一种自由重构和协同观测的对地观测纳卫星集群系统技术方案

本发明专利技术提供了一种自由重构和协同观测的对地观测纳卫星集群系统。该系统包含四颗相同的纳卫星，具备分散态和聚集态两种基本形态。在分散状态下，通过四星的智能协同，可实现三种编队构型下的五种协同对地观测，包括垂轨拼接观测、多目标观测、沿迹拼接观测、接力凝视观测和同目标多角度观测。在聚集状态下，四星自由对接实现组合体的不同结构，从而完成观测视场的拼接和叠加。分散态的智能协同和聚集态的自由重构大幅提升了纳卫星系统的任务灵活性，使其更加适应广域观测和数据融合等应用需求。本发明专利技术解决了传统对地观测系统灵活性差，成本高等问题，可应用于多任务要求的对地观测。

【技术实现步骤摘要】
一种自由重构和协同观测的对地观测纳卫星集群系统
本专利技术涉及本专利技术涉及纳卫星对接与编队飞行技术。属于卫星系统总体设计

技术介绍
目前卫星编队技术已经得到国内外学者的重视，已经得到过在轨验证的任务中，大多数是双星编队，实现跟飞、绕飞、悬停等，卫星集群的验证仅验证过简单芯片卫星的跟飞，卫星并不具备轨道控制和姿态控制的能力，无法实现复杂的空间任务，也无法实现多任务之间的切换。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种自由重构和协同观测的对地观测纳卫星集群系统，解决了传统大卫星观测的时空局限性以及小卫星观测的视场稳定性和任务灵活性。本专利技术的技术解决方案是：一种自由重构和协同观测的对地观测纳卫星集群系统，该系统包括四颗纳卫星，其中一颗卫星为主星，另外三颗卫星为从星，分别记为第一从星、第二从星和第三从星；主星接收地面控制站发送的控制指令设置系统工作状态，所述系统工作状态包括分散态；当系统工作在分散态时，四星分散布置，主星接收地面控制站发送的模式切换指令设置并向从星发送协同对地观测模式，获取自身的位置、姿态信息，根据协同对地观测模式获取地面目标的图像信息，各协同对地观测模式下，从星根据模式切换指令和主星位置、姿态信息，实时调整自身位置和姿态，调整到位之后，与主星一起协同获取地面目标的图像信息；四星将目标图像信息、姿态信息和相对位置信息通过主星转发至地面控制站，由地面控制站根据不同的协同对地观测模式、四星的姿态信息和相对位置信息，对图像信息进行融合处理得到观测结果。所述协同对地观测模式包括：多目标观测模式、沿迹拼接观测模式、垂轨拼接观测模式、接力凝视观测模式和同目标多角度观测模式。垂轨拼接观测模式下，各卫星之间距离沿轨道依次间隔第一预设距离，各星光轴沿着卫星滚转轴旋转一定角度，然后将期望的位置、姿态信息发送到指定的从星，从星根据期望的位置、姿态信息调整相对位置和姿态，对该姿态下视场中的目标进行观测，并将拍摄的图像反馈到主星。所述一定角度为5°或7.5°。多目标观测模式下，各卫星之间距离沿轨道依次间隔相同的第二预设距离，各卫星对准不同的目标进行观测，主星求解出各颗从星所要到达的期望位置和姿态，将期望位置和姿态发送至各从星，从星机动到期望的位置上，使自身与主星的距离满足第一预设距离，再根据待测目标的位置，调整姿态，使光轴指向待测目标，对该姿态下视场中的目标进行观测，并将拍摄的图像反馈到主星。沿迹拼接观测模式下，各卫星之间距离沿轨道依次间隔第三预设距离，各星光轴稳定指向地心方向，主星将期望的位置、姿态信息发送到各颗从星，从星根据期望的位置、姿态信息调整相对主星的位置和姿态，对该姿态下视场中的目标进行观测，并将拍摄的图像反馈到主星。同目标多角度观测模式下，主星对工作模式进行解算，得到各卫星之间距离沿轨道依次间隔第四预设距离，各星光轴指向同一地面目标，主星将期望的位置、姿态信息发送到各从星，从星根据期望的位置、姿态信息，调整轨道和姿态，对该姿态下视场中的目标进行观测，并将拍摄的图像反馈到主星。接力凝视观测模式下，主星发送模式给从星之后，各卫星调整自身的位置进入观测轨道，各星之间沿轨道依次间隔第五预设距离，主星调整自身姿态对准被观测目标开始观测，同时发送姿态角调整指令给第一从星，第一从星收到姿态角调整指令之后，开始机动调整姿态对准目标，进行光轴的指向跟踪，做好观测准备，等到运动到被观测目标上空时，开始观测，并将图像信息实时通过主星发送至地面控制站，同时将姿态角调整指令发送给第二从星，以此类推，第二从星开始观测时，发送姿态角调整指令给第三从星，第三从星做好观测准备，等到运动到被观测目标上空时，开始观测，并将拍摄的图像反馈到主星，实时通过主星发送至地面控制站。所述工作状态还包括聚集态，当系统工作在聚集态时，四星通过对接轴连接形成组合体，主星接收地面控制站发送的构型切换指令设置不同编队构型方式，从星根据不同的编队构型方式调整位置和姿态，完成对接，四星形成不同形状的组合体，从而实现观测视场的拼接和叠加。所述编队构型方式包括：1×4组合构型、2×2组合构型和Z形组合构型：1×4组合构型下，四颗卫星串联组合，相邻的两颗卫星之间保持一定的对接角度，实现视场的叠加和拼接；当四颗卫星以扇形组合时，得到1×4的视场；当两边的纳卫星向不同方向转动时，得到1×3的视场；当两边的纳卫星向相同方向转动，可得到1×2的视场；2×2组合构型下，四颗卫星构成2行2列的“田”字组合，使得四颗纳卫星的视场基本重合。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)、本专利技术由于采用四颗纳卫星的编队和组合，通过姿态控制、编队重构和交会对接等方法，实现了多种对地观测模式，在满足燃料充足的前提下，使得空间任务具有多样性、复杂性。(2)、本专利技术除了卫星编队飞行实现自主协作的运行模式以外，还设计了多种小卫星通过交会对接形成组合体的工作方式，实现稳定的多角度、大幅宽观测，保证了对地观测成像的精度和稳定度。(3)、本专利技术自主协作的运行模式具有更高性能、更低费用，以及更好的容错性、可靠性、可重构性和可升级性。附图说明图1为单颗纳卫星外形示意图；图2为紧密编队垂轨拼接观测示意图；图3为紧密编队多目标观测示意图；图4为近距离编队沿迹拼接观测示意图；图5为远距离编队多角度观测示意图；图6为远距离编队接力凝视观测示意图；图7为1×4视场组合方式示意图；图8为2×2视场组合方式示意图；图9为Z型视场组合方式示意图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术提供了一种自由重构和协同观测的对地观测纳卫星集群系统，该系统包括四颗纳卫星，其中一颗卫星为主星，另外三颗卫星为从星，分别记为第一从星、第二从星和第三从星。以下从单颗纳卫星设计和集群纳卫星系统两个方面进行说明：(1)、单颗纳卫星设计纳卫星集群系统中单颗纳卫星的外形图如图1所示，其尺寸是130mm×130mm×450mm，其在标准的3U卫星框架基础上，增加了130mm×130mm×110mm的镜头外框架。该外框架除了起到保护镜头的作用以外，在框架上表面安装了数传天线、测控天线、GPS天线，在侧面安装了磁强计，使其远离磁力矩器，以保证磁强计正常工作，其它采用的单机有星载计算机、微型星敏感器、GPS接收机、磁力矩器、微型三轴飞轮、导航相机、微型对接机构、太阳能电池片、电源模块、载荷相机和推进器单元。主星携带计算能力较强的星载计算机，用于集群系统的综合控制，三颗从星携带相同的计算能力较弱的星载计算机；微型星敏感器用于卫星的姿态确定，得到卫星的姿态信息，发送给星载计算机；GPS接收机和磁强计用于卫星的绝对导航，得到卫星的绝对轨道信息，发送给星载计算机；导航相机用于卫星之间的相对导航，得到两颗卫星之间的相对位置信息，发送给星载计算机；数传天线、测控天线用于卫星与地面站、卫星之间的数据、指令传输，太阳能电池片和电源模块用于卫星的电能转换和管理，载荷相机用于地面图像的拍摄，推进器单元用于轨道和姿态控制、微型三轴飞轮和磁力矩器用于姿态控制。微型对接机构包括两对对接机构，所述对接机构为对接后可旋转的纳卫星电磁对接装置，包括相互匹配的阳极对接机构和阴极对接机构，两者背对背安装在卫星两侧，每个对接机构由相应的控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自由重构和协同观测的对地观测纳卫星集群系统，其特征在于包括四颗纳卫星，其中一颗卫星为主星，另外三颗卫星为从星，分别记为第一从星、第二从星和第三从星；主星接收地面控制站发送的控制指令设置系统工作状态，所述系统工作状态包括分散态；当系统工作在分散态时，四星分散布置，主星接收地面控制站发送的模式切换指令设置并向从星发送协同对地观测模式，获取自身的位置、姿态信息，根据协同对地观测模式获取地面目标的图像信息，各协同对地观测模式下，从星根据模式切换指令和主星位置、姿态信息，实时调整自身位置和姿态，调整到位之后，与主星一起协同获取地面目标的图像信息；四星将目标图像信息、姿态信息和相对位置信息通过主星转发至地面控制站，由地面控制站根据不同的协同对地观测模式、四星的姿态信息和相对位置信息，对图像信息进行融合处理得到观测结果。

【技术特征摘要】
1.一种自由重构和协同观测的对地观测纳卫星集群系统，其特征在于包括四颗纳卫星，其中一颗卫星为主星，另外三颗卫星为从星，分别记为第一从星、第二从星和第三从星；主星接收地面控制站发送的控制指令设置系统工作状态，所述系统工作状态包括分散态；当系统工作在分散态时，四星分散布置，主星接收地面控制站发送的模式切换指令设置并向从星发送协同对地观测模式，获取自身的位置、姿态信息，根据协同对地观测模式获取地面目标的图像信息，各协同对地观测模式下，从星根据模式切换指令和主星位置、姿态信息，实时调整自身位置和姿态，调整到位之后，与主星一起协同获取地面目标的图像信息；四星将目标图像信息、姿态信息和相对位置信息通过主星转发至地面控制站，由地面控制站根据不同的协同对地观测模式、四星的姿态信息和相对位置信息，对图像信息进行融合处理得到观测结果。2.根据权利要求1所述的一种自由重构和协同观测的对地观测纳卫星集群系统，其特征在于：所述协同对地观测模式包括：多目标观测模式、沿迹拼接观测模式、垂轨拼接观测模式、接力凝视观测模式和同目标多角度观测模式。3.根据权利要求2所述的一种自由重构和协同观测的对地观测纳卫星集群系统，其特征在于：垂轨拼接观测模式下，各卫星之间距离沿轨道依次间隔第一预设距离，各星光轴沿着卫星滚转轴旋转一定角度，然后将期望的位置、姿态信息发送到指定的从星，从星根据期望的位置、姿态信息调整相对位置和姿态，对该姿态下视场中的目标进行观测，并将拍摄的图像反馈到主星。4.根据权利要求3所述的一种自由重构和协同观测的对地观测纳卫星集群系统，其特征在于：所述一定角度为5°或7.5°。5.根据权利要求2所述的一种自由重构和协同观测的对地观测纳卫星集群系统，其特征在于：多目标观测模式下，各卫星之间距离沿轨道依次间隔相同的第二预设距离，各卫星对准不同的目标进行观测，主星求解出各颗从星所要到达的期望位置和姿态，将期望位置和姿态发送至各从星，从星机动到期望的位置上，使自身与主星的距离满足第一预设距离，再根据待测目标的位置，调整姿态，使光轴指向待测目标，对该姿态下视场中的目标进行观测，并将拍摄的图像反馈到主星。6.根据权利要求2所述的一种自由重构和协同观测的对地观测纳卫星集群系统，其特征在于：沿迹拼接观测模式下，各卫星之间距离沿轨道依次间隔第三预设距离，各星光轴稳定指向地心...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙炳磊，韩飞，吴鹏飞，金荷，刘露，刘禹，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31