CN112835116A - 一种地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定方法及*** - Google Patents

一种地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定方法及*** Download PDF

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CN112835116A CN202011562435.7A CN202011562435A CN112835116A CN 112835116 A CN112835116 A CN 112835116A CN 202011562435 A CN202011562435 A CN 202011562435A CN 112835116 A CN112835116 A CN 112835116A
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Abstract

本发明公开了一种地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定方法及***，该方法包括如下步骤：步骤一：判断目标的地基光度曲线是否具有正弦结构，若不具有正弦结构，则使用相位分散最小化方法初步反演目标的转速，然后进入步骤三；若具有正弦结构，则进入步骤二；步骤二：判断目标的地基光度曲线是否连续或采样率恒定，若连续且采样率恒定，则使用离散傅里叶变换初步反演目标转速；若目标的地基光度曲线不连续或采样率不恒定，则使用最小二乘谱分析初步反演目标转速；步骤三：使用相位折叠方法校验目标转速的初步反演结果，得到目标的实际转速；步骤四：根据步骤三中的目标的实际转速判断目标的功能。本发明对GEO目标有效地进行了特征识别。

Description

一种地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定方法及***
技术领域
本发明属于空间目标探测与识别技术领域，尤其涉及一种地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定方法及***。
背景技术
地基光学观测***受大气、距离及自身分辨率的影响，难以对地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)目标等高轨空间目标进行高分辨率成像，只能呈现几个像素亮度变化的光斑。目前，地基光学观测***仅能给出目标的位置、速度和亮度信息，尚无有效手段对GEO目标进行特征识别。从而造成虽然地基望远镜获取了海量的光度数据，但是大量具有时效性的数据没有被有效利用，数据并没有转换成有效信息的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定方法及***，对GEO目标有效地进行了特征识别。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：判断目标的地基光度曲线是否具有正弦结构，若不具有正弦结构，则使用相位分散最小化方法初步反演目标的转速，然后进入步骤三；若具有正弦结构，则进入步骤二；步骤二：判断目标的地基光度曲线是否连续或采样率恒定，若连续且采样率恒定，则使用离散傅里叶变换初步反演目标转速，然后进入步骤三；若目标的地基光度曲线不连续或采样率不恒定，则使用最小二乘谱分析初步反演目标转速，然后进入步骤三；步骤三：使用相位折叠方法校验目标转速的初步反演结果，得到目标的实际转速；步骤四：根据步骤三中的目标的实际转速判断目标的功能。
上述地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定方法中，在步骤四中，目标的实际转速为6转/分的为预警卫星，目标的实际转速为50转/分的为通信卫星，目标的实际转速为100转/分的为气象卫星，其它转速为空间碎片。
上述地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定方法中，在步骤二中，离散傅里叶变换包括：
预设x(n)为有限长序列，即：
Figure BDA0002860795120000021
则x(n)的离散傅里叶变换为：
Figure BDA0002860795120000022
其中，
Figure BDA0002860795120000023
n为变换点数，N为离散傅里叶变换区间长度，X(k)为有限长序列x(n)的离散傅里叶变换，k表示傅里叶变换的第k个点，WN为中间变量。
上述地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定方法中，在步骤二中，最小二乘谱分析通过求Lomb-Scargle周期图实现，包括：
预设观测时刻数为M、时刻ti对应的观测值为hi，则观测值均值和观测值方差为：
Figure BDA0002860795120000024
Figure BDA0002860795120000025
时间延迟τ定义为：
Figure BDA0002860795120000026
Lomb-Scargle周期图为：
Figure BDA0002860795120000031
其中，
Figure BDA0002860795120000032
为观测值均值，i为观测时刻编号，σ为观测值方差，τ为时间延迟，PN(ω)为Lomb-Scargle周期图。
一种地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定***，包括：第一模块，用于判断目标的地基光度曲线是否具有正弦结构，若不具有正弦结构，则使用相位分散最小化方法初步反演目标的转速；第二模块，用于判断目标的地基光度曲线是否连续或采样率恒定，若连续且采样率恒定，则使用离散傅里叶变换初步反演目标转速；若目标的地基光度曲线不连续或采样率不恒定，则使用最小二乘谱分析初步反演目标转速；第三模块，用于使用相位折叠方法校验目标转速的初步反演结果，得到目标的实际转速；第四模块，用于根据第三模块中的目标的实际转速判断目标的功能。
上述地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定***中，目标的实际转速为6转/分的为预警卫星，目标的实际转速为50转/分的为通信卫星，目标的实际转速为100转/分的为气象卫星，其它转速为空间碎片。
上述地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定***中，离散傅里叶变换包括：
预设x(n)为有限长序列，即：
Figure BDA0002860795120000033
则x(n)的离散傅里叶变换为：
Figure BDA0002860795120000034
其中，
Figure BDA0002860795120000035
n为变换点数，N为离散傅里叶变换区间长度，X(k)为有限长序列x(n)的离散傅里叶变换，k表示傅里叶变换的第k个点，WN为中间变量。
上述地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定***中，最小二乘谱分析通过求Lomb-Scargle周期图实现，包括：
预设观测时刻数为M、时刻ti对应的观测值为hi，则观测值均值和观测值方差为：
Figure BDA0002860795120000041
Figure BDA0002860795120000042
时间延迟τ定义为：
Figure BDA0002860795120000043
Lomb-Scargle周期图为：
Figure BDA0002860795120000044
其中，
Figure BDA0002860795120000045
为观测值均值，i为观测时刻编号，σ为观测值方差，τ为时间延迟，PN(ω)为Lomb-Scargle周期图。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明有助于提高地基光度数据的应用效益。当前，虽然地基望远镜获取了海量的光度数据，但是大量具有时效性的数据没有被有效利用，数据并没有转换成有效信息。光度观测的目的是要识别目标，本发明可以打破自旋稳定GEO目标特征和光度数据之间的鸿沟，将光度数据转换成知识“金块”。
(2)本发明有助于提升地基光学***的观测能力。由于距离及大气的影响，地基光学观测***对高轨空间目标识别难度较大，传统探测手段和方法将越来越不能满足需求，而设备改造或者研制都是一个周期较长的过程，本发明可以在一定程度上提高地基光学观测***的目标识别能力，进而提高其观测能力。
(3)本发明可以为空间目标威胁评估等空间应用提供新线索。目标功能是目标威胁评估的重要线索，本发明能够基于地基光度数据判定GEO自旋稳定目标的功能，对于解决太空态势感知中的目标威胁评估问题具有重要意义。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的某自旋稳定GEO目标的地基光度曲线的示意图；
图3是本发明实施例提供的地基光度曲线的离散傅里叶变换结果的示意图；
图4是本发明实施例提供的4.17s折叠周期下光度曲线的相位折叠结果的示意图；
图5是本发明实施例提供的8.34s折叠周期下光度曲线的相位折叠结果的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
空间目标的光度特性一般指目标的观察亮度随时间的变化，常用光度曲线来恒量。光度曲线是观测者观测到的目标亮度时变曲线，目标亮度一般用视星等表示。由于目标视星等是目标尺寸、指向和表面属性等特征的函数，因此这些特征就能够通过光度曲线反演出来。
GEO目标由于对地静止，其光度曲线在时域通常呈现一定的规律性。GEO目标主要有自旋稳定和三轴稳定两种稳定方式，其中，自旋稳定目标的光度曲线具有一定的周期性，并且周期基本不随时间产生改变。自旋稳定目标光度曲线的周期与目标本身的形状无关，只与目标的实际旋转周期有关，目标的实际旋转周期一般等于目标的光度曲线周期或者光度曲线周期的2倍。
图1是本发明实施例提供的地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定方法的流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤一：判断目标的地基光度曲线是否具有正弦结构，若不具有正弦结构，则使用相位分散最小化方法初步反演目标的转速，然后进入步骤三；若具有正弦结构，则进入步骤二；
步骤二：判断目标的地基光度曲线是否连续或采样率恒定，若连续且采样率恒定，则使用离散傅里叶变换初步反演目标转速，然后进入步骤三；若目标的地基光度曲线不连续或采样率不恒定，则使用最小二乘谱分析初步反演目标转速，然后进入步骤三；
步骤三：使用相位折叠方法校验目标转速的初步反演结果，得到目标的实际转速；
步骤四：根据步骤三中的目标的实际转速判断目标的功能。
在步骤四中，目标的实际转速为6转/分的为预警卫星，目标的实际转速为50转/分的为通信卫星，目标的实际转速为100转/分的为气象卫星，其它转速为空间碎片。
自旋稳定GEO目标转速的初步反演。对于采样连续且采样率恒定的光度曲线，使用离散傅里叶变换进行反演；对于具有非恒定的采样率或存在间隙的光线曲线，使用最小二乘频谱分析进行反演；对于傅里叶变换和最小二乘频谱分析不能很好处理的具有非正弦结构的光度曲线，使用相位分散最小化技术进行反演。
自旋稳定GEO目标转速的校验。使用相位折叠确定目标的实际自旋周期。与离散傅里叶变换、最小二乘频谱分析的原理不同，相位分散最小化计算出的频率分量可能并不是光度曲线中比重较大的频率分量。另外，即使确定了频谱中的最大频率分量，该分量也并一定等于目标的实际旋转频率。为了确定目标的实际旋转频率，确保通过离散傅里叶变换、最小二乘频谱分析和相位分散最小化获得的频率分量与光度曲线特征相对应，通过相位折叠的方法对光度曲线周期进行校验。
自旋稳定GEO目标的功能判定。在反演出目标转速的基础上，基于目标自旋周期和目标功能的关联性，进一步判定GEO目标的功能。
本发明涉及的离散傅里叶变换、最小二乘频谱分析、相位分散最小化、相位折叠、GEO目标自旋周期和功能关联分析等技术环节的具体实施方法如下：
1)离散傅里叶变换
对于采样连续且采样率恒定的光度曲线，可以使用离散傅里叶变换将离散采样的时域光度曲线转换为曲线各频率成分的功率谱，从而辨识出光度曲线周期。设x(n)为有限长序列，即：
Figure BDA0002860795120000071
则x(n)的离散傅里叶变换为
Figure BDA0002860795120000072
其中，
Figure BDA0002860795120000081
2)最小二乘频谱分析
在光线曲线具有非恒定的采样率或间隙的情况下，可以使用最小二乘频谱分析生成光度曲线的功率谱。此方法类似于傅里叶分析，是一种基于正弦曲线与数据样本的最小二乘拟合来估计频谱的方法，可以辨识非等间隔采样数据中隐藏的周期信号频率。最小二乘频谱分析可以通过求Lomb-Scargle周期图实现，假设观测时刻数为M、时刻ti对应的观测值为hi，则观测值均值和观测值方差为：
Figure BDA0002860795120000082
Figure BDA0002860795120000083
时间延迟τ定义为：
Figure BDA0002860795120000084
Lomb-Scargle周期图为：
Figure BDA0002860795120000085
3)相位分散最小化
对于傅里叶变换和最小二乘频谱不能很好处理的具有非正弦结构的光度曲线，可以使用相位分散最小化技术来确定曲线周期。相位分散最小化的分析代码可在http://www.stellingwerf.com/rfs-bin/index.cgi？action＝PageView&id＝29网站开放获取。该方法对曲线中所有可能存在的周期进行检索。在检索过程中，将整个光度曲线按照测试周期分成若干部分，并将这些部分彼此层叠。此后，层叠数据又被进一步细分为一系列的数据箱。计算这些数据箱中所有数据的方差，与数据集的总方差进行比较，生成一个介于0和1之间的数值。其中，0表示最为匹配，1表示最不匹配。
4)相位折叠
相位分散最小化计算出的频率分量可能并不是光度曲线中比重较大的频率分量。另外，即使确定了频谱中的最大频率分量，该分量也并一定等于目标的实际旋转频率。为了确定目标的实际旋转频率，确保通过离散傅里叶变换、最小二乘频谱分析和相位分散最小化获得的频率分量与光度曲线特征相对应，本发明借鉴相位色散最小化的思想，通过相位折叠对光度曲线周期进行校验。
5)GEO目标自旋周期和功能关联分析
基于UCS卫星数据库、STK软件卫星数据库等开源数据库进行分析，截至2020年4月1日，全球仍在轨工作的GEO目标共有554个。其中，自旋稳定目标共有14个，如表1所示。GEO自旋稳定目标的转速和其功能具有极强的关联性，预警卫星的转速均为6转/分，通信卫星的转速均为50转/分，气象卫星的转速均为100转/分。
本发明实施例提供了一个基于地基光度数据判定GEO自旋稳定目标功能的实例。本实施例以图2所示的某自旋稳定GEO目标的地基光度曲线为例，按照本专利所提方法对目标功能的判定过程及结果进行说明，该方法具体包含以下步骤：
步骤一、初步确定自旋稳定GEO目标的转速。首先应根据光度曲线的特点选择合适的目标转速反演方法，光度曲线的采样是否连续、采样率是否恒定都会影响反演方法的选择。对于图1所示的光度曲线，其采样连续且采样率恒定，因此使用离散傅里叶变换进行目标转速反演，结果如图3所示。可以看出，频率为0.24Hz时峰值最大，另外在0.12Hz处也存在一峰值，两个频率恰好是两倍的关系。由于目标的实际旋转周期等于目标光度曲线周期或者光度曲线周期的2倍，因此，可推断此时目标的实际旋转周期为4.17秒或8.34秒，转速为14.4转/分或7.2转/分。
表1全球在轨工作GEO自旋稳定目标信息
Figure BDA0002860795120000101
步骤二、自旋稳定GEO目标转速的校验。经过步骤一，可确定目标转速为14.4转/分或7.2转/分，假设目标的旋转频率为0.24Hz，对应的周期为4.17s，基于此周期对光度曲线进行相位折叠并进行归一化，可得到一周期内光度曲线的折叠结果如图4所示。从图中可以看出折叠数据的波峰幅值有两个，分别为0.4和0.9左右，这说明4.17s为目标实际周期的一半。假设目标的旋转周期为8.34s，基于此周期对光度曲线进行相位折叠，得到的结果如图5所示。从图中可以看出，每一部分的折叠数据基本上在一个周期内都重合，故8.34s更加接近于目标的旋转周期，因此目标的实际转速应为7.2转/分。
步骤三、自旋稳定GEO目标功能的判定。通过步骤二，可得到目标的转速为7.2转/分，基于表1所示的GEO目标自旋周期和目标功能的关联性，可知该目标不是气象卫星、通信卫星或者预警卫星，由此可判定该目标为空间碎片。
本实施例还提供了一种地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定***，包括：第一模块，用于判断目标的地基光度曲线是否具有正弦结构，若不具有正弦结构，则使用相位分散最小化方法初步反演目标的转速；第二模块，用于判断目标的地基光度曲线是否连续或采样率恒定，若连续且采样率恒定，则使用离散傅里叶变换初步反演目标转速；若目标的地基光度曲线不连续或采样率不恒定，则使用最小二乘谱分析初步反演目标转速；第三模块，用于使用相位折叠方法校验目标转速的初步反演结果，得到目标的实际转速；第四模块，用于根据第三模块中的目标的实际转速判断目标的功能。
本发明有助于提高地基光度数据的应用效益。当前，虽然地基望远镜获取了海量的光度数据，但是大量具有时效性的数据没有被有效利用，数据并没有转换成有效信息。光度观测的目的是要识别目标，本发明可以打破自旋稳定GEO目标特征和光度数据之间的鸿沟，将光度数据转换成知识“金块”。
本发明有助于提升地基光学***的观测能力。由于距离及大气的影响，地基光学观测***对高轨空间目标识别难度较大，传统探测手段和方法将越来越不能满足需求，而设备改造或者研制都是一个周期较长的过程，本发明可以在一定程度上提高地基光学观测***的目标识别能力，进而提高其观测能力。
本发明可以为空间目标威胁评估等空间应用提供新线索。目标功能是目标威胁评估的重要线索，本发明能够基于地基光度数据判定GEO自旋稳定目标的功能，对于解决太空态势感知中的目标威胁评估问题具有重要意义。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：判断目标的地基光度曲线是否具有正弦结构，若不具有正弦结构，则使用相位分散最小化方法初步反演目标的转速，然后进入步骤三；若具有正弦结构，则进入步骤二；
步骤二：判断目标的地基光度曲线是否连续或采样率恒定，若连续且采样率恒定，则使用离散傅里叶变换初步反演目标转速，然后进入步骤三；若目标的地基光度曲线不连续或采样率不恒定，则使用最小二乘谱分析初步反演目标转速，然后进入步骤三；
步骤三：使用相位折叠方法校验目标转速的初步反演结果，得到目标的实际转速；
步骤四：根据步骤三中的目标的实际转速判断目标的功能。
2.根据权利要求1所述的地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定方法，其特征在于：在步骤四中，目标的实际转速为6转/分的为预警卫星，目标的实际转速为50转/分的为通信卫星，目标的实际转速为100转/分的为气象卫星，其它转速为空间碎片。
3.根据权利要求1所述的地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定方法，其特征在于：在步骤二中，离散傅里叶变换包括：
预设x(n)为有限长序列，即：
Figure FDA0002860795110000011
则x(n)的离散傅里叶变换为：
Figure FDA0002860795110000012
其中，
Figure FDA0002860795110000013
n为变换点数，N为离散傅里叶变换区间长度，X(k)为有限长序列x(n)的离散傅里叶变换，k表示傅里叶变换的第k个点，WN为中间变量。
4.根据权利要求1所述的地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定方法，其特征在于：在步骤二中，最小二乘谱分析通过求Lomb-Scargle周期图实现，包括：
预设观测时刻数为M、时刻ti对应的观测值为hi，则观测值均值和观测值方差为：
Figure FDA0002860795110000021
Figure FDA0002860795110000022
时间延迟τ定义为：
Figure FDA0002860795110000023
Lomb-Scargle周期图为：
Figure FDA0002860795110000024
其中，
Figure FDA0002860795110000025
为观测值均值，i为观测时刻编号，σ为观测值方差，τ为时间延迟，PN(ω)为Lomb-Scargle周期图。
5.一种地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定***，其特征在于包括：
第一模块，用于判断目标的地基光度曲线是否具有正弦结构，若不具有正弦结构，则使用相位分散最小化方法初步反演目标的转速；
第二模块，用于判断目标的地基光度曲线是否连续或采样率恒定，若连续且采样率恒定，则使用离散傅里叶变换初步反演目标转速；若目标的地基光度曲线不连续或采样率不恒定，则使用最小二乘谱分析初步反演目标转速；
第三模块，用于使用相位折叠方法校验目标转速的初步反演结果，得到目标的实际转速；
第四模块，用于根据第三模块中的目标的实际转速判断目标的功能。
6.根据权利要求5所述的地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定***，其特征在于：目标的实际转速为6转/分的为预警卫星，目标的实际转速为50转/分的为通信卫星，目标的实际转速为100转/分的为气象卫星，其它转速为空间碎片。
7.根据权利要求5所述的地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定***，其特征在于：离散傅里叶变换包括：
预设x(n)为有限长序列，即：
Figure FDA0002860795110000031
则x(n)的离散傅里叶变换为：
Figure FDA0002860795110000032
其中，
Figure FDA0002860795110000033
n为变换点数，N为离散傅里叶变换区间长度，X(k)为有限长序列x(n)的离散傅里叶变换，k表示傅里叶变换的第k个点，WN为中间变量。
8.根据权利要求5所述的地球同步轨道自旋稳定空间目标功能判定***，其特征在于：最小二乘谱分析通过求Lomb-Scargle周期图实现，包括：
预设观测时刻数为M、时刻ti对应的观测值为hi，则观测值均值和观测值方差为：
Figure FDA0002860795110000034
Figure FDA0002860795110000041
时间延迟τ定义为：
Figure FDA0002860795110000044
Lomb-Scargle周期图为：
Figure FDA0002860795110000042
其中，
Figure FDA0002860795110000043
为观测值均值，i为观测时刻编号，σ为观测值方差，τ为时间延迟，PN(ω)为Lomb-Scargle周期图。
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