本发明专利技术公开一种地面目标移动轨迹的星上自主预测方法，属于航天技术领域。所述星上自主预测方法首先通过图像识别初步估计地面目标的类型和移动方向，并通过先验知识估计该类型目标的移动速度，然后通过第一次对卫星速度矢量的旋转获取地面目标速度方向单位矢量在地球固连坐标系下的表示，最后通过第二次对地面目标初始位置方向单位矢量的旋转获取地面目标的新位置方向单位矢量。本发明专利技术能够对地面目标的移动轨迹进行快速准确的预判，具有不依赖于连续的图像信息的优点，且计算速度快，具有较强的算法鲁棒性，特别适用于一类移动速度较大、机动性能较强的地面目标的卫星快速跟踪成像任务。
【技术实现步骤摘要】
地面目标移动轨迹的星上自主预测方法
本专利技术属于航天
，具体涉及一种地面目标移动轨迹的星上自主预测方法。
技术介绍
对地光学成像卫星装有光学相机等成像设备，用于对地面进行照相、侦察，调查资源，监测地球气候和污染，以及凝视特定的地面观察目标等。当卫星相机在捕获到地面观察目标后，如果还想实现跟踪凝视控制，即在下一时刻还能准确地跟踪该移动目标，就需要判断、估计和预测该地面目标的移动轨迹，或者说运动轨迹。总的说来，根据移动目标位置的历史观测数据可以估计其运动轨迹。在通常情况下，需要在连续时间内至少有两个不同的位置信息，才能利用线性拟合算法估计移动目标的运动趋势，包括运行方向和速度。如果还能获得更多连续时间内的不同位置信息，就可以得到较为精确的运动轨迹。一般是通过建立轨迹方程和一些滤波算法来估计和预测移动目标的位置、速度与下一时刻的位置和速度。常用的估计方法有取平均值法、最大似然估计法、最小方差准则法、序贯估计法等。文献“地面慢速移动目标轨迹预测方法”(作者：方喜龙,等；期刊：火力与指挥控制；年份：2012；卷期：37(10)；页码：120-124)针对预测期较长时慢速移动目标预测结果可能偏差较大的问题，提出了一种改进灰色预测模型结合轨迹点转移概率的综合预测方法，通过引入缓变因子提高灰色预测模型的精度，从而提高轨迹预测结果的准确度。文献“基于大数据分析的移动对象轨迹预测方法”(作者：李倩伟,唐丙寅；期刊：计算机测量与控制；年份：2016；卷期：24(10)；页码：198-201)针对移动目标的运动参量信息特征规模较大、传统单分量时间序列分析方法难以实现准确参量估计和轨迹预测的问题，提出了一种基于大数据多传感信息融合跟踪的移动对象轨迹预测算法，通过大数据分析方法实现对移动对象运动参量的准确估计和检测。论文“四旋翼无人机多地面相似目标跟踪与轨迹预测”(作者：曾政超；中国民航大学硕士学位论文；年份：2015)提出了一种基于Kalman滤波器与最小二乘法的目标轨迹预测算法，通过目标建模、摄像机标定、位置逆透视映射以及相关算法实现对目标轨迹的拟合，为四旋翼无人机搜寻并跟踪目标提供决策依据。专利文献CN103995968B(授权公告日：2017.01.25)公开了一种无人飞行器对地面目标运动轨迹预测的装置及其方法，通过建立地面移动目标的GM(1,1)灰色预测模型，将地面移动目标轨迹三维极坐标换算成三维直角坐标，并对目标轨迹数据进行标准化处理后进行分析预测，可有效地预测地面移动目标的轨迹，从而为无人机任务规划系统提供可靠信息。然而，上述这些传统的位置和速度拟合方法难以适用于地面目标移动轨迹的星上自主预测任务中。这主要表现在以下三个方面：首先，星上相机很难提供高分辨率的稳定视频，所以利用传统的拟合方法获得的速度信息误差较大；再者，这些传统的拟合方法本身需要较常时间的观测数据作为输入，星载计算机的主频又相对较低，从而导致传统的预测方法的计算收敛时间较长，很可能因目标脱离视场而无法收敛；最后，传统的预测方法依赖连续时间的观测信息，而当目标移动速度较大、机动性能较强时，卫星相机只能捕获到少量的图像信息，无法快速完成拟合计算。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种地面目标移动轨迹的星上自主预测方法，旨在解决传统预测方法需要依赖于连续图像信息、且计算收敛时间相对较长的问题。本专利技术所述地面目标移动轨迹的星上自主预测方法，包括以下步骤：步骤1，通过图像识别初步估计地面目标的类型和移动方向，并根据所述地面目标的类型，通过先验知识估计所述地面目标的移动速度；步骤2，通过将卫星的运动方向绕地心与地面目标的连线方向旋转一个夹角σ，获取地面目标的移动速度方向单位矢量在地球固连坐标系下的表示；所述夹角σ为地面目标移动方向与卫星运动方向之间的夹角；步骤3，通过将地面目标的初始位置方向单位矢量绕地面目标相对于地球的移动轨迹所在平面的法向量旋转一个地心夹角Δθ，获取地面目标的新位置方向单位矢量；所述地心夹角Δθ为地面目标在关注时间段内沿地球球面匀速运动走过的弧段所对应的角度。所述步骤1中假定地面目标沿地球的地表做匀速直线运动。所述步骤2的详细过程为：记地面目标处于初始位置所对应的时刻为t0时刻，在t0时刻地心与地面目标的连线方向单位矢量为：式中，λ0与分别为t0时刻卫星星下点的经度和纬度，也称为地面目标的初始位置方向单位矢量；设σ为地面目标移动方向与卫星运动方向之间的夹角，采用四元数旋转方法将卫星的运动方向绕地心与地面目标的连线方向旋转所述夹角σ，记四元数为：式中，与分别为卫星相对于地球固连坐标系的速度vsecf在地球固连坐标系x轴、y轴与z轴三个方向的分量；则地面目标在地球固连坐标系下的移动速度方向单位矢量为：式中，为t0时刻卫星相对于地球固连坐标系的移动速度方向单位矢量。所述步骤3的详细过程为：通过计算得到地面目标相对于地球的移动轨迹所在平面的法向量n为：在关注的时间段[t0,t](t＞t0)内，地面目标沿地球球面匀速运动走过的弧段所对应的地心夹角Δθ为：式中，Re为地球半径，t为所关心的时刻；同样采用所述步骤2中式(2)和式(3)所描述的四元数旋转方法，将地面目标的初始位置方向单位矢量沿目标相对于地球的移动轨迹所在平面的法向量n旋转角度Δθ，可以得到t时刻地面目标的新位置方向单位矢量为：从而求得矢量对应的地面目标所处新位置的新经度λ和新纬度分别为：λ＝arctan2(rt2,rt1)，(7)式中，arcsin与arctan分别为反正弦函数和反正切函数。所述t时刻地面目标所处新位置的经度λ的取值范围在-π至π之间。一种地面目标移动轨迹的星上自主预测系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行所述地面目标移动轨迹的星上自主预测方法的步骤，或该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以所述地面目标移动轨迹的星上自主预测方法的计算机程序。一种卫星，该卫星带有所述地面目标移动轨迹的星上自主预测系统。一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行所述地面目标移动轨迹的星上自主预测方法的计算机程序。与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果主要体现在：本专利技术对目标移动趋势的判断不依赖于对连续时间内观测结果的拟合，即不依赖于连续的图像信息，且本专利技术所提出的方法计算速度快，具有较强的算法鲁棒性，特别适用于一类移动速度较大、机动性能较强的地面目标的卫星快速跟踪成像任务。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。图1为本专利技术所地面目本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种地面目标移动轨迹的星上自主预测方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，通过图像识别初步估计地面目标的类型和移动方向，并根据所述地面目标的类型，通过先验知识估计所述地面目标的移动速度；/n步骤2，通过将卫星的运动方向绕地心与地面目标的连线方向旋转一个夹角σ，获取地面目标的移动速度方向单位矢量在地球固连坐标系下的表示；所述夹角σ为地面目标移动方向与卫星运动方向之间的夹角；/n步骤3，通过将地面目标的初始位置方向单位矢量绕地面目标相对于地球的移动轨迹所在平面的法向量旋转一个地心夹角Δθ，获取地面目标的新位置方向单位矢量；所述地心夹角Δθ为地面目标在关注时间段内沿地球球面匀速运动走过的弧段所对应的角度。/n
【技术特征摘要】
1.一种地面目标移动轨迹的星上自主预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过图像识别初步估计地面目标的类型和移动方向，并根据所述地面目标的类型，通过先验知识估计所述地面目标的移动速度；
步骤2，通过将卫星的运动方向绕地心与地面目标的连线方向旋转一个夹角σ，获取地面目标的移动速度方向单位矢量在地球固连坐标系下的表示；所述夹角σ为地面目标移动方向与卫星运动方向之间的夹角；
步骤3，通过将地面目标的初始位置方向单位矢量绕地面目标相对于地球的移动轨迹所在平面的法向量旋转一个地心夹角Δθ，获取地面目标的新位置方向单位矢量；所述地心夹角Δθ为地面目标在关注时间段内沿地球球面匀速运动走过的弧段所对应的角度。
2.根据权利要求1所述的地面目标移动轨迹的星上自主预测方法，其特征在于，所述步骤1中假定地面目标沿地球的地表做匀速直线运动。
3.根据权利要求1所述的地面目标移动轨迹的星上自主预测方法，其特征在于，所述步骤2的详细过程为：
记地面目标处于初始位置所对应的时刻为t0时刻，在t0时刻地心与地面目标的连线方向单位矢量为：
式中，λ0与分别为t0时刻卫星星下点的经度和纬度，也称为地面目标的初始位置方向单位矢量；
设σ为地面目标移动方向与卫星运动方向之间的夹角，采用四元数旋转方法将卫星的运动方向绕地心与地面目标的连线方向旋转所述夹角σ，记四元数为：
式中，与分别为卫星相对于地球固连坐标系的速度vsecf在地球固连坐标系x轴、y轴与z轴三个方向的分量；
则地面目标在地球固连坐标系下的移动速度方向单位矢量为：
式中，为t0时刻卫星相对于地球固连坐标系的移动速度方向单位矢量。
4....
【专利技术属性】
技术研发人员：刘望，季浩然，李东旭，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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