基于軌道機動的高軌目標自主感知技術

肖余之 陳記爭

基于軌道機動的高軌目標自主感知技術

肖余之1陳記爭2

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

軌道機動可為高軌目標在軌感知提供有利的成像條件，文章在高軌目標感知需求分析的基礎上，主要從目標構型識別的角度介紹高軌目標精準感知技術。結合高軌目標的軌道特性和光照特性，在順光觀測的約束條件下，介紹了高軌目標的掠飛和繞飛成像軌道控制方法；針對威脅目標在軌感知，基于目標軌道特性給出了感知相機精準配置方法；針對目標構型精細感知，介紹了目標多方位成像、三維重建技術及實踐情況。軌道機動在高軌目標在軌感知中的作用越來越重要，基于軌道機動平臺的高軌目標精準感知是未來的重要發(fā)展方向。

三維重建 軌道機動 地球同步軌道 空間態(tài)勢感知

0 引言

地球同步軌道衛(wèi)星由于其軌道周期與地球自轉周期相同，與地球的空間幾何關系相對固定，可以為地面用戶提供連續(xù)、長期的服務。因此，地球同步軌道資源非常寶貴，成為各個國家太空競爭的熱點區(qū)域。目前，地球同步軌道運行的衛(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、導彈預警衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星等，這些衛(wèi)星構成軍事信息網(wǎng)絡的重要節(jié)點，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、火箭上面級以及一些其他物體，對衛(wèi)星正常工作構成了一定的威脅。因此，天基態(tài)勢感知對保證未來航天器安全穩(wěn)定運行非常重要。

美國等航天強國大力發(fā)展高軌抵近成像、探測編目等多種類型的高軌目標態(tài)勢感知飛行器[1-4]。針對目標成像需求，美國于2006年6月以一箭雙星方式發(fā)射了微衛(wèi)星技術試驗衛(wèi)星（MiTEx），主要運行于準地球同步軌道，開展對目標近距離成像技術驗證。MiTEx于2009年實現(xiàn)了與失效DSP-23衛(wèi)星的抵近觀測，充分驗證了對高軌衛(wèi)星的成像能力。在此基礎上，美國分別于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。美國不僅實現(xiàn)了對GEO軌道運行的高價值衛(wèi)星嚴密跟蹤和監(jiān)視，而且通過技術偵察和分析，掌握每顆衛(wèi)星的任務功能、構型配置、性能指標、活動規(guī)律等信息，全面了解其意圖、過程和效果，強化太空態(tài)勢的單向透明優(yōu)勢。文獻[4]仿真分析表明，GSSAP衛(wèi)星在距離目標50km時，基本可以識別出目標的形狀細節(jié)。如果抵近距離更近，目標的成像效果更清晰。此外，在不同觀測方位，受太陽光照的影響，目標成像效果差別較大，因此在高軌觀測時需要綜合考慮太陽光照和觀測角度問題，選擇合適的位置才能獲得較好的成像結果。為了實現(xiàn)對目標抵近以及獲得對目標有利觀測角度，需要進行軌道機動。

本文在高軌目標軌道特性和光照特性分析的基礎上，介紹了高軌目標掠飛和繞飛成像軌道控制方法、感知相機精準配置方法。針對目標構型精細感知，介紹了目標多方位成像、三維重建技術及實踐情況?；谲壍罊C動平臺可以實現(xiàn)對高軌目標的精準感知，是空間態(tài)勢感知未來重要發(fā)展方向。

1 高軌目標感知需求分析

高軌目標感知的需求包括獲取目標軌道、構型、特定部位精細特征、電磁特性等。

（1）空間目標測定軌

利用天基平臺對空間目標測定軌，不受云層等氣象條件影響；此外，不受國土面積影響，可對全球目標測定軌。天基定軌包括兩種方式，一種方式是根據(jù)天基平臺的絕對位置速度以及目標的相對位置速度確定目標的軌道，該方式對目標的探測距離相對較近；另一種方式是基于光學相機對目標單星或雙星協(xié)同測量，采用天文定軌等手段對目標進行高精度定位，通過地面軌道改進獲取目標高精度軌道[5-6]。

（2）目標構型獲取

目前地基設備難以獲取高軌目標的形貌特征，天基平臺在軌對目標成像是獲取目標形貌的主要手段。通過多角度對目標成像，由圖像序列可以獲得目標的三維構型，進而可以判斷目標的狀態(tài)，如衛(wèi)星太陽翼或天線展開狀態(tài)等。

（3）特定部位精細識別

天基平臺在軌近距離對目標特定部位高清晰成像，獲取目標的精細特征，可對目標的工作狀態(tài)或特定部件的工作狀態(tài)進行評估。例如對故障衛(wèi)星的故障部位進行高精度清晰成像，評估故障狀態(tài)，并為進一步的救援操作提供支撐。

（4）目標電磁特性探測

隨著各國航天事業(yè)的發(fā)展，GEO軌道航天器的數(shù)量急劇增加，GEO軌道變得越來越擁擠，需要避免臨近衛(wèi)星的無線電信號干擾。通過對目標電磁特性探測，可以掌握GEO軌道帶目標的頻率、調(diào)制方式、波束指向等，豐富目標庫內(nèi)容。

本文重點從目標構型識別的角度介紹高軌目標精準感知技術。

2 GEO目標軌道及光照特性分析

對GEO軌道帶目標進行抵近順光成像偵察，首先需要分析GEO目標的軌道分布、光照特性以及相對運動規(guī)律。

2.1 GEO目標軌道分布

根據(jù)公開資料，目前在軌正常運行并能夠查閱到軌道參數(shù)的衛(wèi)星近600顆，此外，GEO軌道帶還運行著上千顆廢棄衛(wèi)星等物體[7-9]。正常運行GEO衛(wèi)星按照傾角和定點經(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69%，傾角小于15°的比例約為96.8%。從GEO衛(wèi)星定點經(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，與這兩個區(qū)域的戰(zhàn)略重要性密切相關。

圖1 GEO目標軌道分布

2.2 GEO目標光照特性

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

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

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

圖2 軌道傾角和太陽光照角變化曲線

2.3 GEO目標相對運動分析

1）共面目標相對運動速度慢，在探測范圍內(nèi)停留時間長。以巡視軌道與目標軌道的高度差為50km（GEO-50km）的GEO目標監(jiān)視為例（如圖3所示），計算可得兩者的相對速度約5.5m/s，從A點目標進入300km成像范圍到G點遠離300km范圍，共計約30.2h；在200km范圍內(nèi)（BF段）停留的時間約19.7h；在100km范圍內(nèi)（CD段）停留的時間約8.8h。

2）異面目標的相對運動速度快，主要從側方進入觀測視場，傾角相差1°時相對運動速度約為54m/s。對于15°傾角目標相對速度約800m/s，進出300km包絡的時長約10min，比共面目標的可探測時間短得多。天基平臺主要在目標過赤道面時進行探測，如圖4所示。

圖3 共面目標的相對運動關系

圖4 傾角不為零GEO衛(wèi)星星下點軌跡

針對GEO軌道帶上已知軌道參數(shù)的1503個目標，空間目標監(jiān)視衛(wèi)星沿GEO-50km軌道漂移，對GEO軌道帶目標的探測發(fā)現(xiàn)情況進行了仿真。每天進入衛(wèi)星不同大小包絡球內(nèi)的目標數(shù)量如表1所示，可以看出，如果對目標的成像距離為300km，則每天最多可對9個目標進行成像。

表1 每天進入衛(wèi)星包絡球范圍的目標數(shù)量統(tǒng)計

Tab.1 Targets quantity entering various envelopes

3 基于順光成像的軌道機動技術

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

3.1 自然繞飛成像模式分析

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

GEO軌道自然繞飛周期為1天，太陽視運動周期也為1天，兩者周期相等，因此，自然繞飛過程中對目標成像時光照條件基本保持不變。

通過軌道機動建立對目標的繞飛軌道，并且繞飛軌道的初始相位與太陽光線方向一致，則在繞飛成像過程中始終保持對目標順光（如圖5所示）。其中典型時刻太陽光方向及繞飛相位為：

1）當?shù)貢r間06:00，太陽光從目標前方（東方）照射目標，衛(wèi)星位于目標的前方，可對目標順光成像；2）當?shù)貢r間12:00，太陽光從目標上方照射目標，衛(wèi)星位于目標的上方，可對目標順光成像；3）當?shù)貢r間18:00，太陽光從目標后方（西方）照射目標，衛(wèi)星位于目標的后方，可對目標順光成像；4）當?shù)貢r間00:00，太陽光從目標下方照射目標，衛(wèi)星位于目標的下方，可對目標順光成像。

圖5 自然繞飛順光成像

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

3.2 掠飛成像模式分析

對于傾角不為0°的GEO目標，其星下點軌跡為“8”字形軌跡。GEO目標約每12h經(jīng)過赤道面一次，因此，衛(wèi)星可以在目標經(jīng)過赤道面附近時對其抵近清晰成像。對異面目標掠飛成像必須在規(guī)定的時間到達規(guī)定的位置對目標順光觀測。這里規(guī)定的時間指目標過赤道附近的時刻，規(guī)定的位置指目標指向太陽方向的某位置。如圖6所示，當目標過赤道時刻太陽位于后上方時，衛(wèi)星也需機動到目標的后上方進行成像；當目標過赤道時刻太陽位于前上方時，衛(wèi)星也需機動到目標的前上方進行成像。

圖6 掠飛成像軌道

傾角不為0°的GEO衛(wèi)星，每天2次經(jīng)過赤道面，一次經(jīng)過赤道面時間在當?shù)貢r間06:00~18:00，另一次經(jīng)過赤道面時間在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目標經(jīng)過赤道面時對其進行成像，此時可以從下方或側下方對目標順光成像。但考慮到在春分或秋分附近，存在不大于72min的地影時間，因此需要對目標的觀測時機進一步細分，具體如圖7和表2所示，例如當?shù)貢r間為23:24~00:36時，太陽位于目標下方（B區(qū)），衛(wèi)星應從下方對目標進行成像；但春分或秋分時，目標處于地影中，此時可見光相機無法對其進行成像。

圖7 掠飛時間分區(qū)

表2 掠飛時間分區(qū)

Tab.2 Time intervals for intersection

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

4 告警相機視場精準配置技術

威脅目標的逼近方向遵循軌道相對運動規(guī)律，可以根據(jù)目標逼近特點進行告警相機視場的精準配置，實現(xiàn)較小相機視場實現(xiàn)較高發(fā)現(xiàn)概率的目的。

4.1 目標逼近特點分析

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

圖8 目標逼近方位

異面目標主要從±側逼近，逼近速度快，傾角15°目標逼近速度約800m/s。針對異面目標告警區(qū)域要包括側向，即±方向，如圖8（b）所示。

4.2 光學告警相機精準配置方案

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中坐標系為航天器速度與當?shù)厮剑╒ehicle Velocity and Local Horizontal，VVLH）軌道坐標系，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、軸構成右手直角坐標系；方向在軌道平面內(nèi)與VVLH坐標系軸的夾角為20°（偏向－軸方向為正），為的反方向。告警相機視場區(qū)域包括前上方（方向）、右側（VVLH坐標系軸方向）、后下方（方向）、左側（VVLH坐標系軸方向）等重點方向。告警相機的視場范圍為360°×60°，其視場區(qū)域為4π全空域的50%。

圖9 告警相機視場

衛(wèi)星運行在GEO-50km軌道，采用上述告警相機配置方案，相機探測能力取7等星，對GEO軌道帶已知軌道參數(shù)的1503個目標進行探測告警。運行8年期間目標逼近至衛(wèi)星100km以內(nèi)共計2975次，目標抵近至100km時的方位如圖10所示。仿真計算表明，可發(fā)現(xiàn)目標抵近次數(shù)為2831次，即目標發(fā)現(xiàn)概率為95%。

圖10 目標逼近至100km時的方位

綜上所述，從發(fā)現(xiàn)目標的角度考慮，可以采用光學告警相機精準配置方案，在4π全空域50%視場的條件下可實現(xiàn)95%的目標發(fā)現(xiàn)概率。

5 目標三維重建及驗證

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

5.1 重建方案

衛(wèi)星在軌對目標繞飛或懸停，并利用成像載荷對目標探測成像，再將成像數(shù)據(jù)和相對導航信息下傳地面，最后在地面進行數(shù)據(jù)處理完成三維重建與目標運動參數(shù)估計，三維重建原理如圖11所示。

圖11 三維重建原理

為實現(xiàn)三維重建，首先要對目標進行多角度成像。對于姿態(tài)穩(wěn)定的目標，通過繞飛方式對其成像，獲取多角度圖像序列；對于姿態(tài)翻滾目標，需通過多點懸停的方式對其成像，獲取多角度圖像序列。

衛(wèi)星將目標圖像序列和相對導航信息下傳至地面，地面經(jīng)過圖像篩選、特征點提取與匹配、稀疏點云重建、稠密點云重建、表面恢復等步驟完成目標三維重建，具體流程如圖12所示。

圖12 三維重建流程

5.2 地面試驗

為了驗證三維重建技術，構建了地面空間光學動態(tài)特性測試系統(tǒng)，試驗系統(tǒng)由目標姿態(tài)模擬系統(tǒng)、周視探測車、圓周形的測試軌道、太陽模擬器和中央控制系統(tǒng)等組成（如圖13所示）。目標姿態(tài)模擬系統(tǒng)用于模擬目標的三軸姿態(tài)運動，周視探測車上安裝可見光探測相機并在圓周形的測試軌道上運行，圓周形的測試軌道用于模擬衛(wèi)星和目標的相對軌道運動，太陽模擬器用于模擬空間太陽光照，中央控制系統(tǒng)負責整個試驗系統(tǒng)的控制并具備目標三維重建功能。

以角速度為5（°）/s的某翻滾目標為例，利用地面空間光學動態(tài)特性測試系統(tǒng)模擬衛(wèi)星3點懸停對目標成像探測，利用圖像序列進行三維重建，得到目標表面各點的三維坐標集，即三維點云。通過重建點云與真實目標比較可得，重建點云精度優(yōu)于0.05m。

圖13 空間光學動態(tài)特性測試系統(tǒng)

6 結束語

本文結合高軌目標的軌道特性和光照特性，介紹了高軌目標順光成像的機動控制、告警相機視場精準配置、目標三維重建及實踐情況。衛(wèi)星通過軌道機動可采用掠飛或繞飛方式對目標順光抵近成像；根據(jù)目標軌道特性，采用光學告警相機精準配置方案，采用4π全空域50%的視場配置下可以實現(xiàn)95%的目標發(fā)現(xiàn)概率；衛(wèi)星在軌對目標繞飛/懸停成像并下傳地面進行三維重建，地面試驗表明重建點云精度優(yōu)于0.05m。軌道機動是實現(xiàn)對高軌目標精準感知的重要手段，為目標成像提供需要的距離和光照等條件。軌道機動平臺與空間目標監(jiān)視載荷相結合，實現(xiàn)對目標的自主感知，是未來空間目標態(tài)勢感知的重要發(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年獲復旦大學計算數(shù)學專業(yè)碩士學位，研究員，研究方向是航天器總體設計。

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

2021-01-05

肖余之, 陳記爭. 基于軌道機動的高軌目標自主感知技術[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）