一種衛星自主連續觀測小行星的方法與流程

本發明屬于航天器深空探測的空間測量領域，尤其涉及一種衛星自主連續觀測小行星的方法。

背景技術：

隨著深空探測技術的發展，小行星探測已成為21世紀深空探測的重要內容之一，開展小行星探測不僅有助于揭開太陽系和生命的起源、演化之謎，而且可促進地球防護、空間科學和空間技術應用的發展，能為更遠的深空探測關鍵技術提供驗證。

目前，各主要航天國家都十分重視深空探測戰略的制定工作，從戰略高度明確了各自的發展方向和重點，但目前對小行星的探測工作還處于初級階段，相關技術尚未成熟，有待進一步驗證和完善。小行星探測的主要手段包括：飛越探測、繞飛探測、著陸取樣探測三種方式，其中為了在小行星附近進行飛越探測和伴飛探測，都需要通過星載監測設備對小行星進行遠程觀測，以獲得小行星的地形、地貌等外部信息。此外，由于小行星周圍引力場復雜、測控信息匱乏、探測器與地面控制站通信延遲大等特點，傳統的無線電跟蹤技術難以滿足導航實時性的要求，使得小行星探測任務中的自主導航技術成為了小行星探測技術需要研究的重點之一。

綜上所述，由于傳統可見光相機無法始終連續跟蹤觀測小行星，因此這就使得研究針對小行星的新型光學測量方法顯得迫切重要，不僅可以為我國深空探測任務提供技術儲備，同時也可以促進其他相關研究課題和工程項目的進展，為我國航空航天技術進步做出貢獻。

技術實現要素：

發明目的：本發明針對面向小行星的深空探測，衛星無法始終連續跟蹤觀測小行星導致信息缺失的問題，提出一種衛星利用星敏感器自主連續觀測小行星相對方向矢量的方法，為深空探測衛星提供高精度相對觀測信息。

技術方案：本發明提供的一種衛星自主連續觀測小行星的方法，步驟如下：

(1)以目標小行星為跟蹤觀測對象，根據小行星星歷，設計衛星理論飛行軌道參數；

(2)根據計算的衛星和小行星相對距離，判斷是否滿足星敏感器觀測距離要求，滿足則進入步驟(3)，否則進入步驟(10)；

(3)根據解算的太陽、地球和小行星三者位置關系，判斷小行星是否處在太陽光照區，是則進入步驟(4)，否則進入步驟(10)；

(4)根據解算的地球、衛星和小行星三者位置關系，判斷地球是否進入星敏感器視場，是則進入步驟(5)，否則進入步驟(10)；

(5)根據計算的小行星可視星等，判斷小行星可視星等是否小于星敏感器可觀測閾值，是則進入步驟(6)，否則進入步驟(10)；

(6)根據計算的小行星相對衛星方向矢量與星敏感器光軸指向夾角，判斷小行星是否在星敏感器視場范圍內，是則進入步驟(7)，否則利用萬向軸調整星敏感器光軸指向后，繼續判斷小行星是否在星敏感器視場范圍內，是則進入步驟(7)，否則進入(10)；

(7)根據計算的小行星在星敏感器二維像面陣坐標，判斷小行星是否在星敏感器二維像面陣內，是則進入步驟(7)，否則進入步驟(10)；

(8)根據計算的小行星相對衛星理論方向矢量和方位角與俯仰角，進入步驟(9)；

(9)根據步驟(8)所得的小行星相對衛星理論方向矢量和方位角與俯仰角，調整主星星敏感器光軸與理論方向矢量一致，計算小行星相對衛星單位方向矢量真實測量值，并建立觀測模型，進入步驟(10)；

(10)結束觀測。

進一步的，所述步驟(1)中的設計衛星理論飛行軌道參數具體包括軌道半長軸a、軌道偏心率e、軌道傾角i、升交點赤經Ω、近地點幅角ω和過近地點時刻tp。

進一步的，所述步驟(2)中判斷小行星是否滿足星敏感器觀測特定距離要求過程如下：

計算衛星相對小行星距離δr^(Ast0)，判斷其是否滿足條件

L_min≤δr^(Ast0)≤L_max (1)

其中，δr^(Ast0)＝|δr^(Ast0)|＝|r^(Ast)-r⁽⁰⁾|，r⁽⁰⁾和r^(Ast)為衛星和小行星位置矢量；L_min和L_max為星間觀測所需最小距離和最大距離。

進一步的，所述步驟(3)中判斷小行星是否處在太陽光照區過程如下：

分析地球陰影范圍以及小行星運行穿過該陰影區的臨界條件，設小行星位置矢量r^(Ast)與太陽位置矢量r^(sun)夾角為ψ，小行星進入和離開地球陰影范圍的臨界夾角為和則小行星處在太陽光照區需要滿足條件：

進一步的，所述步驟(4)中判斷地球是否進入星敏感器視場過程如下：

設衛星位置矢量r⁽⁰⁾和衛星相對小行星方向矢量δr^(Ast0)的夾角為θ，由于被地球遮擋導致背景光線過弱的臨界條件是小行星相對衛星方向矢量δr^(Ast0)與地球邊緣相切，定義此臨界夾角為θ_cri，則地球未進入星敏感器視場條件為：

θ＞θ_cri (3)。

進一步的，所述步驟(5)中判斷小行星可視星等是否小于星敏感器可觀測閾值過程如下：

引入可視星分析小行星的可見性，星等值越小，表明天體越亮；反之，天體則越暗；設星敏感器可觀測閾值為m_thr，小行星可視星等為m，小行星被觀測到其可視星等需要滿足條件

m＜m_thr (4)。

進一步的，所述步驟(6)中判斷小行星是否在星敏感器視場范圍內過程如下：

設小行星相對衛星方向矢量δr^(Ast0)與星敏感器光軸指向矢量夾角為星敏感器視場角為FOV，則方向矢量δr^(Ast0)在星敏感器視場范圍內需要滿足條件

如果相對矢量δr^(Ast0)不在視場范圍內，利用萬向軸或其他機械裝置調整星敏感器光軸指向，使其進入視場范圍，如果轉動后仍不能進入視場，則無法觀測。

進一步的，所述步驟(7)中判斷判斷小行星是否在星敏感器二維像面陣內的過程如下：

根據小行星相對衛星方向矢量δr^(Ast0)投影在星敏感器二維像面陣的幾何關系，解其坐標為設二維像面陣長度和寬度分別為IP_longth和IP_width，則小行星在像平面坐標需要滿足條件

進一步的，所述步驟(8)中計算小行星相對衛星理論方向矢量和方位角與俯仰角具體為：

小行星相對衛星單位方向矢量由星敏感器獲得，即得小行星相對衛星方位角α與俯仰角δ，衛星和小行星相對距離|δr^(Ast0)|由星間鏈路獲得，由此得到小行星相對衛星理論方向矢量δr^(Ast0)

其中，

小行星相對衛星方位由方位角和俯仰角描述，在衛星本體坐標系ob-xbybzb中，定義方位角α為δr^(Ast0)在o_b-ybzb平面的投影與yb軸夾角，俯仰角δ為δr^(Ast0)與xb軸夾角，表示為

其中，是地心慣性坐標系相對本體坐標系姿態轉換矩陣。

進一步的，所述步驟(9)具體為：

根據步驟(8)所得的小行星相對衛星理論方向矢量和方位角與俯仰角，衛星采用萬向軸調整星敏感器光軸指向與理論方向矢量一致，并利用星敏感器進行實際測量，輸出小行星相對衛星單位方向矢量真實測量值由衛星激光測距儀測量衛星和小行星之間的實際測量值|δr^(Ast0)|_mes，得小行星相對衛星單位方向矢量真實觀測模型為：

工作原理：本發明是一種衛星自主連續觀測小行星新方法，利用衛星星敏感器自主連續觀測小行星，得到小行星相對衛星方向矢量和方位角與俯仰角。首先以目標小行星為跟蹤觀測對象，根據小行星星歷，設計衛星飛行軌道參數，然后提出衛星星敏感器觀測小行星需要滿足四種基本光照條件：①衛星和小行星相對距離滿足觀測距離要求；②小行星處在太陽光照區能被完全觀測；③地球(或其他天體)未進入星敏感器視場；④小行星可視星等小于可視星等閾值，其次判斷衛星星敏感器能否觀測到小行星：①小行星是否在星敏感器視場范圍；②小行星是否在星敏感器二維像面陣內，最后計算小行星相對衛星方向矢量和方位角及俯仰角，為衛星自主連續觀測小行星提供數據支持。

有益效果：相對于現有技術，本發明可為衛星編隊飛行提供高精度相對觀測信息，有效解決衛星編隊飛行觀測信息不足所導致的導航精度較低的問題。具有以下優點：1、星敏感器是觀測恒星的天體敏感器，而利用星敏感器觀測小行星需要需要滿足特定條件，本發明提出小行星被觀測需要滿足的光照條件和星敏感器觀測條件，解決傳統星敏感器只能被動觀測問題，提高自主觀測準確性；2、在實現星間觀測基礎上，本發明提出實時計算小行星相對衛星方位矢量和方位角和俯仰角方法，并且利用萬向軸調整星敏感器光軸指向連續跟蹤小行星，解決傳統觀測無法連續跟蹤問題，提高星間連續觀測效率。

附圖說明

圖1為本發明方法流程圖；

圖2為本發明衛星相對小行星星間特定距離范圍示意圖；

圖3為本發明中小行星光照條件示意圖；

圖4為本發明中星敏感器視場與地球位置關系示意圖；

圖5為本發明中小行星可視星等計算示意圖；

圖6本發明中小行星在星敏感器二維像面陣投影示意圖；

圖7為本發明中小行星相對衛星方向矢量與方位角示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖，對本發明的實施案例進行詳細的描述；

如圖1所示，本發明為一種衛星自主連續觀測小行星的方法，其面向小行星的深空探測階段，衛星利用星敏感器自主連續觀測小行星相對方向矢量的新方法，是一種非常適合于深空探測衛星連續觀測小行星方法。其包括步驟如下：

(1)以目標小行星為跟蹤觀測對象，根據小行星星歷，設計衛星理論飛行軌道參數(包括軌道半長軸a、軌道偏心率e、軌道傾角i、升交點赤經Ω、近地點幅角ω、過近地點時刻t_p)，設計衛星星敏感器最佳安裝方位以觀測小行星；

(2)根據所設計兩個空間機器人軌道參數，計算衛星和小行星相對距離δr^(Ast0)，如圖2所示，判斷其是否滿足星敏感器觀測小行星需要滿足特定距離要求

L_min≤δr^(Ast0)≤L_max (10)

其中，δr^(Ast0)＝|δr^(Ast0)|＝|r^(Ast)-r⁽⁰⁾|，r⁽⁰⁾和r^(Ast)為衛星和小行星位置矢量；L_min和L_max為星間觀測所需最小和最大距離。

(3)當衛星觀測小行星時，小行星需要被太陽光充分照射。當小行星在地球光照區時，小行星能被太陽光充分照射；反之，當小行星進入地球陰影區時，由于地球遮擋，太陽光無法照射到小行星，因此需要對小行星光照條件進行判斷。

根據太陽、地球和小行星三者幾何位置關系，如圖3所示，確定太陽陰影區和小行星運行軌跡穿過該陰影區的臨界條件。設太陽光為平行光，定義太陽光方向矢量為0°，繞其順時針角度為正，取值范圍[0,π]，繞其逆時針角度為負，取值范圍為[-π,0)，小行星位置矢量r^(Ast)與太陽方向矢量r^(sun)形成的夾角為

順時針：

逆時針：

小行星進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。

由此可得小行星處在太陽光照區和陰影區條件分別為：

太陽光照區：

太陽陰影區：或

(4)在星敏感器觀測小行星過程中，當視場背景光線過強或過弱時，其也無法觀測小行星，因此需要分析視場背景受天體影響。

以地球導致星敏感器視場背景過弱為例進行分析，根據地球、衛星和小行星三者幾何位置關系，如圖4所示，小行星相對衛星方向矢量δr^(Ast0)和衛星方向矢量r⁽⁰⁾的夾角為

由于地球導致背景光線過弱的臨界條件是衛星和小行星的連線與地球邊緣相切，則切線與衛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 (16)

該方法同樣適用判斷小行星背景受其他天體遮擋導致光線過強情況。

(5)星等是天文學中的概念，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小行星的可見性。

首先要計算小行星的絕對星等，小行星的絕對星等M可通過下式計算得出：

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。

小行星的視星等m可以通過絕對星等M依照如下公式計算得到：

其中，|r^(sun0)|是太陽與小行星之間的距離；ξ是相對矢量δr^(Ast0)與太陽相對小行星方向矢量r^(sunAst)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。設星敏感器可觀測閾值為m_thr，小行星可視星等為m，其可視星等需要滿足條件

m＜m_thr (21)

定義星敏感器光軸指向在本體坐標系方向矢量為計算小行星相對衛星方向矢量δr^(Ast0)與星敏感器方向矢量為的夾角

其中，是地心慣性坐標系相對本體坐標系姿態轉換矩陣。

定義星敏感器視場角為FOV，判斷相對矢量δr^(Ast0)是否在星敏感器視場范圍內

視場范圍內：

視場范圍外：

如果相對矢量δr^(Ast0)不在視場范圍內，考慮利用萬向軸調整星敏感器光軸指向矢量，可以在由δr^(Ast0)和組成的平面內直接偏轉等于或大于角度，使矢量δr^(Ast0)進入視場范圍，如果轉動后仍不能進入視場，則無法觀測。

(7)根據小行星相對衛星方向矢量δr^(Ast0)投影在星敏感器二維像面陣的幾何關系，如圖6所示，解算如下(23)式，可得小行星在二維像面陣坐標

其中，f是星敏感器焦距

設像平面長度和寬度分別為IP_longth和IP_width，小行星能被觀測需要滿足條件

(8)在衛星觀測到小行星后，由星間鏈路可得兩顆衛星之間距離δr^(Ast0)，由星敏感器可得小行星相對衛星單位方向矢量當上述星敏感器所有理想觀測條件都滿足時，根據所設計衛星理論飛行軌道參數，即可計算出小行星相對于觀測衛星的理論方向矢量以及方位角和俯仰角，如圖7所示，可得小行星相對衛星方向矢量為

其中，

小行星相對衛星方向可由方位角和俯仰角描述，在衛星本體坐標系o_b-x_by_bz_b中，定義方位角α為δr^(Ast0)在o_b-y_bz_b平面的投影與y_b軸夾角，俯仰角δ為δr^(Ast0)與x_b軸夾角，可表示為

其中，是地心慣性坐標系相對本體坐標系姿態轉換矩陣。

(9)根據上述所得的小行星相對衛星理論方向矢量和方位角與俯仰角，衛星采用萬向軸或其他機械裝置調整星敏感器光軸指向與該理論方向矢量相吻合，并利用星敏感器進行實際測量，輸出小行星相對衛星單位方向矢量真實測量值由衛星激光測距儀測量與小行星之間的實際測量值|δr^(Ast0)|_mes，由可得小行星相對衛星的方向矢量真實觀測模型為：

(10)結束觀測。

本發明首先以目標小行星為跟蹤觀測對象，根據小行星星歷，設計衛星理論飛行軌道參數，然后提出衛星星敏感器觀測小行星需要滿足四種基本光照條件：衛星和小行星相對距離滿足觀測特定距離要求；小行星處在太陽光照區能被完全觀測；地球(或其他天體)未進入星敏感器視場；小行星可視星等小于可視星等閾值，其次判斷衛星星敏感器能否觀測到小行星：小行星是否在星敏感器視場范圍；小行星是否在星敏感器二維像面陣內，計算小行星相對衛星的理論方向矢量和方位角與俯仰角，最后調整星敏感器光軸與理論方向一致，對小行星進行真實觀測，為衛星自主連續觀測小行星提供數據支持。