向矢量如圖7所示，因此可得子星相對主星的方向矢量為：

其中，

子星相對主星的矢量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⁽¹⁰⁾在o_b-y_bz_b平面的投影與y_b軸夾角，俯仰角δ為δr⁽¹⁰⁾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)當(dāng)星敏感器觀測條件得到滿足時(shí)，即可利用星敏感器進(jìn)行測量。為了進(jìn)一步提高測量精度，本發(fā)明先根據(jù)衛(wèi)星編隊(duì)的預(yù)設(shè)任務(wù)參數(shù)計(jì)算出被觀測衛(wèi)星相對于觀測衛(wèi)星的理論方向，并調(diào)整所述星敏感器的光軸指向與該理論方向相吻合；然后再利用星敏感器進(jìn)行實(shí)際測量。

上述理論計(jì)算數(shù)據(jù)來自地面預(yù)先設(shè)計(jì)的衛(wèi)星編隊(duì)飛行軌道參數(shù)，當(dāng)星敏感器觀測理論條件得到滿足，且求解出子星相對于主星的理論相對方位時(shí)，主星利用萬向軸或其它裝置調(diào)整真實(shí)星敏感器光軸指向與該理論相對方向相吻合。

真實(shí)星敏感器觀測子星，同時(shí)輸出子星相對主星的單位方向矢量實(shí)際測量值由實(shí)際星間鏈路可得兩顆衛(wèi)星之間距離的測量值|δr(10)|_mes，因此可得子星相對主星的方向矢量測量值為：

(10)結(jié)束觀測。

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。