[发明专利]一种基于光谱特征的人造卫星指向分析方法

说明书

一种基于光谱特征的人造卫星姿态指向分析方法，包括如下步骤：步骤1，人造卫星光谱数据采集，记为观测谱；步骤2，光谱数据预处理；步骤3，建立卫星的三维模型，确定各面元的法线方向及材料谱；步骤4，利用在轨测量，确定卫星质心到测站的方向矢量和卫星质心到太阳的方向矢量；步骤5，记卫星的偏航角、俯仰角、滚动角，计算旋转矩阵R；步骤6，计算在本体参考系下的卫星指向测站的方向矢量和卫星指向太阳的方向矢量；步骤7，由朗伯散射模型计算预测谱；步骤8，计算预测谱与观测谱之差的欧氏范数(残余)作为姿态指向判别度量；步骤9，估计卫星姿态指向，以最小残余所对应的偏航角、俯仰角、滚动角作为卫星姿态的空间指向。本发明有效适用于深空环境、准确性更高。

技术领域

本发明涉及载人航天实施空间监测技术领域，尤其是一种基于光谱特征的人造卫星指向分析方法。

背景技术

自1957年10月前苏联发射首颗人造地球卫星以来，美国、法国、日本也相继发射了人造卫星，中国也于1970年发射了第一颗自己的人造卫星“东方红一号”；据2013年统计，截止2013年5月31号，在轨运行的人造卫星总数为1071颗；而目前具体有多少颗卫星，并不确定，因为该数字几乎每天都会在变，有新的卫星发射，也有老卫星失效后被废弃；并且随着小(纳、皮)卫星的发射，其数量变化更快。

卫星的种类众多，按用途可分为：科学卫星、技术试验卫星、应用卫星；按功能又可分为：侦察卫星、气象卫星、地球资源卫星、海洋卫星、通信卫星、导航卫星等。

不同类型的卫星，其载荷不同，目的也不一样，了解并掌握卫星在轨状态，尤其是其姿态指向，对于把握卫星的运行状态，有着重要的意义，同时了解卫星的姿态指向对于我国的空间环境态势把握具有极其重要的意义，对国防和民用都会产生重要影响。

传统人造卫星测量以位置信息测量为主，包括卫星的三维位置坐标、速度、加速度等参数，可衍生出各类地球轨道参数。为了提高卫星的监测预警能力，对测量系统除了要求获得其位置信息之外，更需要获得卫星的特征信息，如卫星空间指向等特征信息，它对空间监测、预警尤为重要。

光谱测量技术是人造卫星状态分析的一种重要方法，人造卫星一般本身并不发光，其亮度来自太阳光的反射，仅由亮度变化不足以分辨卫星的材料组成及空间指向，分析其光谱特征成为辨认卫星姿态的主要手段。

在地基(地面观测站)条件下，光谱仪所获取光谱由卫星材料成分、卫星姿态、太阳光谱、地球大气吸收谱，以及测量过程中产生的噪声等因素综合决定，因而由光谱推断卫星姿态指向并没有一个解析解。本发明采用穷举搜索方法，对卫星指向作判别。

对卫星的测量有雷达测量和光学测量，雷达测量可以克服天气、太阳和及地影的影响，能全天候全天时工作，但由于雷达测量时，其反射回波信号的强度与距离的四次方成反比，因而雷达测量比较适合于低地球轨道的卫星；另外雷达测量需要发射信号，属于主动探测形式，这在某些情形下可能不合适。

而对于无源光学测量，信号反射强度与物体的距离的平方成反比，因而能探测高轨道卫星，另外它仅接收卫星对太阳光的反射，属于被动探测形式，可较好的适合于某些特殊场合。

发明内容

为了克服已有卫星指向分析方法无法适用于深空环境、准确性较差的不足，本发明提供一种有效适用于深空环境、准确性更高的一种基于光谱特征的人造卫星指向分析方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于光谱特征的人造卫星指向分析方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，人造卫星光谱数据采集：利用光谱仪，采集人造卫星光谱数据，记为观测谱Y_test；

步骤2，光谱数据预处理：进行去噪处理；

步骤3，建立卫星的三维模型，确定各面元的法线方向及材料谱；