一种基于NSGA-II算法的低轨单目被动粗测距方法技术

本发明专利技术涉及一种基于NSGA

【技术实现步骤摘要】
一种基于NSGA
‑
II算法的低轨单目被动粗测距方法


[0001]本专利技术属于被动测距领域，特别是一种基于NSGA
‑
II算法(带精英策略的非支配排序遗传算法)的低轨单目被动粗测距方法。

技术介绍

[0002]当前，轨道空间环境日益复杂，各种潜在的不安全因素诱发的问题越来越多，空间资产的主动/被动安全问题已经非常突出。空间信息获取的核心是卫星等航天器，由于其不受国界限制、可在全球范围内自由活动，也可深入敌战略后方获取机密情报或持续、大范围地监视敏感地区，并可实施全球的通信、指挥和精密导航定位，在现代战争中已成为确保信息优势的强有力手段。因而，对包含在轨卫星、空间碎片等空间非合作目标，迫切需要发展低轨被动测距技术，为空间平台的防护提供抵近威胁的距离感知能力。
[0003]传统的空间非合作目标测距往往需要多星协同测量、单星进行特殊轨道机动辅助完成，带来了一定的经济成本与安全风险。对于未来需要对空间目标，特别是非合作目标进行交会对接/抓捕操作的中小型快速响应卫星来说，微波雷达和相对卫星导航都不能满足其对相对测量系统的简单可靠、体积小、全自主等要求，而激光测距仪体积与质量较大，会消耗更多的星上资源，成本也比较昂贵，激光测距仪只适用于远程交会的距离测量，无法在近距离交会任务中使用。而机等光学成像传感器不仅体积小、简单，而且具备的无源测量特性等优势，使得其在空间攻防领域具有重要地位。
[0004]单目被动粗测距技术能够在无主动测量装置的基础上对接近己方卫星的威胁源进行粗测距，从而有利于制定相应的空间进攻和防御措施，提高卫星平台的生存概率与防护能力，鉴于填补地基空间目标监视系统覆盖范围的空窗期，节省星上资源，研究单目被动粗测距这一技术很有意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对现有当前低轨观测平台能力有限，只能依靠目标检测算法输出的观测角度进行被动测距的问题，提出了一种基于NSGA
‑
II算法的低轨单目被动粗测距方法，该方法实现简单，可以在无主动测量装置的基础上对接近己方卫星的威胁源进行粗测距，有效节省星上资源，有较高的工程应用价值。
[0006]本专利技术的具体技术解决方案为：一种基于NSGA
‑
II算法的低轨单目被动粗测距方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、接收存储单目相机采集到的从t1到t
n
时刻的n组相对测量角α
i
为t
i
时刻目标卫星相对观测卫星的方位角，β
i
为t
i
时刻目标卫星相对观测卫星的俯仰角；i＝1,2,3
……
n。
[0008]步骤2、在考虑月球引力的前提下，建立带J2项摄动的目标卫星绝对运动动力学模型，求得目标卫星绝对运动动力学微分方程f。
[0009]步骤3、根据目标卫星绝对运动动力学微分方程f，设计NSGA
‑
II算法的目标函数f
obj
。
[0010]步骤4、利用NSGA
‑
II算法求目标相对状态的最优解集X。
[0011]步骤5、根据最优解集X计算目标卫星与观测卫星之间的相对距离d，完成低轨单目被动粗测距。
[0012]本专利技术的效果是：1)能够在无主动测量装置的基础上对接近己方卫星进行粗测距。
[0013]2)只需要单目相机获得的角度信息和自身平台位置就可以进行被动测距，可以有效节省星上资源。
[0014]3)本专利技术是对现有低轨被动测距方法的补充，易于实现，具有较为实用的工程应用价值。
[0015]下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。
附图说明
[0016]图1是本专利技术一个实施例的建模几何示意图。
[0017]图2是本专利技术一个实施例的单目被动粗测距的流程图。
[0018]图3是本专利技术一个实施例的利用NSGA
‑
II算法搜索最优解的流程图。
[0019]图4是本专利技术一个实施例的单目被动粗测距结果与实际距离曲线图。
[0020]图5是本专利技术一个实施例的单目被动粗测距结果与实际距离绝对误差图。
具体实施方式
[0021]为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本专利技术作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本专利技术的限定。
[0022]结合图1至图3，一种基于NSGA
‑
II算法的低轨单目被动粗测距方法，算法流程如图2所示，包括以下步骤：
[0023]步骤1、接收存储单目相机采集到的从t1到t
n
时刻的n组相对测量角α
i
为t
i
时刻目标卫星相对观测卫星的方位角，β
i
为t
i
时刻目标卫星相对观测卫星的俯仰角；i＝1,2,3
……
n。
[0024]步骤2、如图1所示，在考虑月球引力的前提下，建立带J2项摄动的目标卫星绝对运动动力学模型，求得目标卫星绝对运动动力学微分方程f。
[0025]步骤2.1、在考虑月球引力的前提下，建立动力学模型：
[0026][0027]因目标卫星质量远小于地球与月球的质量，卫星引力忽略不计，其中R
e
为地球在
质心惯性坐标系下的位置，为地球在质心惯性坐标系下的位置相对于时间的二阶导，R
m
为月球在质心惯性坐标系下的位置，为月球在质心惯性坐标系下的位置相对于时间的二阶导，R
s
为目标卫星在质心惯性坐标系下的位置，为目标卫星在质心惯性坐标系下的位置相对于时间的二阶导，M
e
为地球质量；M
m
为月球质量；G为引力常数。
[0028]步骤2.2、为了进一步增加动力学模型的精度，考虑地球扁率对目标卫星运动的影响，即J2项摄动；
[0029][0030]其中，a
j2
为J2项摄动加速度，r
e
为地球半径，μ为中心天体引力系数，r为卫星与地心的距离，J2为J2摄动系数，[x y z]T
为目标卫星在地心惯性坐标系下的位置R
s
。
[0031]步骤2.3、求解目标卫星绝对运动动力学微分方程表达式为其中，目标卫星在质心惯性坐标系下的位置相对于时间的二阶导目标卫星在质心惯性坐标系下的位置相对于时间的一阶导v表示目标卫星的速度，t表示时间。
[0032]步骤3、根据目标卫星绝对运动动力学微分方程f，设计搜索优化算法的目标函数f
obj
。
[0033]步骤3.1、假设初始种群集X
rand
为R
rand
为目标卫星位置，V
rand
为目标卫星速度，利用四阶龙格库塔法求解目标卫星绝对运动动力学微分方程，迭代得到目标卫星从t1到t
n
时刻的n个状态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于NSGA
‑
II算法的低轨单目被动粗测距方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、接收存储单目相机采集到的从t1到t
n
时刻的n组相对测量角α
i
为t
i
时刻目标卫星相对观测卫星的方位角，β
i
为t
i
时刻目标卫星相对观测卫星的俯仰角；i＝1,2,3
……
n；步骤2、在考虑月球引力的前提下，建立带J2项摄动的目标卫星绝对运动动力学模型，求得目标卫星绝对运动动力学微分方程f；步骤3、根据目标卫星绝对运动动力学微分方程f，设计NSGA
‑
II算法的目标函数f
obj
；步骤4、利用NSGA
‑
II算法求目标卫星相对状态的最优解集X；步骤5、根据最优解集X计算目标卫星与观测卫星之间的相对距离d，完成低轨单目被动粗测距。2.根据权利要求1所述的基于NSGA
‑
II算法的低轨单目被动粗测距方法，其特征在于，步骤2中，在考虑月球引力的前提下，建立带J2项摄动的目标卫星绝对运动动力学模型，包括以下步骤：步骤2.1、在考虑月球引力的前提下，建立动力学模型：因目标卫星质量远小于地球与月球的质量，目标卫星引力忽略不计，其中R
e
为地球在质心惯性坐标系下的位置，为地球在质心惯性坐标系下的位置相对于时间的二阶导，R
m
为月球在质心惯性坐标系下的位置，为月球在质心惯性坐标系下的位置相对于时间的二阶导，R
s
为目标卫星在质心惯性坐标系下的位置，为目标卫星在质心惯性坐标系下的位置相对于时间的二阶导，M
e
为地球质量；M
m
为月球质量；G为引力常数；步骤2.2、为了进一步增加动力学模型的精度，考虑地球扁率对目标卫星运动的影响，即J2项摄动；其中，a
j2
为J2项摄动加速度，r
e
为地球半径，μ为中心天体引力系数，r为目标卫星与地心的距离，J2为J2摄动系数，[x y z]
T
为目标卫星在地心惯性坐标系下的位置R
s
；步骤2.3、求解目标卫星绝对运动动力学微分方程表达式为其中，目标卫
星在质心惯性坐标系下的位置相对于时间的二阶导目标卫星在质心惯性坐标系下的位置相对于时间的一阶导v表示目标卫星的速度，t表示时间。3.根据权利要求2所述的基于NSGA
‑
II算法的低轨单目被动粗测距方法，其特征在于，步骤3中，根据目标卫星绝对运动动力学微分方程f，设计NSGA
‑
II算法的目标函数f<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张倩，陶远荣，田杰，张棋，苏焕程，佟岐，冷魁，吴春燕，程亦涵，于涵，成颖，马义彪，
申请(专利权)人：中国航天科工集团八五一一研究所，
类型：发明
国别省市：