基于地基光度信号的空间目标关键特征反演方法研究
发布时间：2021-03-09 22:25
随着航天技术的不断发展,太空中的空间目标种类和数量急剧增多,亟需提高空间目标的精准辨识与态势感知能力。地基光学观测系统具有可探测距离远、不受体积、质量与功耗等工程制约、实现难度小等优势,是空间目标特别是中高轨目标监视与态势感知重要手段。但由于地基观测距离远,空间目标在观测数据中多体现为具有光度信号的点目标。而且光度信号中耦合了目标轨道、姿态、材料、光照条件等众多因素的影响,这也增加了基于光度信号的空间目标轨道、姿态、质量等关键特征精确反演的难度。并且受到探测系统噪声、观测模型不准确等因素的影响,现有基于光度信号的空间目标关键特征反演方法适用条件苛刻、精度不高,难以满足对空间目标精准辨识与态势感知的需求。针对上述问题,本文通过建立空间目标地基观测模型、运动模型,并结合非线性滤波思想,深入开展了基于地基光度信号的空间目标轨道、姿态和质量等关键特征的反演方法研究,并进行了仿真实验验证。本文的主要研究内容如下:（1）空间目标地基观测模型与运动模型建立。从空间目标地基光度信号形成机理出发,基于辐射度学原理,对地基观测空间目标光度信号的影响因素进行分析,综合考虑了空间目标几何特性与表面反射特性、目...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空间目标成像大小随着自身尺寸的减小和探测距离的增加而降低
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5这一物理量进行了反演估计[35]。(a)三轴稳定卫星光度曲线(b)失效卫星光度曲线图1-2不同运动状态卫星光度信号曲线[35]2017年，哈尔滨工业大学在确定卫星运行状态的前提下，针对三轴稳定状态卫星，基于多级假设检验法对其姿态进行了反演，并给出算法适用条件[16]。2019年，哈尔滨工业大学对卫星表面为理想表面和存在褶皱两种情况下的时序光谱信号进行了仿真，并且基于LM算法对姿态发生变动的目标卫星的姿态参数进行了反演[36]。但该方法主要适用于天基观测条件下的卫星姿态参数反演，且需要已知卫星的轨道参数，在实际应用中容易受到限制。装备学院的杜小平等研究人员将曲线匹配思想引入光度学领域，综合考虑了光度曲线的几何特征与统计特征，利用不同空间目标的光度曲线进行匹配的方法对空间目标的几何形状进行反演，该方法成功区分出了圆柱体、球体与立方体卫星[37]。西安交通大学的单斌等人建立了空间目标光度观测模型，对已知轨道和姿态的空间目标光度信号曲线进行了仿真，并利用UKF方法基于仿真观测数据实现了对简单多棱柱目标的姿态与角速度参数反演[38]，但是该方法没有给出姿态参数反演误差范围。1.2.3国内外研究现状分析由国内外研究现状分析可知，空间目标关键特征反演方面，研究人员分别对基于光度信号的空间目标参数反演已经展开了一定的研究，其中利用空间目标光度曲线对目标几何形状进行反演的方法主要可以分为高斯面密度法、时序光度曲线匹配法以及基于控制点的向量估计法，如表1-2列举了几种常见空间目标形状反演方法。但是，目前空间目标几何形状反演方法多是对简单空间目标进行区分，如火箭、失效卫星等。在空间目标姿态参数反演方面，国内外研究人员分别利用光度信号?
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文12(c)入射角30°(d)入射角45°(e)入射角60°(f)入射角75°图2-4不同入射角度面元反射情况示意图2.2.3空间目标光度信号地基观测模型2.2.3.1背景辐射计算太空环境中的背景辐射主要包括太阳直射、深空背景辐射和大气散射，，由于地基观测系统能够接收到的空间目标辐射主要来自其对太阳辐射的反射，因此在本文中主要考虑太阳光对目标的直射，其余的辐射忽略不计。根据辐射度学定义，空间目标所在地球大气层外接收到太阳光谱辐射照度计算公式为：2()sunsunserEMl=(2-5)式中，sunr为太阳半径，sel为地球至太阳平均距离，M为太阳的光谱辐射出射度。根据普朗克公式，太阳的光谱辐射出射度表达式为：1125exp1ccMT=(2-6)式中，1c为第一辐射常数1c=3.7418e-162Wm,2c为第二辐射常数2c=1.4388e-2
本文编号：3073577
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空间目标成像大小随着自身尺寸的减小和探测距离的增加而降低
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5这一物理量进行了反演估计[35]。(a)三轴稳定卫星光度曲线(b)失效卫星光度曲线图1-2不同运动状态卫星光度信号曲线[35]2017年，哈尔滨工业大学在确定卫星运行状态的前提下，针对三轴稳定状态卫星，基于多级假设检验法对其姿态进行了反演，并给出算法适用条件[16]。2019年，哈尔滨工业大学对卫星表面为理想表面和存在褶皱两种情况下的时序光谱信号进行了仿真，并且基于LM算法对姿态发生变动的目标卫星的姿态参数进行了反演[36]。但该方法主要适用于天基观测条件下的卫星姿态参数反演，且需要已知卫星的轨道参数，在实际应用中容易受到限制。装备学院的杜小平等研究人员将曲线匹配思想引入光度学领域，综合考虑了光度曲线的几何特征与统计特征，利用不同空间目标的光度曲线进行匹配的方法对空间目标的几何形状进行反演，该方法成功区分出了圆柱体、球体与立方体卫星[37]。西安交通大学的单斌等人建立了空间目标光度观测模型，对已知轨道和姿态的空间目标光度信号曲线进行了仿真，并利用UKF方法基于仿真观测数据实现了对简单多棱柱目标的姿态与角速度参数反演[38]，但是该方法没有给出姿态参数反演误差范围。1.2.3国内外研究现状分析由国内外研究现状分析可知，空间目标关键特征反演方面，研究人员分别对基于光度信号的空间目标参数反演已经展开了一定的研究，其中利用空间目标光度曲线对目标几何形状进行反演的方法主要可以分为高斯面密度法、时序光度曲线匹配法以及基于控制点的向量估计法，如表1-2列举了几种常见空间目标形状反演方法。但是，目前空间目标几何形状反演方法多是对简单空间目标进行区分，如火箭、失效卫星等。在空间目标姿态参数反演方面，国内外研究人员分别利用光度信号?
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文12(c)入射角30°(d)入射角45°(e)入射角60°(f)入射角75°图2-4不同入射角度面元反射情况示意图2.2.3空间目标光度信号地基观测模型2.2.3.1背景辐射计算太空环境中的背景辐射主要包括太阳直射、深空背景辐射和大气散射，，由于地基观测系统能够接收到的空间目标辐射主要来自其对太阳辐射的反射，因此在本文中主要考虑太阳光对目标的直射，其余的辐射忽略不计。根据辐射度学定义，空间目标所在地球大气层外接收到太阳光谱辐射照度计算公式为：2()sunsunserEMl=(2-5)式中，sunr为太阳半径，sel为地球至太阳平均距离，M为太阳的光谱辐射出射度。根据普朗克公式，太阳的光谱辐射出射度表达式为：1125exp1ccMT=(2-6)式中，1c为第一辐射常数1c=3.7418e-162Wm,2c为第二辐射常数2c=1.4388e-2
本文编号：3073577
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