肖余之 陳記爭(zhēng)

基于軌道機(jī)動(dòng)的高軌目標(biāo)自主感知技術(shù)

肖余之1陳記爭(zhēng)2

（1 上海航天技術(shù)研究院，上海 201109）（2 上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

軌道機(jī)動(dòng)可為高軌目標(biāo)在軌感知提供有利的成像條件，文章在高軌目標(biāo)感知需求分析的基礎(chǔ)上，主要從目標(biāo)構(gòu)型識(shí)別的角度介紹高軌目標(biāo)精準(zhǔn)感知技術(shù)。結(jié)合高軌目標(biāo)的軌道特性和光照特性，在順光觀測(cè)的約束條件下，介紹了高軌目標(biāo)的掠飛和繞飛成像軌道控制方法；針對(duì)威脅目標(biāo)在軌感知，基于目標(biāo)軌道特性給出了感知相機(jī)精準(zhǔn)配置方法；針對(duì)目標(biāo)構(gòu)型精細(xì)感知，介紹了目標(biāo)多方位成像、三維重建技術(shù)及實(shí)踐情況。軌道機(jī)動(dòng)在高軌目標(biāo)在軌感知中的作用越來(lái)越重要，基于軌道機(jī)動(dòng)平臺(tái)的高軌目標(biāo)精準(zhǔn)感知是未來(lái)的重要發(fā)展方向。

三維重建 軌道機(jī)動(dòng) 地球同步軌道 空間態(tài)勢(shì)感知

0 引言

地球同步軌道衛(wèi)星由于其軌道周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，與地球的空間幾何關(guān)系相對(duì)固定，可以為地面用戶提供連續(xù)、長(zhǎng)期的服務(wù)。因此，地球同步軌道資源非常寶貴，成為各個(gè)國(guó)家太空競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)區(qū)域。目前，地球同步軌道運(yùn)行的衛(wèi)星包括通信衛(wèi)星、數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、電子偵察衛(wèi)星、導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星等，這些衛(wèi)星構(gòu)成軍事信息網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，具有重要的戰(zhàn)略意義。此外，地球同步軌道還分布著上千顆廢棄衛(wèi)星、火箭上面級(jí)以及一些其他物體，對(duì)衛(wèi)星正常工作構(gòu)成了一定的威脅。因此，天基態(tài)勢(shì)感知對(duì)保證未來(lái)航天器安全穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。

美國(guó)等航天強(qiáng)國(guó)大力發(fā)展高軌抵近成像、探測(cè)編目等多種類型的高軌目標(biāo)態(tài)勢(shì)感知飛行器[1-4]。針對(duì)目標(biāo)成像需求，美國(guó)于2006年6月以一箭雙星方式發(fā)射了微衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（MiTEx），主要運(yùn)行于準(zhǔn)地球同步軌道，開展對(duì)目標(biāo)近距離成像技術(shù)驗(yàn)證。MiTEx于2009年實(shí)現(xiàn)了與失效DSP-23衛(wèi)星的抵近觀測(cè)，充分驗(yàn)證了對(duì)高軌衛(wèi)星的成像能力。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)分別于2014年7月和2016年8月以一箭雙星方式發(fā)射了4顆GSSAP衛(wèi)星。美國(guó)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)GEO軌道運(yùn)行的高價(jià)值衛(wèi)星嚴(yán)密跟蹤和監(jiān)視，而且通過(guò)技術(shù)偵察和分析，掌握每顆衛(wèi)星的任務(wù)功能、構(gòu)型配置、性能指標(biāo)、活動(dòng)規(guī)律等信息，全面了解其意圖、過(guò)程和效果，強(qiáng)化太空態(tài)勢(shì)的單向透明優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[4]仿真分析表明，GSSAP衛(wèi)星在距離目標(biāo)50km時(shí)，基本可以識(shí)別出目標(biāo)的形狀細(xì)節(jié)。如果抵近距離更近，目標(biāo)的成像效果更清晰。此外，在不同觀測(cè)方位，受太陽(yáng)光照的影響，目標(biāo)成像效果差別較大，因此在高軌觀測(cè)時(shí)需要綜合考慮太陽(yáng)光照和觀測(cè)角度問(wèn)題，選擇合適的位置才能獲得較好的成像結(jié)果。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)抵近以及獲得對(duì)目標(biāo)有利觀測(cè)角度，需要進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)。

本文在高軌目標(biāo)軌道特性和光照特性分析的基礎(chǔ)上，介紹了高軌目標(biāo)掠飛和繞飛成像軌道控制方法、感知相機(jī)精準(zhǔn)配置方法。針對(duì)目標(biāo)構(gòu)型精細(xì)感知，介紹了目標(biāo)多方位成像、三維重建技術(shù)及實(shí)踐情況?；谲壍罊C(jī)動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高軌目標(biāo)的精準(zhǔn)感知，是空間態(tài)勢(shì)感知未來(lái)重要發(fā)展方向。

1 高軌目標(biāo)感知需求分析

高軌目標(biāo)感知的需求包括獲取目標(biāo)軌道、構(gòu)型、特定部位精細(xì)特征、電磁特性等。

（1）空間目標(biāo)測(cè)定軌

利用天基平臺(tái)對(duì)空間目標(biāo)測(cè)定軌，不受云層等氣象條件影響；此外，不受國(guó)土面積影響，可對(duì)全球目標(biāo)測(cè)定軌。天基定軌包括兩種方式，一種方式是根據(jù)天基平臺(tái)的絕對(duì)位置速度以及目標(biāo)的相對(duì)位置速度確定目標(biāo)的軌道，該方式對(duì)目標(biāo)的探測(cè)距離相對(duì)較近；另一種方式是基于光學(xué)相機(jī)對(duì)目標(biāo)單星或雙星協(xié)同測(cè)量，采用天文定軌等手段對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度定位，通過(guò)地面軌道改進(jìn)獲取目標(biāo)高精度軌道[5-6]。

（2）目標(biāo)構(gòu)型獲取

目前地基設(shè)備難以獲取高軌目標(biāo)的形貌特征，天基平臺(tái)在軌對(duì)目標(biāo)成像是獲取目標(biāo)形貌的主要手段。通過(guò)多角度對(duì)目標(biāo)成像，由圖像序列可以獲得目標(biāo)的三維構(gòu)型，進(jìn)而可以判斷目標(biāo)的狀態(tài)，如衛(wèi)星太陽(yáng)翼或天線展開狀態(tài)等。

（3）特定部位精細(xì)識(shí)別

天基平臺(tái)在軌近距離對(duì)目標(biāo)特定部位高清晰成像，獲取目標(biāo)的精細(xì)特征，可對(duì)目標(biāo)的工作狀態(tài)或特定部件的工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。例如對(duì)故障衛(wèi)星的故障部位進(jìn)行高精度清晰成像，評(píng)估故障狀態(tài)，并為進(jìn)一步的救援操作提供支撐。

（4）目標(biāo)電磁特性探測(cè)

隨著各國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，GEO軌道航天器的數(shù)量急劇增加，GEO軌道變得越來(lái)越擁擠，需要避免臨近衛(wèi)星的無(wú)線電信號(hào)干擾。通過(guò)對(duì)目標(biāo)電磁特性探測(cè)，可以掌握GEO軌道帶目標(biāo)的頻率、調(diào)制方式、波束指向等，豐富目標(biāo)庫(kù)內(nèi)容。

本文重點(diǎn)從目標(biāo)構(gòu)型識(shí)別的角度介紹高軌目標(biāo)精準(zhǔn)感知技術(shù)。

2 GEO目標(biāo)軌道及光照特性分析

對(duì)GEO軌道帶目標(biāo)進(jìn)行抵近順光成像偵察，首先需要分析GEO目標(biāo)的軌道分布、光照特性以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.1 GEO目標(biāo)軌道分布

根據(jù)公開資料，目前在軌正常運(yùn)行并能夠查閱到軌道參數(shù)的衛(wèi)星近600顆，此外，GEO軌道帶還運(yùn)行著上千顆廢棄衛(wèi)星等物體[7-9]。正常運(yùn)行GEO衛(wèi)星按照傾角和定點(diǎn)經(jīng)度的分布情況見圖1。軌道傾角小于0.1°的同步軌道衛(wèi)星比例為64.3%，傾角小于1°的比例超過(guò)69%，傾角小于15°的比例約為96.8%。從GEO衛(wèi)星定點(diǎn)經(jīng)度的分布看，亞歐大陸和美洲大陸上空分布的衛(wèi)星數(shù)量最多，與這兩個(gè)區(qū)域的戰(zhàn)略重要性密切相關(guān)。

圖1 GEO目標(biāo)軌道分布

2.2 GEO目標(biāo)光照特性

太陽(yáng)在GEO衛(wèi)星軌道面內(nèi)投影運(yùn)動(dòng)與地面光照類似，1天內(nèi)太陽(yáng)光照方向依次為下方、前方（東）、上方、后方（西）、下方。

對(duì)于0°傾角的GEO目標(biāo)，太陽(yáng)光與目標(biāo)軌道面夾角不大于23.5°。對(duì)于初始軌道為0°傾角的GEO目標(biāo)，如果軌道傾角不進(jìn)行控制則發(fā)生自由漂移，雖然目標(biāo)傾角發(fā)生了漂移，但太陽(yáng)光與目標(biāo)軌道面夾角仍不大于23.5°。

目標(biāo)初始軌道為標(biāo)稱GEO軌道，在無(wú)控狀態(tài)下軌道傾角以及軌道面和太陽(yáng)的夾角變化曲線如圖2所示，可以看出在54年內(nèi)目標(biāo)軌道傾角漂移至15°后又返回到0°；在目標(biāo)軌道傾角漂移的過(guò)程中目標(biāo)軌道面與太陽(yáng)光的夾角始終不大于23.5°。

圖2 軌道傾角和太陽(yáng)光照角變化曲線

2.3 GEO目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)分析

1）共面目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度慢，在探測(cè)范圍內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)。以巡視軌道與目標(biāo)軌道的高度差為50km（GEO-50km）的GEO目標(biāo)監(jiān)視為例（如圖3所示），計(jì)算可得兩者的相對(duì)速度約5.5m/s，從A點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)入300km成像范圍到G點(diǎn)遠(yuǎn)離300km范圍，共計(jì)約30.2h；在200km范圍內(nèi)（BF段）停留的時(shí)間約19.7h；在100km范圍內(nèi)（CD段）停留的時(shí)間約8.8h。

2）異面目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度快，主要從側(cè)方進(jìn)入觀測(cè)視場(chǎng)，傾角相差1°時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度約為54m/s。對(duì)于15°傾角目標(biāo)相對(duì)速度約800m/s，進(jìn)出300km包絡(luò)的時(shí)長(zhǎng)約10min，比共面目標(biāo)的可探測(cè)時(shí)間短得多。天基平臺(tái)主要在目標(biāo)過(guò)赤道面時(shí)進(jìn)行探測(cè)，如圖4所示。

圖3 共面目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系

圖4 傾角不為零GEO衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡

針對(duì)GEO軌道帶上已知軌道參數(shù)的1503個(gè)目標(biāo)，空間目標(biāo)監(jiān)視衛(wèi)星沿GEO-50km軌道漂移，對(duì)GEO軌道帶目標(biāo)的探測(cè)發(fā)現(xiàn)情況進(jìn)行了仿真。每天進(jìn)入衛(wèi)星不同大小包絡(luò)球內(nèi)的目標(biāo)數(shù)量如表1所示，可以看出，如果對(duì)目標(biāo)的成像距離為300km，則每天最多可對(duì)9個(gè)目標(biāo)進(jìn)行成像。

表1 每天進(jìn)入衛(wèi)星包絡(luò)球范圍的目標(biāo)數(shù)量統(tǒng)計(jì)

Tab.1 Targets quantity entering various envelopes

3 基于順光成像的軌道機(jī)動(dòng)技術(shù)

衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)近距離順光成像的主要軌道機(jī)動(dòng)模式包括掠飛和繞飛。繞飛模式適用于軌道面相近的目標(biāo)，掠飛模式可適用于異面目標(biāo)[10-12]。

3.1 自然繞飛成像模式分析

衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)自然繞飛軌跡為橢圓，長(zhǎng)半軸位于東西方向（前后方向）、短半軸位于上下方向，長(zhǎng)半軸與短半軸的比為2∶1。

GEO軌道自然繞飛周期為1天，太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)周期也為1天，兩者周期相等，因此，自然繞飛過(guò)程中對(duì)目標(biāo)成像時(shí)光照條件基本保持不變。

通過(guò)軌道機(jī)動(dòng)建立對(duì)目標(biāo)的繞飛軌道，并且繞飛軌道的初始相位與太陽(yáng)光線方向一致，則在繞飛成像過(guò)程中始終保持對(duì)目標(biāo)順光（如圖5所示）。其中典型時(shí)刻太陽(yáng)光方向及繞飛相位為：

1）當(dāng)?shù)貢r(shí)間06:00，太陽(yáng)光從目標(biāo)前方（東方）照射目標(biāo)，衛(wèi)星位于目標(biāo)的前方，可對(duì)目標(biāo)順光成像；2）當(dāng)?shù)貢r(shí)間12:00，太陽(yáng)光從目標(biāo)上方照射目標(biāo)，衛(wèi)星位于目標(biāo)的上方，可對(duì)目標(biāo)順光成像；3）當(dāng)?shù)貢r(shí)間18:00，太陽(yáng)光從目標(biāo)后方（西方）照射目標(biāo)，衛(wèi)星位于目標(biāo)的后方，可對(duì)目標(biāo)順光成像；4）當(dāng)?shù)貢r(shí)間00:00，太陽(yáng)光從目標(biāo)下方照射目標(biāo)，衛(wèi)星位于目標(biāo)的下方，可對(duì)目標(biāo)順光成像。

圖5 自然繞飛順光成像

綜上所述，可以保證在繞飛一圈時(shí)間內(nèi)，衛(wèi)星始終對(duì)目標(biāo)順光成像。可以根據(jù)成像相機(jī)的最佳光照角將視線方向與太陽(yáng)光線偏置一定的角度，例如偏置30o。

3.2 掠飛成像模式分析

對(duì)于傾角不為0°的GEO目標(biāo)，其星下點(diǎn)軌跡為“8”字形軌跡。GEO目標(biāo)約每12h經(jīng)過(guò)赤道面一次，因此，衛(wèi)星可以在目標(biāo)經(jīng)過(guò)赤道面附近時(shí)對(duì)其抵近清晰成像。對(duì)異面目標(biāo)掠飛成像必須在規(guī)定的時(shí)間到達(dá)規(guī)定的位置對(duì)目標(biāo)順光觀測(cè)。這里規(guī)定的時(shí)間指目標(biāo)過(guò)赤道附近的時(shí)刻，規(guī)定的位置指目標(biāo)指向太陽(yáng)方向的某位置。如圖6所示，當(dāng)目標(biāo)過(guò)赤道時(shí)刻太陽(yáng)位于后上方時(shí)，衛(wèi)星也需機(jī)動(dòng)到目標(biāo)的后上方進(jìn)行成像；當(dāng)目標(biāo)過(guò)赤道時(shí)刻太陽(yáng)位于前上方時(shí)，衛(wèi)星也需機(jī)動(dòng)到目標(biāo)的前上方進(jìn)行成像。

圖6 掠飛成像軌道

傾角不為0°的GEO衛(wèi)星，每天2次經(jīng)過(guò)赤道面，一次經(jīng)過(guò)赤道面時(shí)間在當(dāng)?shù)貢r(shí)間06:00~18:00，另一次經(jīng)過(guò)赤道面時(shí)間在18:00~次日06:00。如果巡視軌道位于GEO下方，則優(yōu)先選擇18:00~次日06:00目標(biāo)經(jīng)過(guò)赤道面時(shí)對(duì)其進(jìn)行成像，此時(shí)可以從下方或側(cè)下方對(duì)目標(biāo)順光成像。但考慮到在春分或秋分附近，存在不大于72min的地影時(shí)間，因此需要對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)時(shí)機(jī)進(jìn)一步細(xì)分，具體如圖7和表2所示，例如當(dāng)?shù)貢r(shí)間為23:24~00:36時(shí)，太陽(yáng)位于目標(biāo)下方（B區(qū)），衛(wèi)星應(yīng)從下方對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像；但春分或秋分時(shí)，目標(biāo)處于地影中，此時(shí)可見光相機(jī)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行成像。

圖7 掠飛時(shí)間分區(qū)

表2 掠飛時(shí)間分區(qū)

Tab.2 Time intervals for intersection

掠飛成像的主方向?yàn)樘?yáng)光線方向在赤道面內(nèi)的投影，此時(shí)，視線方向與太陽(yáng)光線可偏置一定的角度，例如偏置30o。

4 告警相機(jī)視場(chǎng)精準(zhǔn)配置技術(shù)

威脅目標(biāo)的逼近方向遵循軌道相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以根據(jù)目標(biāo)逼近特點(diǎn)進(jìn)行告警相機(jī)視場(chǎng)的精準(zhǔn)配置，實(shí)現(xiàn)較小相機(jī)視場(chǎng)實(shí)現(xiàn)較高發(fā)現(xiàn)概率的目的。

4.1 目標(biāo)逼近特點(diǎn)分析

共面目標(biāo)主要從前上方和后下方逼近，逼近速度慢，高度差100km時(shí)逼近速度約11m/s。針對(duì)共面目標(biāo)重點(diǎn)告警區(qū)域要包括前上方和后下方區(qū)域，如圖8（a）所示。

圖8 目標(biāo)逼近方位

異面目標(biāo)主要從±側(cè)逼近，逼近速度快，傾角15°目標(biāo)逼近速度約800m/s。針對(duì)異面目標(biāo)告警區(qū)域要包括側(cè)向，即±方向，如圖8（b）所示。

4.2 光學(xué)告警相機(jī)精準(zhǔn)配置方案

根據(jù)上述分析，提出了一種周向配置的告警方案，視場(chǎng)范圍是與平面夾角不大于30°的區(qū)域，如圖9所示。圖9中坐標(biāo)系為航天器速度與當(dāng)?shù)厮剑╒ehicle Velocity and Local Horizontal，VVLH）軌道坐標(biāo)系，軸指向地心，軸在軌道平面內(nèi)垂直于軸指向飛行方向，軸與、軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系；方向在軌道平面內(nèi)與VVLH坐標(biāo)系軸的夾角為20°（偏向－軸方向?yàn)檎瑸榈姆捶较?。告警相機(jī)視場(chǎng)區(qū)域包括前上方（方向）、右側(cè)（VVLH坐標(biāo)系軸方向）、后下方（方向）、左側(cè)（VVLH坐標(biāo)系軸方向）等重點(diǎn)方向。告警相機(jī)的視場(chǎng)范圍為360°×60°，其視場(chǎng)區(qū)域?yàn)?π全空域的50%。

圖9 告警相機(jī)視場(chǎng)

衛(wèi)星運(yùn)行在GEO-50km軌道，采用上述告警相機(jī)配置方案，相機(jī)探測(cè)能力取7等星，對(duì)GEO軌道帶已知軌道參數(shù)的1503個(gè)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)告警。運(yùn)行8年期間目標(biāo)逼近至衛(wèi)星100km以內(nèi)共計(jì)2975次，目標(biāo)抵近至100km時(shí)的方位如圖10所示。仿真計(jì)算表明，可發(fā)現(xiàn)目標(biāo)抵近次數(shù)為2831次，即目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率為95%。

圖10 目標(biāo)逼近至100km時(shí)的方位

綜上所述，從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的角度考慮，可以采用光學(xué)告警相機(jī)精準(zhǔn)配置方案，在4π全空域50%視場(chǎng)的條件下可實(shí)現(xiàn)95%的目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率。

5 目標(biāo)三維重建及驗(yàn)證

衛(wèi)星在軌對(duì)目標(biāo)成像并下傳至地面，地面主要采用基于目標(biāo)圖像序列進(jìn)行三維重建[13-20]。

5.1 重建方案

衛(wèi)星在軌對(duì)目標(biāo)繞飛或懸停，并利用成像載荷對(duì)目標(biāo)探測(cè)成像，再將成像數(shù)據(jù)和相對(duì)導(dǎo)航信息下傳地面，最后在地面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理完成三維重建與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)，三維重建原理如圖11所示。

圖11 三維重建原理

為實(shí)現(xiàn)三維重建，首先要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多角度成像。對(duì)于姿態(tài)穩(wěn)定的目標(biāo)，通過(guò)繞飛方式對(duì)其成像，獲取多角度圖像序列；對(duì)于姿態(tài)翻滾目標(biāo)，需通過(guò)多點(diǎn)懸停的方式對(duì)其成像，獲取多角度圖像序列。

衛(wèi)星將目標(biāo)圖像序列和相對(duì)導(dǎo)航信息下傳至地面，地面經(jīng)過(guò)圖像篩選、特征點(diǎn)提取與匹配、稀疏點(diǎn)云重建、稠密點(diǎn)云重建、表面恢復(fù)等步驟完成目標(biāo)三維重建，具體流程如圖12所示。

圖12 三維重建流程

5.2 地面試驗(yàn)

為了驗(yàn)證三維重建技術(shù)，構(gòu)建了地面空間光學(xué)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)由目標(biāo)姿態(tài)模擬系統(tǒng)、周視探測(cè)車、圓周形的測(cè)試軌道、太陽(yáng)模擬器和中央控制系統(tǒng)等組成（如圖13所示）。目標(biāo)姿態(tài)模擬系統(tǒng)用于模擬目標(biāo)的三軸姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，周視探測(cè)車上安裝可見光探測(cè)相機(jī)并在圓周形的測(cè)試軌道上運(yùn)行，圓周形的測(cè)試軌道用于模擬衛(wèi)星和目標(biāo)的相對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)模擬器用于模擬空間太陽(yáng)光照，中央控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的控制并具備目標(biāo)三維重建功能。

以角速度為5（°）/s的某翻滾目標(biāo)為例，利用地面空間光學(xué)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)模擬衛(wèi)星3點(diǎn)懸停對(duì)目標(biāo)成像探測(cè)，利用圖像序列進(jìn)行三維重建，得到目標(biāo)表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)集，即三維點(diǎn)云。通過(guò)重建點(diǎn)云與真實(shí)目標(biāo)比較可得，重建點(diǎn)云精度優(yōu)于0.05m。

圖13 空間光學(xué)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合高軌目標(biāo)的軌道特性和光照特性，介紹了高軌目標(biāo)順光成像的機(jī)動(dòng)控制、告警相機(jī)視場(chǎng)精準(zhǔn)配置、目標(biāo)三維重建及實(shí)踐情況。衛(wèi)星通過(guò)軌道機(jī)動(dòng)可采用掠飛或繞飛方式對(duì)目標(biāo)順光抵近成像；根據(jù)目標(biāo)軌道特性，采用光學(xué)告警相機(jī)精準(zhǔn)配置方案，采用4π全空域50%的視場(chǎng)配置下可以實(shí)現(xiàn)95%的目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率；衛(wèi)星在軌對(duì)目標(biāo)繞飛/懸停成像并下傳地面進(jìn)行三維重建，地面試驗(yàn)表明重建點(diǎn)云精度優(yōu)于0.05m。軌道機(jī)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)對(duì)高軌目標(biāo)精準(zhǔn)感知的重要手段，為目標(biāo)成像提供需要的距離和光照等條件。軌道機(jī)動(dòng)平臺(tái)與空間目標(biāo)監(jiān)視載荷相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自主感知，是未來(lái)空間目標(biāo)態(tài)勢(shì)感知的重要發(fā)展方向。

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Autonomous Situation Awareness of GEO Objects Based on Orbital Maneuver

XIAO Yuzhi1CHEN Jizheng2

（1 Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China）（2 Aerospace System Engineering Shanghai, Shanghai 201109, China）

Orbital maneuver can provide favorable imaging conditions for on-orbit situation awareness of GEO objects. On the basis of the requirement analysis, the paper introduces the autonomous situation awareness of GEO objects from the perspective of configuration identification. With the characteristic of orbit and sunlight, it proposes the control methods of intersection and flying around orbits for the purpose of imaging under direct sunlight. According to the orbit analysis of threat targets, it gives a precise configuration method of warning camera field of view. Finally, it introduces the technologies and practices of multi-angle imaging and three-dimensional reconstruction. Orbital maneuver plays a more and more important role in situation awareness. Autonomous on-orbit situation awareness of GEO objects based on orbital maneuver is one of the important development directions in the future.

three-dimensional reconstruction; orbital maneuver; geosynchronous orbit; space situation awareness

V11

A

1009-8518(2021)01-0001-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.01.001

肖余之，男，1964年生，1991年獲復(fù)旦大學(xué)計(jì)算數(shù)學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，研究員，研究方向是航天器總體設(shè)計(jì)。

陳記爭(zhēng)，男，1978年生，2011年獲西北工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理專業(yè)博士學(xué)位，高級(jí)工程師，研究方向是航天飛行動(dòng)力學(xué)與控制。E-mail：jzchen805@163.com。

2021-01-05

肖余之, 陳記爭(zhēng). 基于軌道機(jī)動(dòng)的高軌目標(biāo)自主感知技術(shù)[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(1): 1-10.

XIAO Yuzhi, CHEN Jizheng. Autonomous Situation Awareness of GEO Objects Based on Orbital Maneuver[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(1): 1-10. (in Chinese)

（編輯：夏淑密）