[发明专利]基于光度序列同时估计空间失稳目标进动和自旋速率方法

说明书

本发明公开了一种基于光度序列同时估计空间失稳目标进动和自旋速率方法，包括：获取空间失稳目标的光度序列；将光度序列变分模态分解为多个本征模态函数；计算每个本征模态函数与光度序列的互信息；抽取最大的两个互信息值对应的本征模态函数频率作为空间失稳目标的自旋频率和进动频率，将空间失稳目标的自旋频率和进动频率转化为空间失稳目标的进动和自旋速率。本发明采用VMD对光度序列进行模态分解，基于互信息理论，对目标的进动和自旋频率进行有效的提取，可较高精度同时估计出目标进动和自旋速率，克服了频谱分析法、自相关和交叉残差法等估计方法对空间目标转动状态估计能力不足的问题。为空间目标转动状态的估计提供一种新的参考思路。

技术领域

本发明涉及的是一种基于光度序列同时估计空间失稳目标进动和自旋速率方法，属于计算领域。

背景技术

随着人类开发和利用外层空间脚步的加快，近地空间运行着大量的人造物体。由于碎片碰撞、卫星突发故障、在轨失效等原因，产生了数以万计的废弃空间物体，给空间安全带来了极大威胁。低轨道废弃目标会受气动力矩、重力梯度力矩、地磁力矩等力的作用，几年至几十年后才会再入大气层烧毁；处于轨道空间拥挤的高轨废弃航天器，如不采取主动措施，其将会一直存在。以航天器燃料加注、在轨维修及装配、空间垃圾清除为主的在轨服务任务(On-Orbit Serving，OOS)变得越来越重要，获取失稳非合作目标转动状态是对其进行服务的前提。失控或者失稳的空间目标通常处于高速旋转状态，旋转速率是衡量空间目标状态的重要参数，由于距离远无法通过雷达、激光探测等方法对目标进行状态探测，通过地基望远镜获取目标的光度数据并进行处理，对其转动状态进行估计，并判断其工作状态，是一种有效的态势感知手段。

失稳旋转的目标，由于受到外界力矩的干扰以及质量分布不均匀等因素的影响，目标初始角速度矢量与惯量轴不重合，目标转动表现为自旋轴绕角动量轴做锥旋进动，自旋轴进动速率小于自旋速率。近年来，基于目标光度序列的频谱分析法、自相关法和交叉残差法等方法，对空间目标转动状态进行了反演，其中，通过对光度序列进行傅里叶变换，在长周期和短周期选取频谱中能量高的两个频率作为自旋和进动的频率，近似的估计出进动周期，自旋频率的估计频谱中出现了倍频，估计误差较大；交叉残差法相较于自相关法优势最为明显，但其受采样频率的影响较大。从反演的结果可以看出，上述方法只能进行进动或者自旋速率的独立反演，对于在某一时刻光度数列包含两种频率的失稳空间目标，由地基观测得到的光度序列，无法同时确定光度序列中包含的进动频率和自旋频率，原因如下：

1)频谱分析法、交叉残差法和自相关法不能进行目标自旋和进动速率的同时反演，只能单独估计出自旋或者进动中的一个速率。

2)经验模态分解(EMD)在分解过程中，频率混叠比较严重，且其模态数是自适应的，不可控制；频谱分析法倍频比较严重，対目标旋转速率的估计误差较大。

3)交叉残差法和自相关法分析：

对于包含周期性离散数据的信号，自相关计算公式为：

式中，N为测量数据的总数，自相关系数L(Δn)表示为原数据x(n)与时延Δn后的数据乘积的均值。可以用自相关图来描述数据的周期性，自相关图峰值之间的间隔数值表示周期T或T的整数倍。

交叉残差法表达式为：

上式中，N为测量数据的总数，R(Δt)表示为原信号I(t)与延时Δt之后的信号I(t+Δt)两者之差平方的平均值，时延Δt的取值范围为[0,t_max/2]，且只能取采样间隔的整数倍。与自相关法相比，在数值上采取了平方的形式，使得峰谷之间的差异更大，能够考虑到目标光变曲线整体包络与细节性闪耀，与自相关方法相比结果较为准确。