一种太空空间碎片监测方法及设备技术

本发明专利技术公开了一种太空空间碎片监测方法及设备，属于监测跟踪控制技术领域，用于解决现有的激光烧蚀系统不能很好地对空间碎片进行精确地追踪与监测，具有滞后性，并且不能快速的对空间碎片进行定位以及精确打击，影响航天器在轨安全运行的技术问题。方法包括：基于预设时间间隔，对目标太空区域进行激光扫描，得到初步反射率图像；根据初步反射率图像中光谱波段的不同，对光谱波段进行特征标记，得到光斑特征；根据光斑特征，建立监测三维平面模型；通过监测三维平面模型，对目标太空区域中的空间碎片进行位姿预估，得到空间碎片关联图；根据空间碎片关联图，调整中心位置，实现对空间碎片的精准跟踪打击。空间碎片的精准跟踪打击。空间碎片的精准跟踪打击。

【技术实现步骤摘要】
一种太空空间碎片监测方法及设备


[0001]本申请涉及监测跟踪控制领域，尤其涉及一种太空空间碎片监测方法及设备。

技术介绍

[0002]近年来，随着航天器发射、碰撞导致的空间碎片数量急长，已逐渐成为影响航天器在轨安全运行的主要因素，亟需采取有效的解决方案清除空间碎片。现有的天基激光烧蚀系统可实现全方位、在轨、远距离碎片的清理工作，是效率最高且成本最低的技术方案。介于碎片尺寸小、运动轨道特性复杂、激光作用距离远等实际因素，激光烧蚀系统对于控制指标具有极高的要求。
[0003]现有的天基激光烧蚀系统对空间碎片的精确追踪不能很好地控制精度，追踪空间碎片也具有一定的滞后性，不能准确的对目标进行精准打击，又因为太空环境的复杂性，不能很好地对空间碎片进行定位，影响航天器在轨的安全运行。

技术实现思路

[0004]本申请实施例提供了一种太空空间碎片监测方法及设备，用于解决如下技术问题：现有的激光烧蚀系统不能很好地对空间碎片进行精确地追踪与监测，具有滞后性，并且不能快速的对空间碎片进行定位以及精确打击，影响航天器在轨的安全运行。
[0005]本申请实施例采用下述技术方案：
[0006]一方面，本申请实施例提供了一种太空空间碎片监测方法，其特征在于，所述方法包括：基于预设时间间隔，对目标太空区域进行激光扫描，得到初步反射率图像；其中，所述目标太空区域为预设激光扫描覆盖区域；根据所述初步反射率图像中光谱波段的不同，对所述光谱波段进行特征标记，得到光斑特征；其中，所述光斑特征包括若干光斑的坐标以及对应的模糊面积；根据所述光斑特征，建立监测三维平面模型；通过所述监测三维平面模型，对所述目标太空区域中的空间碎片进行位姿预估，得到空间碎片关联图；根据所述空间碎片关联图，调整中心位置，实现对所述空间碎片的精准跟踪打击。
[0007]本申请实施例通过对太空区域进行激光扫描后，得到初步反射率图像，然后根据反射率图像中光谱波段的不同，对光谱波段进行标记，然后根据建立的三维平面模型，实现对空间碎片的位姿预估，然后根据空间碎片关联图实现对空间碎片的精准跟踪，并对跟踪到的空间碎片进行精确打击。有利于对太空环境中太空垃圾的清理，并且通过对空间碎片的精准追踪，减少了滞后性的影响，并且能够更加准确的对空间碎片进行打击处理，清理太空环境，有利于航天器的安全运行。
[0008]在一种可行的实施方式中，在基于预设时间间隔，对目标太空区域进行激光扫描，得到初步反射率图像之前，所述方法还包括：根据所述目标太空区域中空间碎片的速度以及所述预设激光扫描覆盖区域的面积，得到所述预设时间间隔；其中，所述预设时间间隔与所述目标太空区域空间碎片的速度以及所述预设激光扫描覆盖区域的面积成反比。
[0009]在一种可行的实施方式中，基于预设时间间隔，对目标太空区域进行激光扫描，得
到初步反射率图像，具体包括：根据所述目标太空区域与所述太空垃圾对激光的反射率不同，得到光影对比数据；根据光谱波段相关系数，将所述光影对比数据划分为若干组光谱波段数据；对每组光谱波段数据进行降维处理，并进行波段指数的加权融合以及局部光谱波段最大值融合，得到所述初步反射率图像。
[0010]本申请实施例根据太空区域背景与空间碎片对激光的反射率的不同，对获取的图像进行处理，从而得到初步反射率图像。能够更好的对太空区域背景与空间碎片进行区分，并且还可以根据反射率的不同，将相似的反射率分成若干组，有利于后续对图像内容进一步识别，最后经过数据的预处理，以及波段指数的加权融合，将光影数据进一步的优化，得到初步反射率图像。
[0011]在一种可行的实施方式中，根据所述初步反射率图像中光谱波段的不同，对所述光谱波段进行特征标记，得到光斑特征，具体包括：根据所述目标太空区域的范围，构建太空三维平面图；根据所述太空三维平面图，与所述初步反射率图像进行覆盖融合，得到三维平面融合图；其中，所述三维平面融合图包括所述每一个光谱波段所在的位置坐标以及在三维平面融合图中对应的模糊面积大小；根据所述三维平面融合图，对不同所述光谱波段进行特征标记，得到所述光斑特征。
[0012]在一种可行的实施方式中，根据所述光斑特征，建立监测三维平面模型，具体包括：基于每一个所述光斑特征的坐标以及对应的模糊面积，对容纳所述模糊面积最小的矩形范围进行图像分割，得到光斑分割图像；将所述光斑分割图像进行前景与后景的分割处理，得到实际光斑图像面积；根据每一个所述光斑特征的坐标、所述光斑分割图像以及所述实际光斑图像面积，建立所述监测三维平面模型。
[0013]在一种可行的实施方式中，通过所述监测三维平面模型，对所述目标太空区域中的空间碎片进行位姿预估，得到空间碎片关联图，具体包括：根据所述监测三维平面模型，得到所述目标太空区域中每一个实际光斑图像的位姿坐标以及实际面积；其中，所述每一个实际光斑图像为每一个空间碎片图像；将所述位姿坐标以及所述实际面积进行结合，得到所述每一个实际光斑图像的等级状态图；通过所述每一个实际光斑图像的等级状态图，进行等级的划分，得到所述空间碎片关联图；其中，所述等级状态图包括：高等级状态图、中等级状态图以及低等级状态图。
[0014]本申请实施例通过构建的监测三维平面模型，将位姿坐标以及实际面积进行结合，得到每一个实际光斑图像的等级状态图，最后通过等级划分，得到空间碎片关联图，可以在图中清晰地反映出每个空间碎片等级状态图以及对应的每个空间碎片的位置信息，有利于对太空区域的空间碎片进行准确的识别和获取，为激光烧蚀系统提供了准确跟踪的条件基础。
[0015]在一种可行的实施方式中，在根据所述空间碎片位置图，调整中心位置，实现对所述空间碎片的精准跟踪之前，所述方法还包括：通过新型滑模控制的音圈电机快速反射镜，消除滑模控制中的抖振，具体包括：根据状态误差向量中第一个状态误差以及经典滑模方程，得到误差相关自适应方程；根据扰动估计器方程、指数趋近律以及所述误差相关自适应方程，得到新型无抖振趋近律方程；根据所述误差相关自适应方程、所述新型无抖振趋近律方程以及经典滑模面，得到新型滑模控制方程；通过所述新型滑模控制方程，对所述音圈电机快速反射镜进行优化改进，得到所述新型滑模控制的音圈电机快速反射镜，以便对所述
目标太空区域进行平滑的激光跟踪处理。
[0016]本申请实施例通过对音圈电机快速反射镜中滑模控制的改进，消除了经典滑模控制技术的控制器信号含有变结构函数导致高频滑动模态抖振，提高了系统的控制精度以及稳定性，通过具有扰动估计的新型无抖振趋近律算法，使激光扫描系统中的滑模抖振趋近于零，并且令控制系统稳定于三阶无穷小宽度的准滑模域中。优化改进后的音圈电机快速反射镜中的滑模控制器，对于非线性扰动以及模型参数摄动具有极强的鲁棒性。
[0017]在一种可行的实施方式中，在根据扰动估计器方程、指数趋近律以及所述误差相关自适应方程，得到新型无抖振趋近律方程之前，所述方法还包括：根据滑模系数矩阵以及三阶扰动估计补偿误差，得到所述扰动估计器方程。
[0018]在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种太空空间碎片监测方法，其特征在于，所述方法包括：基于预设时间间隔，对目标太空区域进行激光扫描，得到初步反射率图像；其中，所述目标太空区域为预设激光扫描覆盖区域；根据所述初步反射率图像中光谱波段的不同，对所述光谱波段进行特征标记，得到光斑特征；其中，所述光斑特征包括若干光斑的坐标以及对应的模糊面积；根据所述光斑特征，建立监测三维平面模型；通过所述监测三维平面模型，对所述目标太空区域中的空间碎片进行位姿预估，得到空间碎片关联图；根据所述空间碎片关联图，调整中心位置，实现对所述空间碎片的精准跟踪打击。2.根据权利要求1所述的一种太空空间碎片监测方法，其特征在于，在基于预设时间间隔，对目标太空区域进行激光扫描，得到初步反射率图像之前，所述方法还包括：根据所述目标太空区域中空间碎片的速度以及所述预设激光扫描覆盖区域的面积，得到所述预设时间间隔；其中，所述预设时间间隔与所述目标太空区域空间碎片的速度以及所述预设激光扫描覆盖区域的面积成反比。3.根据权利要求1所述的一种太空空间碎片监测方法，其特征在于，基于预设时间间隔，对目标太空区域进行激光扫描，得到初步反射率图像，具体包括：根据所述目标太空区域与所述太空垃圾对激光的反射率不同，得到光影对比数据；根据光谱波段相关系数，将所述光影对比数据划分为若干组光谱波段数据；对每组光谱波段数据进行降维处理，并进行波段指数的加权融合以及局部光谱波段最大值融合，得到所述初步反射率图像。4.根据权利要求1所述的一种太空空间碎片监测方法，其特征在于，根据所述初步反射率图像中光谱波段的不同，对所述光谱波段进行特征标记，得到光斑特征，具体包括：根据所述目标太空区域的范围，构建太空三维平面图；根据所述太空三维平面图，与所述初步反射率图像进行覆盖融合，得到三维平面融合图；其中，所述三维平面融合图包括每一个光谱波段所在的位置坐标以及在三维平面融合图中对应的模糊面积大小；根据所述三维平面融合图，对不同所述光谱波段进行特征标记，得到所述光斑特征。5.根据权利要求1所述的一种太空空间碎片监测方法，其特征在于，根据所述光斑特征，建立监测三维平面模型，具体包括：基于每一个所述光斑特征的坐标以及对应的模糊面积，对容纳所述模糊面积最小的矩形范围进行图像分割，得到光斑分割图像；将所述光斑分割图像进行前景与后景的分割处理，得到实际光斑图像面积；根据每一个所述光斑特征的坐标、所述光斑分割图像以及所述实际光斑图像面积，建立...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建强，张严峰，黄鹤天羽，孙崇尚，张桂林，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：