一种星载主被动一体超远距离单光子空间碎片测距定位系统及方法与流程

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及航天技术、激光测距技术和多级跟瞄技术等领域，具体涉及一种星载主被动一体超远距离单光子空间碎片测距定位系统及方法，主要用于空间碎片、航天器等空间目标远距离测距、定位等应用。背景技术：2.随着航天技术的发展和天基应用业务需求的不断提升，空间碎片、卫星显著增多。据统计，空间碎片已超过50万，低轨巨型星座发展加速对空间目标编目需求，对空间碎片/目标实现精确定轨在航天科研、太空安全等方面具有重要的应用价值，典型业务包括新目标及机动目标编目、碰撞预警等。3.星载激光测距对空间目标定位、定轨具有消除大气传输能量衰减、不受地基部站及天光地影约束等优势。单光子测距技术具有测量距离远的优势，地面观测站常用的测量手段。4.在现有技术中，对空间碎片/目标进行测距需要使用双星或多星同时进行观测。这些测距系统和方法，对卫星资源要求较高：一方面是耗费比较高；另一方面，利用这种方法进行测距，需要测距目标同时位于至少两颗卫星的视场内，因此对卫星的数量、协同机制、星间通信及信息处理有较高要求。技术实现要素：5.本发明的目的是：提出一种星载主被动一体超远距离单光子空间碎片测距定位系统及方法，通过相机粗跟踪与压电反射镜精跟踪星上，实现目标距离和位置测量，具有单星定位、测距精度高、相机角分辨率要求低等优点，同时采用单光子激光测距技术，可实现超远距离目标位置测量。6.本发明的技术方案是：一种星载主被动一体超远距离单光子空间碎片测距定位系统，包括粗跟踪相机、二维转台、激光测距仪、跟踪处理机和惯性传感器；所述粗跟踪相机、激光测距仪、惯性传感器刚性固连在二维转台上，且粗跟踪相机和激光测距仪光轴平行安装，并随二维转台方位轴、俯仰轴共同转动；所述跟踪处理机与粗跟踪相机、二维转台、激光测距仪和惯性传感器通信连接。7.进一步的，所述粗跟踪相机用于探测目标空间碎片获取带有目标空间碎片的图像；8.所述二维转台具备方位、俯仰两套轴系，并通过方位轴、俯仰轴转动实现目标跟踪；9.所述激光测距仪，用于发射激光并接收单光子回波信号；10.所述惯性传感器用于测量二维转台方位、俯仰两个轴系转动带来的跟踪扰动信息；11.所述跟踪处理机包括检测跟踪单元、激光跟踪发射控制单元和测距定位单元；12.所述检测跟踪单元接收粗跟踪相机探测到的带有目标空间碎片的图像，提取粗跟踪相机图像中目标空间碎片平面点位置，输出目标空间碎片在粗跟踪相机图像中的位置，控制转台转动；13.所述激光跟踪发射控制单元接收转台转动信息和惯性传感器检测到的二维转台方位、俯仰两个轴系转动带来的跟踪扰动信息，控制激光测距仪中的压电反射镜转动至激光发射光路中，将激光光束发射至目标空间碎片；14.所述测距定位单元接收激光测距仪中的激光测距返回信息，提取目标空间碎片距离，根据相机指向信息，确定目标位置。15.进一步的，所述粗跟踪相机为可见光或红外大视场相机，定义粗跟踪相机探测距离为l0～l1，l0《l1，引导误差为d的目标，粗跟踪相机的视场应不小于2×d÷l0×180÷π。16.进一步的，所述二维转台为t型转台或u型转台。17.进一步的，所述激光测距仪包括激光器、压电反射镜、光学系统和测距接收探测器；18.所述激光器用于产生测距激光；所述压电反射镜基于激光跟踪发射控制单元实现快速扫描指向，提高测距激光光束的瞄准概率；所述光学系统发射激光并接收激光，包括多个反射镜和扩束镜，反射镜实现光路的折转，扩束镜对收发激光进行扩束；所述测距接收探测器接收单光子回波信号并触发时间，用于解算目标距离信息。19.进一步的，所述测距接收探测器为单光子apd探测器。20.本发明还提供一种星载主被动一体超远距离单光子空间碎片测距定位方法，具体步骤如下：21.步骤一、目标捕获与粗跟踪22.通过外部注入引导信息，控制二维转台指向目标空间碎片运动空域，通过粗跟踪相机探测目标空间碎片获取带有目标空间碎片的图像；23.跟踪处理机中的检测跟踪单元接收粗跟踪相机图像，提取粗跟踪相机图像中目标空间碎片平面点位置，输出目标空间碎片在粗跟踪相机图像中的位置，控制转台转动，实现目标捕获与闭环粗跟踪；24.步骤二、精跟踪与目标测距25.跟踪处理机中的跟踪处理机中的接收转台转动信息和惯性传感器采集二维转台转动过程中转台方位、俯仰两个轴系转动带来的跟踪扰动信息，控制激光测距仪中的压电反射镜实现激光出光指向控制，确保激光发射光束覆盖目标空间碎片；26.激光器出光工作，激光照射目标空间碎片表面反射后回波被单光子探测器接收，能够测量出激光发射到激光接收的时间t，通过单光子回波信号关联解算，能够计算目标到卫星的距离d＝c×t÷2，c为光速；27.步骤三、目标定位28.根据卫星转台指向信息即转台的方位角度和俯仰角度、目标空间碎片质心检测信息和目标距离信息，能够解算目标位置信息：[0029][0030]其中：xti、yti、zti为目标位置，xwi、ywi、zwi为卫星位置，βi为目标空间碎片的俯仰角度，αi为目标空间碎片的方位角度，ri为第i次测量结果。[0031]本发明的有益效果是：提供一种星载主被动一体超远距离单光子空间碎片测距定位系统及方法，包括粗跟踪相机、跟踪转台和激光测距仪，激光测距仪与粗跟踪相机光轴平行安装，以粗跟踪相机图像的目标检测位置为引导，通过惯性传感器测量跟踪过程抖动，高频控制激光测距仪内压电反射镜，控制激光发射光路和接收光路，将激光波束覆盖至远程目标，通过光子计数探测器探测回波，结合转台指向信息实现目标距离和位置测量。基于本发明的该种新型的主被动一体超远距离单光子测距定位系统及方法具有单星定位、测距精度高、相机角分辨率要求低等优点，同时采用单光子激光测距技术，可实现超远距离目标位置测量。附图说明[0032]图1为星载主被动一体超远距离单光子空间碎片测距定位系统结构示意图；[0033]图2为星载主被动一体超远距离单光子空间碎片测距定位方法示意图；[0034]图3为目标定位原理图。[0035]图中：1为二维转台，2为粗跟踪相机，3为惯性传感器，4为激光测距仪，5为跟踪处理机。具体实施方式[0036]下面结合附图对本发明做进一步的说明。[0037]一种星载主被动一体超远距离单光子空间碎片测距定位系统及方法。包括定位系统和定位方法。[0038]1.1测距定位系统[0039]如图1所示，测距定位系统包括粗跟踪相机、二维转台、测距仪、跟踪处理机、惯性传感器，如图1所示，粗跟踪相机、激光测距仪、惯性传感器刚性固连在二维转台上，且粗跟踪相机和激光测距仪光轴平行安装，随二维转台方位轴、俯仰轴共同转动。[0040]1、粗跟踪相机，用于探测目标空间碎片获取带有目标空间碎片的图像。[0041]1)粗跟踪相机通常为可见光或红外大视场相机；其探测能力应满足目标探测信噪比要求，通常要求图像信噪比(snr)大于6；[0042]2)跟踪相机探测视场应匹配目标引导精度要求，定义探测距离为l0～l1(l0《l1)、引导误差为d的目标，其视场应不小于2×d÷l0×180÷π；[0043]3)典型案例：对于探测2000km距离、引导精度10km目标，为保证工程余量，探测视场1°，光学口径400mm、角分辨率30urad。[0044]2、跟踪处理机，用于检测图像中目标空间碎片位置，控制转台转动，控制激光测距仪瞄准及测距，定位目标空间碎片位置。[0045]1)检测跟踪单元：接收粗跟踪相机图像，提取粗跟踪相机图像中目标空间碎片平面点位置，输出目标空间碎片在粗跟踪相机图像中的位置，控制转台转动；[0046]2)激光跟踪发射控制单元：接收转台转动信息和惯性传感器检测到的二维转台方位、俯仰两个轴系转动带来的跟踪扰动信息，控制激光测距仪中的压电反射镜转动至激光发射光路中，将激光光束发射至目标空间碎片；[0047]3)测距定位单元：接收激光测距仪中的激光测距返回信息，提取目标空间碎片距离，根据相机指向信息，确定目标位置。[0048]3、二维转台，通过方位轴、俯仰轴转动实现目标跟踪[0049]1)转台可为t型转台或u型转台，承载粗跟踪相机、激光测距仪和惯性传感器；[0050]2)二维转台具备方位、俯仰两套轴系，可实现二维转动；[0051]4、激光测距仪，用于发射激光并接收单光子回波信号；[0052]1)激光器用于产生测距激光，为具有窄线宽、高脉冲能量、高光束质量激光输出大脉冲功率激光器，激光波长可为可见光532nm或近红外1064nm，典型值为50hz，100mj，532nm激光，[0053]2)压电反射镜，基于激光跟踪发射控制单元实现快速扫描指向，提高测距激光光束的瞄准概率；[0054]3)光学系统，发射激光并接收激光，包括多个反射镜和扩束镜，反射镜实现光路的折转，扩束镜对收发激光进行扩束。[0055]4)测距接收探测器，接收单光子回波信号并触发时间，用于解算目标距离信息，通常为单光子apd探测器。[0056]5、惯性传感器[0057]惯性传感器为陀螺仪或加速度计，测量二维转台方位、俯仰两个轴系转动带来的跟踪扰动信息，通常为高频采样，典型为100hz。[0058]1.2测距定位方法[0059]测距定位方法示意图如图2所示。[0060]1、目标捕获与粗跟踪[0061]通过外部注入引导信息，控制二维转台指向目标空间碎片运动空域，通过粗跟踪相机探测目标空间碎片获取带有目标空间碎片的图像。[0062]跟踪处理机中的检测跟踪单元接收粗跟踪相机图像，提取粗跟踪相机图像中目标空间碎片平面点位置，输出目标空间碎片在粗跟踪相机图像中的位置，控制转台转动，实现目标捕获与闭环粗跟踪。[0063]2、精跟踪与目标测距[0064]跟踪处理机中的跟踪处理机中的接收转台转动信息和惯性传感器采集二维转台转动过程中转台方位、俯仰两个轴系转动带来的跟踪扰动信息，控制激光测距仪中的压电反射镜实现激光出光指向控制，确保激光发射光束覆盖目标空间碎片；[0065]激光器出光工作，激光照射目标空间碎片表面反射后回波被单光子探测器接收，能够测量出激光发射到激光接收的时间t，通过单光子回波信号关联解算，能够计算目标到卫星的距离d＝c×t÷2，c为光速；[0066]3、目标定位[0067]目标定位原理如图3所示。[0068]根据卫星转台指向信息即转台的方位角度和俯仰角度、目标空间碎片质心检测信息和目标距离信息，能够解算目标位置信息：[0069][0070]其中：xti、yti、zti为目标位置，xwi、ywi、zwi为卫星位置，βi为目标空间碎片的俯仰角度，αi为目标空间碎片的方位角度，ri为第i次测量结果。[0071]该星载主被动一体超远距离单光子空间碎片测距定位系统及方法，包括粗跟踪相机、跟踪转台和激光测距仪，激光测距仪与粗跟踪相机光轴平行安装，以粗跟踪相机图像的目标检测位置为引导，通过惯性传感器测量跟踪过程抖动，高频控制激光测距仪内压电反射镜，控制激光发射光路和接收光路，将激光波束覆盖至远程目标，通过光子计数探测器探测回波，结合转台指向信息实现目标距离和位置测量。基于本发明的该种新型的主被动一体超远距离单光子测距定位系统及方法具有单星定位、测距精度高、相机角分辨率要求低等优点，同时采用单光子激光测距技术，可实现超远距离目标位置测量。[0072]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。









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