基于时谱分析的空间目标姿态感知技术研究

For the three axis stabilized satellite, the inversion of attitude dynamic parameters during attitude maneuver can play a very important role in satellite identification, abnormal behavior detection and state estimation.In order to improve the ability of attitude inversion for the remote point target under the space-based condition, the space object attitude awareness technique based on the visible time-series spectrum analysis is researched. Based on the experimental measurement data, the model and method are studied in this project. The laboratory measurement system of sample spectrum BRDF under the space vacuum and radiation environment is set up to study the time-series spectrum BRDF model of material surface under space environment. In the integrated application of material, shape and attitude awareness, space object attitude detectability metric(ADM) is built based on spectrum BRDF, and the spectral dimension parameters optimization based on ADM is achieved. Aiming at the non-cooperative space object, the hierarchical decoupling method of multi-physical parameters and filtering estimation method of attitude dynamics parameters based on time-series spectrum signals are proposed, and the simulated space observation experiment of object scaling model is established to verify the object attitude awareness technique. The research fills the gap of the material BRDF characteristics research and visible spectral characteristics research under the space vacuum and radiation environment, and it has the based breaked exploratory development worth to Space-based optical situation awareness, and it provides a feasible technical approach on space object attitude awareness.

对于三轴稳定卫星，姿态机动时姿态动力学参量的反演可对卫星身份识别、异常行为探测、状态估计等起到非常重要的作用。为了提升天基条件下对远距离点目标的姿态反演能力，探索研究基于可见光时序光谱分析的空间目标姿态感知技术。本项目基于实验测量开展模型以及方法的相关研究。模拟真空、辐照环境设计和搭建样本光谱BRDF的实验室测量系统，研究空间环境下材料表面BRDF的时谱模型。面向材料、形状、姿态感知的一体化应用，基于光谱BRDF建立空间目标姿态可探测性度量，基于对该度量的优化实现光谱参量优选。针对非合作空间目标，研究基于时谱信号的多物理参量分级解耦及姿态动力学参量的滤波反演方法，并建立目标缩比模型的模拟在轨观测实验，验证目标姿态感知技术。该项目研究可填补我国在真空、辐照环境下材料BRDF特性及目标光谱特性研究的空白，对天基光学空间态势感知具有突破性的探索研究价值，也为空间目标姿态感知提供了新的技术途径。

空间目标姿态参量的反演可对其身份识别、异常行为探测、状态估计等起到重要作用。项目完成了基于可见光时序光谱分析的非合作空间目标姿态感知技术的探索研究。.完成了空间辐照环境下材料表面BRDF的测量与建模研究。模拟真空、辐照环境设计和搭建样本光谱BRDF的实验室测量系统，研究了空间质子环境下聚酰亚胺薄膜表面BRDF模型。结果表明，10年内的BRDF下降不大于10%。针对具有重复结构的太阳帆板表面，提出了光谱BRDF测量方案，并搭建了测量装置，完成了测量试验与精度评估。.完成了基于姿态可探测性的光谱参量量化优选研究。综合考虑空间目标的结构、表面材料、帆板的对日指向运动、光照-观测几何以及传感器成像特性，完善了空间辐照环境下目标的时谱信号模型。基于该模型仿真目标姿态/形状/相位角变化时的光谱信号，并构建多特征融合的姿态可探测性度量，基于该度量最大化可优选光谱波长。.提出了基于时谱信号分析的非合作空间目标姿态估计的分级解耦求解方法。第一级，以测量的三轴稳定状态下目标的时序光谱信号为输入，重构每个光谱波段对应的双面模型参数；第二级，构建双面特性分离度，基于分离度最大优选最优谱段；第三级，基于最优谱段的双面模型参数重构姿态运动状态下的目标时序光谱信号模型，以该模型与实测信号差异最小为目标，采用非线性迭代优化算法对姿态参数进行估计。仿真表明，该方法更适用于长方体本体的目标，且反演误差会随相位角和探测器噪声的增大而增大，探测信噪比SNR≥10条件下反演误差在2%以内。.完成了基于缩比模型的姿态反演算法地面测试验证。自主搭建了空间目标缩比模型的时谱信号测量平台，对目标的三轴稳定状态和姿态运动状态进行了信号测量。基于实测数据的反演算法结果表明，反演值与真实值的误差均小于6%，验证了算法的有效性。.总体上，该项目在非合作空间目标姿态感知方法、材料表面光学特性/目标时谱信号测量和建模方法两方面形成了一定的研究成果，可为天基光学空间态势感知提供技术支撑。