一种基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法

1.本发明涉及空间目标探测跟踪技术领域，具体涉及一种基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法。


背景技术：

2.临近空间高超声速滑翔飞行器(hypersonic gliding vehicles，hgv)的飞行速度大于5ma，飞行区域为距地面20km～100km的临近空间。相比于传统弹道式飞行器，hgv的飞行高度更低，导致地面雷达对其探测距离有限。相比于航空飞行器，hgv的飞行速度更快。为了防御临近空间飞行器的威胁，必须对其进行探测与跟踪，而现有地面目标探测与跟踪系统难以对其进行远距离探测和持续跟踪。
3.与地面系统相比，天基红外探测与跟踪系统可以更早地发现hgv目标。由于单个卫星携带红外传感器视场有限，导致其难以对hgv的整个飞行轨迹进行探测与跟踪。因此，需要采用多个卫星组网的方式对hgv进行探测与跟踪。天基红外系统常用的探测模式包括凝视模式和速率跟踪模式。凝视模式是指红外传感器指向预设区域并保持固定，当目标通过视场时对其进行探测。凝视模式的优势在于对卫星控制系统要求较低，但观测弧段较短，对目标的覆盖性较差。速率跟踪模式是指红外传感器根据目标运动轨迹调整指向，使得目标保持在视场范围内。该模式具有较长的观测弧段，但对传感器的指向控制能力要求较高，且需进行持续的指向调整，会导致测量精度下降。
4.随着微小卫星技术和传感器技术的不断发展，低轨星座可以通过搭载红外传感器用于hgv目标探测与跟踪。为了充分发挥多个卫星的协同优势，解决凝视模式和速率跟踪模式存在的不足，急需一种基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法以解决现有技术中存在的问题；通过分时段调度不同的卫星对目标进行探测与跟踪，以实现对临近空间目标飞行轨迹的全程覆盖。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法，旨在利用搭载红外传感器的低轨星座对临近空间目标进行接力跟踪，以现实对目标飞行全程的持续覆盖，具体技术方案如下：
6.一种基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法，包括以下步骤：
7.s1、根据上一个调度周期的目标运动状态估计值，对当前调度周期内目标的飞行轨迹进行预报；
8.s2、根据目标预报轨迹以及观测约束，确定能对目标进行探测的候选卫星；
9.s3、在候选卫星集合中，寻找出观测几何构型指标值最大的两颗卫星作为对目标进行探测与跟踪的跟踪卫星；
10.s4、根据跟踪卫星在tf时刻指向目标的方向矢量，调节其上红外传感器的指向，保证目标能经过红外传感器的视场；tf为当前调度周期的中间时刻；
11.s5、目标经过红外传感器的视场时对目标进行探测与跟踪；
12.s6、根据红外传感器的观测数据对目标进行状态估计，更新目标运动状态估计值。
13.以上技术方案中优选的，所述目标运动状态估计值x为：
14.x＝[x y z v
x v
y v
z a
x a
y az]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)，
[0015]
其中，r＝[x y z]为目标在地心惯性系中的位置矢量，v＝[v
x v
y vz]为目标在地心惯性系中的速度矢量，a＝[a
x a
y az]为目标在地心惯性系中的加速度矢量。
[0016]
以上技术方案中优选的，通过对目标进行观测获得目标运动状态的初始估计值。
[0017]
以上技术方案中优选的，基于常加速度模型，通过数值积分方法计算目标在当前调度周期内的预报轨迹；
[0018]
所述常加速度模型为：
[0019]
以上技术方案中优选的，所述观测约束包括太阳光干扰、地球遮挡和红外传感器的最大探测距离。
[0020]
以上技术方案中优选的，观测几何构型指标值的计算方式为：
[0021]
j＝||ni×
nj||
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)，
[0022]
其中，ni为候选卫星集合中第i颗候选卫星在tf时刻指向目标的方向矢量，nj为候选卫星集合中第j颗候选卫星在tf时刻指向目标的方向矢量。
[0023]
以上技术方案中优选的，根据表达式(4)计算ni，根据表达式(5)计算nj：
[0024][0025][0026]
其中，r
t
为目标在tf时刻的预报位置矢量，为第i颗候选卫星在tf时刻的位置矢量，为第j颗候选卫星在tf时刻的位置矢量。
[0027]
以上技术方案中优选的，跟踪卫星在tf时刻指向目标的方向矢量为：
[0028][0029]
其中，n等于1表示第一颗跟踪卫星，n等于2表示第二颗跟踪卫星；为第一颗或第二颗跟踪卫星在tf时刻的位置矢量，r
t
为目标在tf时刻的预报位置矢量。
[0030]
以上技术方案中优选的，s5中对目标进行探测与跟踪时，保持红外传感器的指向在惯性空间固定。
[0031]
以上技术方案中优选的，重复步骤s1-s6实现持续对目标进行探测与跟踪。
[0032]
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
[0033]
(1)本发明采用多颗卫星对临近空间目标进行接力跟踪，根据目标预报轨迹对红外传感器指向进行预先调度，使得目标能够出现在传感器视场内，从而提升覆盖性能；根据观测约束对卫星进行筛选获得候选卫星，根据观测几何构型指标值筛选出最优的跟踪卫
星，能够提升目标状态估计精度；本发明的方法可以充分发挥多星协同的优势，实现对目标飞行轨迹的全程覆盖。
[0034]
(2)相比于速率跟踪模式，每颗卫星在单个调度周期内仅进行一次指向调整，可以降低对卫星姿态控制系统的要求；相比于速率跟踪模式，本发明在进行目标探测时，红外传感器指向保持固定，可以实现更高精度的观测。
[0035]
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0036]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0037]
图1是基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法的流程图；
[0038]
图2是hgv目标飞行轨迹示意图；
[0039]
图3a是凝视模式的覆盖性能图；
[0040]
图3b是速率跟踪模式的覆盖性能图；
[0041]
图3c是接力跟踪模式的覆盖性能图；
[0042]
图4a是凝视模式的跟踪精度示意图；
[0043]
图4b是速率跟踪模式和接力跟踪模式的跟踪精度对比图；
具体实施方式
[0044]
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
[0045]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
[0046]
实施例：
[0047]
参见图1，一种基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法，包括以下步骤：
[0048]
s1、根据上一个调度周期的目标运动状态估计值，对当前调度周期内目标的飞行轨迹进行预报；
[0049]
优选的，本实施例中所述目标运动状态估计值x为：
[0050]
x＝[x y z v
x v
y v
z a
x a
y az]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)，
[0051]
其中，r＝[x y z]为目标在地心惯性系中的位置矢量，v＝[v
x v
y vz]为目标在地心惯性系中的速度矢量，a＝[a
x a
y az]为目标在地心惯性系中的加速度矢量。
[0052]
进一步的，本实施例中基于常加速度模型，通过数值积分方法计算目标在当前调度周期内的预报轨迹；
[0053]
具体的，所述常加速度模型为：
[0054]
s2、根据目标预报轨迹以及观测约束，确定能对目标进行探测的候选卫星；
[0055]
优选的，在对目标进行探测和跟踪之前，需要根据目标预报轨迹以及观测约束确定星座中可对目标进行探测的候选卫星；所述观测约束包括太阳光干扰、地球遮挡和红外传感器的最大探测距离。只有当卫星满足所有观测约束时才可对目标进行探测，计算得到星座中所有可用候选卫星，即可确定候选卫星集合。
[0056]
s3、在候选卫星集合中，寻找出观测几何构型指标值最大的两颗卫星作为对目标进行探测与跟踪的跟踪卫星(即本实施例的跟踪方法在一个调度周期内有两颗卫星同时对目标进行探测与跟踪)；
[0057]
优选的，由于候选卫星集合中包含卫星的个数较多，需要对参与跟踪的卫星进行优选。本实施例中观测几何构型指标值的计算方式为：
[0058]
j＝||ni×
nj||
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)，
[0059]
其中，ni为候选卫星集合中第i颗候选卫星在tf时刻指向目标的方向矢量，nj为候选卫星集合中第j颗候选卫星在tf时刻指向目标的方向矢量，tf为当前调度周期的中间时刻。
[0060]
进一步的，根据表达式(4)计算ni，根据表达式(5)计算nj：
[0061][0062][0063]
其中，r
t
为目标在tf时刻的预报位置矢量，为第i颗候选卫星在tf时刻的位置矢量，为第j颗候选卫星在tf时刻的位置矢量。
[0064]
通过执行公式(3)-公式(5)的处理流程，可以筛选出观测几何构型指标值最大的两颗候选卫星，从而完成最优跟踪卫星的选取。
[0065]
s4、根据跟踪卫星在tf时刻指向目标的方向矢量，调节其上红外传感器的指向，保证目标能经过红外传感器的视场；
[0066]
优选的，根据公式(6)可以计算第一颗跟踪卫星或第二颗跟踪卫星在tf时刻指向目标的方向矢量：
[0067][0068]
其中，n等于1表示第一颗跟踪卫星，n等于2表示第二颗跟踪卫星；为第一颗或第二颗跟踪卫星在tf时刻的位置矢量，r
t
为目标在tf时刻的预报位置矢量。
[0069]
具体的，所述红外传感器搭载于跟踪卫星上，在获得跟踪卫星指向目标的方向矢量之后，通过调节卫星姿态可以实现传感器指向调节，即可保证目标出现在红外传感器的视场内。
[0070]
s5、目标经过红外传感器的视场时对目标进行探测与跟踪；
[0071]
具体的，s5中对目标进行探测与跟踪时，保持红外传感器的指向在惯性空间固定。
[0072]
s6、根据红外传感器的观测数据对目标进行状态估计，更新目标运动状态估计值。
[0073]
优选的，重复步骤s1-s6即可实现持续对目标进行探测与跟踪；在本实施例的跟踪方法开始执行时，可以通过对目标进行观测获得目标运动状态的初始估计值，然后再执行步骤s1-s6以实现对目标进行探测与跟踪。
[0074]
本实施例还提供了上述跟踪方法的仿真应用案例，具体如下：
[0075]
(1)仿真条件
[0076]
hgv目标在地心惯性系中轨迹如图2所示；用于目标跟踪的低轨星座轨道构型参数见表1，h为轨道高度，i为轨道倾角，n为星座卫星总数，m为轨道面个数，f为相邻轨道面相邻卫星之间的相位差。目标初始位置误差为[10km；10km；10km]，初始速度误差为[10m/s；10m/s；10m/s]，初始加速误差为[10m/s2；10m/s2；10m/s2]。对接力跟踪、凝视以及速率跟踪三种探测模式的覆盖性和跟踪精度进行对比，红外传感器在接力跟踪和凝视两种模式下的测角精度设为10角秒，在速率跟踪模式下的测角精度为20角秒。采用无迹卡尔曼滤波(unscented kalman filter,ukf)进行目标状态估计。
[0077]
表1空间目标初始轨道根数
[0078][0079]
(2)仿真结果
[0080]
三种探测模式的覆盖性能如图3a-图3c所示，跟踪精度如图4a-图4b所示。由图可知，本实施例所设计接力跟踪方法可以实现对临近空间目标飞行轨迹的全程覆盖，且跟踪精度较高。
[0081]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、根据上一个调度周期的目标运动状态估计值，对当前调度周期内目标的飞行轨迹进行预报；s2、根据目标预报轨迹以及观测约束，确定能对目标进行探测的候选卫星；s3、在候选卫星集合中，寻找出观测几何构型指标值最大的两颗卫星作为对目标进行探测与跟踪的跟踪卫星；s4、根据跟踪卫星在t
f
时刻指向目标的方向矢量，调节其上红外传感器的指向，保证目标能经过红外传感器的视场；t
f
为当前调度周期的中间时刻；s5、目标经过红外传感器的视场时对目标进行探测与跟踪；s6、根据红外传感器的观测数据对目标进行状态估计，更新目标运动状态估计值。2.根据权利要求1所述的基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法，其特征在于，所述目标运动状态估计值x为：x＝[x y z v
x v
y v
z a
x a
y a
z
]
ꢀꢀꢀꢀ
(1)，其中，r＝[x y z]为目标在地心惯性系中的位置矢量，v＝[v
x v
y v
z
]为目标在地心惯性系中的速度矢量，a＝[a
x a
y a
z
]为目标在地心惯性系中的加速度矢量。3.根据权利要求2所述的基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法，其特征在于，通过对目标进行观测获得目标运动状态的初始估计值。4.根据权利要求2所述的基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法，其特征在于，基于常加速度模型，通过数值积分方法计算目标在当前调度周期内的预报轨迹；所述常加速度模型为：5.根据权利要求1所述的基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法，其特征在于，所述观测约束包括太阳光干扰、地球遮挡和红外传感器的最大探测距离。6.根据权利要求1所述的基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法，其特征在于，观测几何构型指标值的计算方式为：j＝||n
i
×
n
j
||
ꢀꢀꢀꢀ
(3)，其中，n
i
为候选卫星集合中第i颗候选卫星在t
f
时刻指向目标的方向矢量，n
j
为候选卫星集合中第j颗候选卫星在t
f
时刻指向目标的方向矢量。7.根据权利要求6所述的基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法，其特征在于，根据表达式(4)计算n
i
，根据表达式(5)计算n
j
：：其中，r
t
为目标在t
f
时刻的预报位置矢量，为第i颗候选卫星在t
f
时刻的位置矢量，为第j颗候选卫星在t
f
时刻的位置矢量。
8.根据权利要求1所述的基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法，其特征在于，跟踪卫星在t
f
时刻指向目标的方向矢量为：其中，n等于1表示第一颗跟踪卫星，n等于2表示第二颗跟踪卫星；为第一颗或第二颗跟踪卫星在t
f
时刻的位置矢量，r
t
为目标在t
f
时刻的预报位置矢量。9.根据权利要求1所述的基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法，其特征在于，s5中对目标进行探测与跟踪时，保持红外传感器的指向在惯性空间固定。10.根据权利要求1所述的基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法，其特征在于，重复步骤s1-s6实现持续对目标进行探测与跟踪。

技术总结
本发明提供一种基于多星协同的临近空间目标接力跟踪方法，包括：根据上一个调度周期的目标运动状态估计值，对当前调度周期内目标的飞行轨迹进行预报；根据目标预报轨迹以及观测约束，确定能对目标进行探测的候选卫星；在候选卫星集合中，寻找出观测几何构型指标值最大的两颗卫星作为对目标进行探测与跟踪的跟踪卫星；根据跟踪卫星在当前调度周期的中间时刻指向目标的方向矢量，调节其上红外传感器的指向，保证目标能经过红外传感器的视场；目标经过红外传感器的视场时对目标进行探测与跟踪；根据红外传感器的观测数据对目标进行状态估计，更新目标运动状态估计值。本发明的方法可以充分发挥多星协同的优势，实现对目标飞行轨迹的全程覆盖。轨迹的全程覆盖。轨迹的全程覆盖。


技术研发人员：王奕迪 李钊 郑伟
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/7