一种空间态势感知相机地面性能验证系统及方法与流程

本发明涉及一种空间态势感知相机地面性能验证系统及方法，属于空间态势感知相机设计测试。

背景技术：

1、空间技术的快速发展使得空间目标数量急剧上升，包括卫星、空间站和空间碎片等，这些空间目标对空间飞行器的在轨安全运行带来了极大的风险。空间态势感知相机的功能是对视场范围内的图像进行预处理和目标的识别；输出图像和测量数据，用于空间目标测量、识别与预警。

2、空间态势感知相机的性能主要包括探测概率，探测精度以及抗杂散光能力3项。探测概率是空间态势感知相机对目标持续探测，目标能够被稳定提取的概率；探测精度是指一段时间内目标的测量值与理论值之间的偏差；抗杂散光能力是指在杂散光进入相机视场时，对目标提取的影响。

3、目前，空间态势感知相机地面性能验证存在的主要问题有：

4、（1）在地面很难模拟空间态势感知相机在轨工作时的安装状态、很难同时模拟空间中的背景以及目标；

5、（2）在地面很难模拟空间目标的逼近过程，以及点、面目标的切换；

6、（3）如何实时生成动力学数据成并用于空间自然天体（恒星、行星）的剔除

7、（4）如何分析计算杂散光入射对空间态势感知相机目标提取能力的影响。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，存在的地面评估空间态势感知相机的性能指标手段匮乏的问题，提出了一种空间态势感知相机地面性能验证系统及方法。

2、本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

3、一种空间态势感知相机地面性能验证系统，包括空间态势感知相机、星敏感器、平板工装、无人机及综合信息处理中心，其中：

4、平板工装，用于模拟卫星平台安装环境，搭载空间态势感知相机及星敏感器；

5、无人机，预设空间目标信息，接收综合信息处理中心的控制指令对空间目标进行模拟；

6、综合信息处理中心，向空间态势感知相机及星敏感器发送对应探测指令，接收空间态势感知相机及星敏感器返送的各自坐标系下自然天体姿态四元数，根据自然天体姿态四元数计算动力学数据，发送至空间态势感知相机；根据动力数据进行自然天体位置反演，接收空间态势感知相机返送的成像位置坐标信息，将反演结果与接收的空间态势感知相机返送的成像位置坐标信息进行对比，进行恒星及行星剔除，生成控制指令发送至无人机，控制无人机按预设流程执行无人机点面目标探测试验及抗杂散光试验，根据试验结果评估空间态势感知相机性能；

7、空间态势感知相机，固定在平板工装上，接收综合信息处理中心发送的探测指令，对自然天体进行探测，通过星图匹配获取相机测量坐标系下的姿态四元数并发送至综合信息处理中心；接收综合信息处理中心返送的动力学数据对自然天体、无人机目标进行探测，获取自然天体、无人机目标的成像位置坐标信息并返送至综合信息处理中心；

8、星敏感器，固定在平板工装上，接收综合信息处理中心发送的探测指令，对自然天体进行探测，获取星敏感器测量坐标系下的姿态四元数并发送至综合信息处理中心。

9、所述星敏感器、平板工装通过直流稳压电源供电，综合信息处理中心进行空间态势感知相机性能验证前，同时生成秒脉冲信号发送给空间态势感知相机和星敏感器进行时间对齐。

10、所述无人机表面涂覆吸光材料，无人机底部设置点光源，光源的亮度由空间态势感知相机的探测灵敏度确定，无人机点面目标探测试验过程中，通过控制无人机在空间态势感知相机上空的悬停高度同时采集点光源成像，根据点光源成像光斑大小判断对点面目标的探测精度及概率。

11、所述空间态势感知相机对自然天体光源和无人机目标进行探测识别后通过lvds通信接口输出图像数据至综合信息处理中心，空间态势感知相机经rs422通信接口接收综合信息处理中心生成的动力学数据进行恒星、行星剔除，输出目标位置坐标信息发送至至综合信息处理中心。

12、一种根据空间态势感知相机地面性能验证系统实现的验证方法，包括：

13、将空间态势感知相机和星敏感器固定安装在平板工装上，模拟在卫星平台上的安装位置和安装方式，进行空间态势感知相机标校，获取空间态势感知相机到星敏感器的转移安装矩阵；

14、利用转移安装矩阵、星敏感器实时输出的自然天体姿态四元数计算空间态势感知相机的姿态四元数，并发送至综合信息处理中心；

15、通过综合信息处理中心根据自然天体姿态四元数计算动力学数据，根据动力学数据进行自然天体位置反演，将反演结果与空间态势感知相机返送的成像位置坐标信息进行对比，根据比对结果进行恒星及行星剔除；

16、按照修正后的自然天体位置执行无人机点面目标探测试验及抗杂散光试验，根据试验结果表征空间态势感知相机性能验证结果。

17、空间态势感知相机到星敏感器的转移安装矩阵获取方法为：

18、利用综合信息处理中心生成2路etr秒脉冲信号分别发送至空间态势感知相机和星敏感器进行时间对齐；

19、利用空间态势感知相机对自然星体间的恒星进行探测，通过星图匹配获取相机测量坐标系下恒星的姿态四元数qa，并同时间信息共同发送至综合信息处理中心；

20、利用星敏感器对恒星进行探测，得到星敏感器测量坐标系下的姿态四元数qb，并同时间信息共同发送至综合信息处理中心；

21、在综合信息处理中心计算得到空间态势感知相机到星敏感器的姿态转移矩阵△q；

22、其中，△q=qa/ qb。

23、空间态势感知相机的姿态四元数的计算方法为：

24、根据姿态转移矩阵△q、星敏感器的自然天体姿态四元数qb，计算相同坐标系下空间态势感知相机的姿态四元数qa＇=△qqb；

25、计算动力数据的方法为：

26、根据空间态势感知相机的姿态四元数qa＇和平板工装所在轨道信息r、时间信息t，计算动力学数据d={t， qa＇，r}。

27、自然天体位置反演的方法为：

28、根据空间态势感知相机对自然天体和无人机探测结果，获取成像位置坐标信息s包括恒星位置信息sh，行星位置信息sx以及目标位置信息st；

29、通过动力学数据d进行恒星、行星位置反演，设置匹配容差r，将容差范围内的恒星sh及行星sx剔除作为反演结果，以剩余的位置信息作为目标位置信息st。

30、无人机点面目标探测试验的方法为：

31、当无人机飞行在空间态势感知相机上空h高度处悬停时，空间态势感知相机对无人机上的点光源成像，当探测到无人机成像光斑为大于3pix×3pix时，无人机悬停，计算空间态势感知相机对点目标的探测概率和探测精度；

32、控制无人机下降高度，当探测器上无人机成像光斑大于16pix×16pix时，无人机悬停，计算空间态势感知相机对面目标的探测概率和探测精度。

33、抗杂散光试验的方法为：

34、当月亮和无人机同时进入空间态势感知相机视场后，计算此时空间态势感知相机对点目标的探测概率和探测精度，并与无人机点面目标探测试验所得的对点目标的探测概率和探测精度结果进行对比，统计杂散光区域的目标误提取概率。

35、本发明与现有技术相比的优点在于：

36、（1）本发明提供的一种空间态势感知相机地面高逼真性能验证系统及方法，通过搭建空间态势感知相机地面性能验证系统，以自然天体模拟空间背景，无人及模拟空间目标，更接近在轨工况且易实现，同时通过平板工装和星敏感器模拟卫星平台，结合轨道信息输出动力学数据，可以直接用于空间态势感知相机的恒星及行星剔除，减少背景对目标探测的干扰；

37、（2）本发明通过控制无人机的飞行高度，用以点、面目标的模拟切换，按照预设的点、面目标提取算法实现了空间目标探测及无人机点面目标试验，通过动态跟踪点、面目标识别的切换过程，能够实现空间态势感知相机对点目标、面目标的探测概率和探测精度确定，同时能够统计杂散光区域的目标误提取概率分析计算杂散光入射对空间态势感知相机目标提取能力的影响，实现了在地面很难模拟空间态势感知相机在轨工作时的安装状态、很难同时模拟空间中的背景以及目标的目的。