一种基于增强型星敏感器观测航天器周身的方法与流程

本发明涉及空间信息传输，具体是一种基于增强型星敏感器观测航天器周身的方法。

背景技术：

1、随着航天器在轨运行时间的不断延长与空间环境复杂性的持续增强，航天器在服役过程中面临的安全风险逐步显现。一方面，航天器自身结构在长期热循环、微振动和材料老化作用下，可能产生构件松动、连接件异常或局部结构状态退化等问题；另一方面，在轨运行环境中存在的碎片、非合作目标残留物及微小流星体等小尺度物体，可能在相对运动或撞击航天器表面，进而对航天器的姿态控制、热控性能及任务载荷的正常工作产生潜在影响。因此，实现对航天器自身结构状态和表面状态的精细感知，是提升在轨安全性和自主运行能力的重要技术基础。

2、现有对于航天器表面等状态等监测，主要依靠自身配备的成像载荷，通常需要在航天器表面布置多台相机或引入独立成像单元，存在成像视场割裂、几何关系难统一、系统结构复杂且可靠性受限等问题，难以在有限载荷资源条件下实现对航天器本体的连续、完整观测。或者，利用与其它航天器近距离交会时机，由其它航天器的成像载荷进行拍摄，这种方式会受到观测机会限制，同时也会对观测航天器的机动能力带来影响。

技术实现思路

1、本发明所述增强型星敏感器为探测成像一体化星敏感器，通过光学系统结构、热像消参机制以及成像与探测处理流程的协同设计，在统一光学通道下实现对航天器周身环境的高质量成像与稳定探测。其在星敏工作模式下用于恒星探测、星图识别和姿态解算，在自观测成像模式下用于对航天器本体及其周向区域进行近场成像。本发明重点在于提供一种基于增强型星敏感器观测航天器周身的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于增强型星敏感器观测航天器周身的方法，包括以下步骤：

4、步骤1、初始定义与系统约定；

5、步骤2、航天器在轨运行过程中接收到自观测任务指令后，启动外展机构使观测单元至预设工作位置；

6、步骤3、在观测单元完成外展并进入稳定状态后，星敏感器切换至自观测成像模式，对航天器本体及其周向区域进行连续成像采集；

7、步骤4、对航天器自身结构状态及周向异常目标进行分析与识别。

8、优选地，步骤1具体包括：

9、航天器本体设置有本体坐标系，原点位于航天器质心位置，用于描述航天器结构及其周身目标的相对空间关系；

10、星敏感器设置有星敏坐标系，原点位于星敏光心，主光轴方向为轴；

11、引入惯性参考坐标系，作为星敏姿态解算及多时刻成像数据统一对齐的参考基准；

12、本体坐标系、星敏坐标系以及惯性参考坐标系之间的转换关系通过地面标定或在轨标定获得；

13、观测单元包括集成星敏感器及支撑结构，相对于航天器本体的几何关系在外展完成后保持稳定。

14、优选地，步骤2具体包括：

15、所述外展机构为绳系外展机构，包括卷绳装置、与观测单元连接的绳系和张力控制组件；

16、启动绳系外展机构，卷绳装置在张力控制组件的约束下释放绳系，使观测单元沿预设方向逐步外移至目标工作位置；

17、外展过程中，绳系张力被限制在预设区间，绳系外展长度根据航天器最大结构尺度与星敏视场角进行设定，使满足：

18、 （1）；

19、式（1）中，δ为安全裕度。

20、优选地，所述步骤2具体包括：

21、所述外展机构为杆式外展机构，包括伸缩杆、锁定装置，伸缩杆一端固定于航天器本体，另一端连接观测单元；

22、伸缩杆外展过程中，观测单元沿杆体方向外展至预设长度，外展完成后通过锁定装置对伸缩杆进行固定。

23、优选地，步骤3具体包括：

24、基于星图识别与匹配算法解算星敏感器在惯性坐标系下的姿态，得到t时刻星敏坐标系相对于惯性参考坐标系的姿态四元数：

25、 （2）；

26、式（2）中，为标量部分，为矢量部分；

27、建立星敏坐标系到惯性坐标系的方向余弦矩阵；

28、结合航天器本体姿态解算结果，构建星敏坐标系与航天器本体坐标系之间的相对姿态关系：

29、 （3）；

30、式（3）中， 表示惯性参考坐标系到航天器本体坐标系的方向余弦矩阵；

31、成像过程中，星敏感器根据光照条件对曝光时间和增益进行自适应调节，并将成像数据与对应姿态信息按统一时间戳记录，形成多视角的周身成像数据序列。

32、优选地，所述星敏感器根据光照条件对曝光时间和增益进行自适应调节具体包括：

33、根据当前图像平均灰度ik、目标灰度i0以及饱和像素比例ρk，对曝光时间ek和增益gk进行自适应调节，计算公式如下：

34、 （4）；

35、 （5）；

36、式（4）中，α、η为调节系数，emin、emax为曝光时间的上下限；

37、式（5）中，β、μ为调节系数，gmin、gmax为增益的上下限。

38、优选地，步骤4具体包括：

39、将当前成像数据与参考外观模型或历史健康状态图像进行对齐比较，构造局部结构变化量：

40、 （6）；

41、式（6）中，表示时刻当前成像数据在像素坐标处的灰度值或特征值，表示参考外观模型或历史健康状态图像在像素坐标 处的对应灰度值或特征值；

42、当某一区域在连续多帧中满足时，表示预设结构变化阈值，判定该区域存在结构外观异常，用于航天器本体健康状态检测；

43、对成像数据中分离出的非本体结构目标，计算其在惯性坐标系下的相邻时刻观测方向角的变化量：

44、 （7）；

45、式（7）中，表示非本体结构目标在时刻相对于航天器本体的观测方向角，表示非本体结构目标在时刻相对于航天器本体的观测方向角， 表示相邻两次成像采集之间的时间间隔；

46、若异常目标在多个连续时刻中满足小于预设方向变化阈值且其图像位置变化量小于预设位置稳定阈值 ，则判定其具有附着或寄宿风险；

47、若异常目标在多个连续时刻中满足呈同向连续变化，且该变化趋势指向航天器本体轮廓方向，同时目标与航天器本体轮廓之间的图像距离持续减小，则判定为异常接近目标并输出预警信息。

48、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

49、（1）本发明实现了航天器周身成像，基于增强型星敏感器的自观测成像方式，通过绳系或杆系外展，使单一星敏感器获取航天器本体及其周向区域的成像信息，在不依赖多相机或多视角布设的情况下，实现航天器周身成像；

50、（2）本发明减少了航天器结构遮挡影响，通过将星敏可控外展实现自观测成像，避开航天器本体结构、太阳翼及附属构件对视场的遮挡，降低固定安装成像设备所产生的观测盲区，提高周身成像的覆盖完整性。

51、（3）本发明扩展了星敏成像应用能力，在保持星敏感器原有姿态测量工作模式与精度要求不变的基础上，通过引入增强型成像与自观测工作方式，使星敏感器在非姿态测量时段具备航天器周身成像能力，从而在不新增专用成像载荷的情况下拓展其应用场景，提高载荷利用效率并降低系统集成复杂度。