CN116499457B - 基于单设备的光学望远镜和激光测距仪联合目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单设备的光学望远镜和激光测距仪联合目标定位方法，包括：获取空间目标的两行轨道根数，基于两行轨道根数确定空间目标在任一时刻相对于地心的天球坐标；根据预设矩阵将天球坐标转换为地心坐标系下的第一地心坐标；根据光电望远镜的位置信息，确定光电望远镜的第二地心坐标；根据位置信息、第一地心坐标和第二地心坐标，确定空间目标相对于光电望远镜的地平坐标；将地平坐标和预设的指向误差修正模型输入光电望远镜，输出光电望远镜的指向信息；预设的指向误差修正模型用于对光电望远镜的指向信息进行修正；根据指向信息，通过激光测距仪测量空间目标相对于光电望远镜的距离；将指向信息和距离作为空间目标的定位信息。

Description

基于单设备的光学望远镜和激光测距仪联合目标定位方法

技术领域

本发明属于航天测量与控制技术领域，具体涉及一种基于单设备的光学望远镜和激光测距仪联合目标定位方法。

背景技术

当前，随着空间目标种类越来越多，这类目标涵盖范围广，包括人造卫星、恒星、空间碎片和再入空间目标等，随着空天目标的逐渐增多，对空间目标进行观测、定位和管理的需求也不断增加。目前对空间目标的观测方法主要有光学望远镜探测、雷达探测两大类主要方式。光学望远镜相比雷达装备，其具有结构简单、操作便捷等特点，但只能提供测角信息，作为单一设备无法为目标提供定位信息，从而使得在目标定位中无法很好的发挥望远镜的这一优势。

发明内容

为了解决相关技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于单设备的光学望远镜和激光测距仪联合目标定位方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供一种基于单设备的光学望远镜和激光测距仪联合目标定位方法，包括：

获取空间目标的两行轨道根数，基于所述两行轨道根数确定所述空间目标在任一时刻相对于地心的天球坐标；

根据预设矩阵将所述天球坐标转换为地心坐标系下的第一地心坐标；

根据光电望远镜的位置信息，确定所述光电望远镜的第二地心坐标；

根据所述位置信息、所述第一地心坐标和所述第二地心坐标，确定所述空间目标相对于所述光电望远镜的地平坐标；

将所述地平坐标和预设的指向误差修正模型，输入所述光电望远镜，输出所述光电望远镜的指向信息；所述预设的指向误差修正模型用于对所述光电望远镜的指向信息进行修正；

根据所述指向信息，通过激光测距仪测量所述空间目标相对于所述光电望远镜的距离；

将所述指向信息和所述距离，作为所述空间目标的定位信息。

在一些实施例中，所述预设矩阵包括：预设的极移转换矩阵、预设的时角转换矩阵、预设的章动转换矩阵和预设的岁差转换矩阵；所述根据预设矩阵将所述天球坐标转换为地心坐标系下的第一地心坐标，包括：

根据预设的极移转换矩阵、预设的时角转换矩阵、预设的章动转换矩阵和预设的岁差转换矩阵，将所述天球坐标转换为地心坐标系下的地心坐标，得到所述第一地心坐标。

在一些实施例中，所述第一地心坐标表示为：

；

其中，为所述极移转换矩阵，并且，/>，/>为瞬时地极的极移坐标；/>为所述时角转换矩阵，并且，/>，/>为瞬时格林尼治真恒星时；/>为所述章动转换矩阵，并且，/>，/>、/>和/>均为岁差常数；/>为所述岁差转换矩阵，并且，/>，/>为黄经章动，/>为黄赤交角章动，/>为真赤道面和黄道面的交角；/>、/>和/>均为光电望远镜的旋转运动的变化矩阵；/>为所述天球坐标，/>为所述第一地心坐标。

在一些实施例中，所述指向信息包括：方位角和俯仰角；所述预设的指向误差修正模型包括：方位误差修正模型和俯仰误差修正模型。

在一些实施例中，所述方位误差修正模型的表达式为：

；

所述俯仰误差修正模型的表达式为：

；

其中，为所述方位误差修正模型，/>为所述俯仰误差修正模型，/>为视轴照准差，/>为方位俯仰垂直误差，/>和/>均为基座倾斜误差，/>为第一俯仰轴承误差，/>为第二俯仰轴承误差，/>为南北方位轴承误差，/>为东西方位轴承误差，/>为视轴晃动误差，/>为待输入的方位角，/>为待输入的俯仰角，、/>、/>和/>均为预设系数。

在一些实施例中，所述位置信息包括所述光学望远镜的经度、纬度和高程；所述根据所述位置信息、所述第一地心坐标和所述第二地心坐标，确定所述空间目标相对于所述光电望远镜的地平坐标，包括：

根据所述经度和所述纬度，分别确定第一转换矩阵和第二转换矩阵；

确定所述第一地心坐标与所述第二地心坐标的坐标差；

采用所述第一转换矩阵和所述第二转换矩阵对所述坐标差进行转换，得到所述空间目标相对于所述光电望远镜的地平坐标。

在一些实施例中，所述地平坐标的表达式为：

；

其中，为所述地平坐标，/>为所述经度，/>为所述纬度，/>为所述第一转换矩阵，/>为所述第二转换矩阵，/>为所述第一地心坐标，/>为所述第二地心坐标。

在一些实施例中，所述光电望远镜与所述激光测距仪位于同一位置处；所述根据所述指向信息，通过激光测距仪测量所述空间目标相对于所述光电望远镜的距离，包括：

将所述指向信息发送至所述激光测距仪；

控制所述激光测距仪向所述指向信息对应的位置发送激光脉冲，并根据发射所述激光脉冲的时间和接收到所述空间目标反射的激光脉冲的时间，确定所述空间目标相对于所述激光测距仪的距离，将所述空间目标相对于所述激光测距仪的距离作为所述空间目标相对于所述光电望远镜的距离。

本发明具有如下有益技术效果：

由于激光测距技术测量精度很高，而光电望远镜可提供高精度的测角信息，本发明通过将两者联合进行单站空间目标的定位，不仅能够充分发挥光电望远镜和激光测距仪的优势，还能够实现对空间目标的高精度定位，提供了一种定位准确且操作便捷的目标定位方法。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于单设备的光学望远镜和激光测距仪联合目标定位方法的一个流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

图1是本发明实施例提供的基于单设备的光学望远镜和激光测距仪联合目标定位方法的一个流程图，如图1所示，方法包括以下步骤：

S101、获取空间目标的两行轨道根数，基于两行轨道根数确定空间目标在任一时刻相对于地心的天球坐标。

这里，两行轨道根数（Two-line Element，TLE）提供开普勒根数中的轨道偏心率，卫星运动轨道面与赤道面的夹角，卫星轨道升交点赤经，近地点极角。此外还提供了平近地角和平均运动，这两个参数可以推算出开普勒轨道根数中的卫星过近地点时刻和轨道半长轴。

这里，当选定了要定位的空间目标的类型后，可以从已有的各个类型的空间目标对应的TLE根数中，选取要定位的空间目标的TLE根数，并采用与TLE根数配套的SGP4模型对选取的TLE根数进行解析与修正，从而得到要定位的空间目标的天球坐标。

S102、根据预设矩阵将天球坐标转换为地心坐标系下的第一地心坐标。

具体的，可以采用下述公式（1）将空间目标的天球坐标，转换至地心坐标系下的坐标，从而得到空间目标的地心坐标（以下称为第一地心坐标）：（1）；其中，/>为极移转换矩阵，并且，/>，/>为瞬时地极的极移坐标；/>为时角转换矩阵，并且，/>，/>为瞬时格林尼治真恒星时；/>为章动转换矩阵，并且，/>，/>、/>和/>均为岁差常数；/>为岁差转换矩阵，并且，/>，/>为黄经章动，/>为黄赤交角章动，/>为真赤道面和黄道面的交角；/>、/>和/>均为光电望远镜的旋转运动的变化矩阵；/>为空间目标的天球坐标，/>为第一地心坐标。

这里，在体与体间的相对旋转运动中，将绕坐标轴X、Y、Z的转动定义为基本转动。因此，为了方便研究坐标系的相对运动，其它任何形式的转动都可以转化为这三种基本转动。通常将坐标系间的复杂转动分解为绕各坐标轴的基本旋转运动，然后再合成。任一形式的转动都可以转换为这三种基本转动的合成。假设望远镜的机械***没有任何几何误差，望远镜工作时就绕设定的理想轴旋转。两轴的旋转可以根据在全局坐标系中绕坐标轴的旋转原理确定。定义绕X、Y、Z轴旋转的矩阵为、/>和/>。

设运动坐标系向量是在坐标系O-XYZ中绕X轴旋转得到的，则运动坐标系到O-XYZ的变化矩阵/>为公式（2）：/>（2）。当/>为/>时，得到上述/>；当/>为/>时，得到上述/>；当/>为/>，得到上述；当/>为/>时，得到上述/>。

设运动坐标系向量是在坐标系O-XYZ中绕X轴旋转得到的，则运动坐标系到O-XYZ的变化矩阵/>为公式（3）：/>（3）。当/>为/>时，得到上述/>；当/>为/>时，得到上述/>。

设运动坐标系向量是在坐标系O-XYZ中绕Z轴旋转得到的，则运动坐标系到O-XYZ的变化矩阵/>为公式（4）：/>（4）。当/>为时，得到上述/>；当/>为/>时，得到上述/>；当/>为/>时，得到上述/>。

S103、根据光电望远镜的位置信息，确定光电望远镜的第二地心坐标。

这里，光电望远镜的位置信息包括光学望远镜的经度、纬度/>和高程/>，可以采用下述公式（5）计算得到光电望远镜的地心坐标/>（以下称为第二地心坐标）：

（5）；其中，/>为椭球的第一偏心率，/>，且/>，/>为地球的半长轴，/>为地球的半短轴。

S104、根据位置信息、第一地心坐标和第二地心坐标，确定空间目标相对于光电望远镜的地平坐标。

这里，可以根据经度和纬度/>，分别确定第一转换矩阵和第二转换矩阵，以及可以确定第一地心坐标与第二地心坐标的坐标差；采用第一转换矩阵和第二转换矩阵对坐标差进行转换，得到空间目标相对于光电望远镜的地平坐标。

具体的，地平坐标的表达式为公式（6）：

（6），其中，/>为地平坐标，/>为经度，/>为纬度，/>为第一转换矩阵，/>为第二转换矩阵，/>为第一地心坐标，/>为第二地心坐标。

S105、将地平坐标和预设的指向误差修正模型输入光电望远镜，输出光电望远镜的指向信息；预设的指向误差修正模型用于对光电望远镜的指向信息进行修正。

这里，本发明采用的光电望远镜可以是地平式光电望远镜。

这里，光电望远镜输出的指向信息为方位角和俯仰角/>。预设的指向误差修正模型包括：方位误差修正模型和俯仰误差修正模型。具体的，方位误差修正模型的表达式为公式（7），俯仰误差修正模型的表达式为公式（8）：

（7）；

（8）；

其中，为方位误差修正模型，/>为俯仰误差修正模型，/>为视轴照准差，/>为方位俯仰垂直误差，/>为向北方位的基座倾斜误差，/>为向东方位的基座倾斜误差，/>为第一俯仰轴承误差，/>为第二俯仰轴承误差，/>为南北方位轴承误差，/>为东西方位轴承误差，/>为视轴晃动误差，/>、/>、/>和/>均为预设系数，/>为待输入的方位角，/>为待输入的俯仰角。

这里，通过采用上述的方位误差修正模型和俯仰误差修正模型对光电望远镜的指向信息的修正，可以提高光电望眼镜得到的指向信息的准确性，从而有利于提高对空间目标的定位的准确性。

这里，在将空间目标的地平坐标和预设的指向误差修正模型输入光电望远镜后，光电望远镜首先根据地平坐标指向一个位置，并得到该位置下的一个初始的方位角和一个初始的俯仰角/>，之后，光电望远镜将/>代入方位误差修正模型/>，得到一个方位角误差/>，以及将/>代入俯仰误差修正模型/>，得到一个俯仰角误差/>，将/>作为修正后的方位角，以及将/>作为修正后的俯仰角；之后，光电望远镜根据/>和/>指向新的位置，并在该位置处得到光电望远镜的视轴中心（/>，/>），以及在该位置处通过光电望远镜自身的CCD（charge coupled device）接收器件生成一个CCD图像，并得到该CCD图像的中心点坐标（/>，/>），之后，通过公式（9）计算出最终的俯仰角/>，通过公式（10）计算出最终的方位角/>。

公式（9）如下：（9）；公式（10）如下：（10）；其中，（/>，/>）为CCD图像的比例尺，/>为空间目标在x方向的脱靶量，/>为空间目标在y方向的脱靶量。

这里，的取值范围为 -90°~90°，由地平向天顶起计；/>的取值范围为 0°~360°，由光电望远镜的正北向东顺时针起计。

S106、根据指向信息，通过激光测距仪测量空间目标相对于光电望远镜的距离。

这里，光电望远镜与激光测距仪位于同一位置处，例如，可以一同位于地面上的任一位置处。

这里，可以将方位角和俯仰角/>发送至激光测距仪，激光测距仪根据接收到的这些数据，调整自身的指向后发射激光脉冲，该脉冲打到空间目标后返回，激光测距仪接收到反射回波后，根据自身包含的时间计时器便可测出激光脉冲往返时间间隔（用/>表示），此时间间隔乘以光速/>，即可换算出空间目标到光电望远镜的距离（用/>表示），如公式（11）：（11）。

S107、将指向信息和距离，作为空间目标的定位信息。

这里，根据距离，以及方位角/>和俯仰角/>便可实现对空间目标的定位。

在一些实施例中，在进行S105之前，可以先通过下述步骤得到上述的指向误差修正模型：

1）采用光电望远镜对空间位置已知、且均匀分布于全天区域中的多个星体分别进行观测，得到每个星体的实际观测数据和对应的理想数据/>；/>，为观测的星体的总数量；/>为第/>个星体的实际观测的方位角，/>为第/>个星体的实际观测的俯仰角，/>为第/>个星体的理想观测的方位角，/>为第/>个星体的理想观测的俯仰角；

2）根据每个星体的实际观测数据和对应的理想数据/>，确定每个星体对应的指向误差数据/>；其中，/>和/>表示为公式（12）：（12）。

3）构建方位误差修正模型，以及俯仰误差修正模型/>，其中，/>的公式如上述公式（7），/>的公式如上述公式（8），并且，/>、/>、/>、/>、/>、、/>和/>均为未知参数。

4）根据上述步骤2）和步骤3）中的公式，构建下述公式（13）：（13）；其中，/>和/>为每个星体的观测随机误差；

5）选取模型修正后的残差的平方和为目标函数，并构建待求解方程组，根据待求解方程组求解指向误差修正模型的参数、/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>。待求解方程组为公式（14）：/>（14）。

6）根据求解出的参数、/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>，得到方位误差修正模型/>的表达式，以及俯仰误差修正模型/>的表达式。

在一些实施例中，上述方法的执行设备可以均为光电望远镜。在一些实施例中，上述方法中步骤S101~S105和S107的执行主体可以为光电望远镜，S106的执行主体可以为激光测距仪。

本发明具有如下有益技术效果：

由于激光测距技术测量精度很高，而光电望远镜可提供高精度的测角信息，本发明通过将两者联合进行单站空间目标的定位，不仅能够充分发挥光电望远镜和激光测距仪的优势，还能够实现对空间目标的高精度定位，提供了一种定位准确且操作便捷的目标定位方法。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于单设备的光学望远镜和激光测距仪联合目标定位方法，其特征在于，包括：

获取空间目标的两行轨道根数，基于所述两行轨道根数确定所述空间目标在任一时刻相对于地心的天球坐标；

根据预设的极移转换矩阵、预设的时角转换矩阵、预设的章动转换矩阵和预设的岁差转换矩阵，将所述天球坐标转换为地心坐标系下的地心坐标，得到第一地心坐标；所述第一地心坐标表示为：其中，A为所述极移转换矩阵，并且，A＝R_y(-xp)·R_x(-yp)，(xp,yp)为瞬时地极的极移坐标；B为所述时角转换矩阵，并且，B＝R_z(GAST)，GAST为瞬时格林尼治真恒星时；C为所述章动转换矩阵，并且，C＝R_z(-z)R_y(θ)R_x(-ξ)，-z、θ和-ξ均为岁差常数；D为所述岁差转换矩阵，并且，D＝R_x(-ε-Δε)R_z(-Δψ)R_x(ε)，Δψ为黄经章动，Δε为黄赤交角章动，ε为真赤道面和黄道面的交角；R_x、R_y和R_z均为光电望远镜的旋转运动的变化矩阵；/>为所述天球坐标，/>为所述第一地心坐标；

根据光电望远镜的位置信息，确定所述光电望远镜的第二地心坐标；

根据所述位置信息、所述第一地心坐标和所述第二地心坐标，确定所述空间目标相对于所述光电望远镜的地平坐标；

将所述地平坐标和预设的指向误差修正模型输入所述光电望远镜，输出所述光电望远镜的指向信息；所述预设的指向误差修正模型用于对所述光电望远镜的指向信息进行修正；所述指向信息包括：方位角和俯仰角；所述预设的指向误差修正模型包括：方位误差修正模型和俯仰误差修正模型；所述方位误差修正模型的表达式为：所述俯仰误差修正模型的表达式为：/>其中，f(A,E)为所述方位误差修正模型，g(A,E)为所述俯仰误差修正模型，γ为视轴照准差，η为方位俯仰垂直误差，ψ_X和ψ_Y均为基座倾斜误差，ξ_B1sin2E为第一俯仰轴承误差，ξ_B2cos2E为第二俯仰轴承误差，ξ_B3cos2A为南北方位轴承误差，ξ_B4cos2A为东西方位轴承误差，δ_T为视轴晃动误差，A为待输入的方位角，E为待输入的俯仰角，ξ_B1、ξ_B2、ξ_B3和ξ_B4均为预设系数；

根据所述指向信息，通过激光测距仪测量所述空间目标相对于所述光电望远镜的距离；

将所述指向信息和所述距离，作为所述空间目标的定位信息。

2.根据权利要求1所述的基于单设备的光学望远镜和激光测距仪联合目标定位方法，其特征在于，所述位置信息包括所述光学望远镜的经度、纬度和高程；所述根据所述位置信息、所述第一地心坐标和所述第二地心坐标，确定所述空间目标相对于所述光电望远镜的地平坐标，包括：

根据所述经度和所述纬度，分别确定第一转换矩阵和第二转换矩阵；

确定所述第一地心坐标与所述第二地心坐标的坐标差；

采用所述第一转换矩阵和所述第二转换矩阵对所述坐标差进行转换，得到所述空间目标相对于所述光电望远镜的地平坐标。

3.根据权利要求2所述的基于单设备的光学望远镜和激光测距仪联合目标定位方法，其特征在于，所述地平坐标的表达式为：

其中，为所述地平坐标，L为所述经度，B为所述纬度，/>为所述第一转换矩阵，/>为所述第二转换矩阵，/>为所述第一地心坐标，/>为所述第二地心坐标。

4.根据权利要求1所述的基于单设备的光学望远镜和激光测距仪联合目标定位方法，其特征在于，所述光电望远镜与所述激光测距仪位于同一位置处；所述根据所述指向信息，通过激光测距仪测量所述空间目标相对于所述光电望远镜的距离，包括：

将所述指向信息发送至所述激光测距仪；

控制所述激光测距仪向所述指向信息对应的位置发送激光脉冲，并根据发射所述激光脉冲的时间和接收到所述空间目标反射的激光脉冲的时间，确定所述空间目标相对于所述激光测距仪的距离，将所述空间目标相对于所述激光测距仪的距离作为所述空间目标相对于所述光电望远镜的距离。