一种与机动非合作目标交会对接的方法与流程

技术特征：

1.一种与机动非合作目标交会对接的方法，其特征在于，用于主动对接者，所述方法包括：

获得所述主动对接者的初始位置以及所述机动非合作目标所在的最终目标位置；

指定所述主动对接者从所述初始位置到达所述最终目标位置所需的预计时间范围以及所需的向所述主动对接者施加的脉冲次数，以所述脉冲次数均分所述预计时间范围，得到一个或多个脉冲时刻；

以指定时间间隔将所述预计时间范围划分为至少一个状态时刻；

在所述一个或多个脉冲时刻中的每个脉冲时刻时，根据当前脉冲时刻对应的所述主动对接者的当前位置和当前速度，以及当前脉冲时刻的下一脉冲时刻对应的所述主动对接者的目的位置，计算在当前脉冲时刻时所需施加给所述主动对接者的脉冲，根据所述脉冲修正所述主动对接者的运动状态；

在所述至少一个状态时刻中的每个状态时刻，获取当前状态时刻下关于所述机动非合作目标的测量信息；根据所述测量信息、当前状态时刻的前一状态时刻的状态估计和当前状态时刻的前一状态时刻的状态估计误差协方差矩阵，计算得到当前状态时刻的候选相对状态估计和候选相对状态估计误差协方差矩阵；并判断从当前状态时刻的前一状态时刻到当前状态时刻时，所述机动非合作目标是否发生机动；若判定发生机动，则根据所述测量信息、当前状态时刻的前一状态时刻的状态估计和当前状态时刻的前一状态时刻的状态估计误差协方差矩阵，计算所述机动非合作目标的目标机动估计和目标机动估计误差协方差矩阵，并根据所述目标机动估计和所述目标机动估计误差协方差矩阵，修正所述主动对接者的运动状态；若判定没有发生机动，则将所述候选相对状态估计作为当前状态时刻的状态估计，将所述候选相对状态估计误差协方差矩阵作为当前状态时刻的状态估计误差协方差矩阵；所述主动对接者保持当前的运动状态；

当所述一个或多个脉冲时刻中的最后一个脉冲时刻到达时，所述主动对接者按照其对应脉冲时刻的运动状态完成与所述机动非合作目标的交会对接。

2.如权利要求1所述的与机动非合作目标交会对接的方法，其特征在于，在所述获得所述主动对接者的初始位置以及所述机动非合作目标所在的最终目标位置，之前，还包括：

构建直角坐标系；所述直角坐标系的原点位于所述机动非合作目标质心；所述坐标系的x轴沿所述机动非合作目标的轨道切线方向，所述x轴正方向与所述机动非合作目标运动方向一致；所述坐标系的z轴指向所述机动非合作目标的轨道弧线圆心；所述坐标系的y轴与所述x轴和所述z轴构成右手直角坐标系；在所述直角坐标系中，以所述直角坐标系的原点坐标作为所述机动非合作目标所在的最终目标位置；在所述直角坐标系中，将所述主动对接者相对于所述机动非合作目标的相对位置坐标作为所述主动对接者所处的位置。

3.如权利要求2所述的与机动非合作目标交会对接的方法，其特征在于，

所述获取当前状态时刻下关于所述机动非合作目标的测量信息，包括：

采集单目相机，获得关于所述机动非合作目标的图像，并根据标准针孔相机模型，计算所述机动非合作目标的质心在相机成像平面的成像坐标；

采集距离传感器，获得所述主动对接者与所述机动非合作目标之间的相对距离；以及,

由所述成像坐标和所述相对距离构成所述测量信息；

其中，所述单目相机和所述距离传感器设置于所述主动对接者；

所述单目相机用于检测所述机动非合作目标的质心在相机成像平面的坐标；所述单目相机的光学中心与所述主动对接着的质心重合，所述单目相机的主光轴与所述直接坐标系的x轴平行，所述单目相机的镜头指向x轴正方向；

所述距离传感器用于检测所述主动对接者与所述机动非合作目标之间的相对距离。

4.如权利要求1所述的与机动非合作目标交会对接的方法，其特征在于，所述根据所述测量信息、当前状态时刻的前一状态时刻的状态估计和当前状态时刻的前一状态时刻的状态估计误差协方差矩阵，计算得到当前状态时刻的候选相对状态估计和候选相对状态估计误差协方差矩阵；并判断从当前状态时刻的前一状态时刻到当前状态时刻时，所述机动非合作目标是否发生机动，包括：

根据当前状态时刻的前一状态时刻的状态估计和当前状态时刻的前一状态时刻的状态估计误差协方差矩阵，计算得到从当前状态时刻的前一状态时刻到当前状态时刻的候选一步预测状态估计和候选一步预测状态估计误差协方差矩阵；

根据所述候选一步预测状态估计和所述候选一步预测状态估计误差协方差矩阵，计算得到当前状态时刻的候选相对状态估计和候选相对状态估计误差协方差矩阵；

根据所述候选一步预测状态估计和所述测量信息，计算当前状态时刻的残差；

根据假设检验原理，利用所述残差构建检测统计量；

根据选定的置信度水平以及所述检测统计量符合的分布，通过检查所述检测统计量符合零假设或者符合备择假设，判断所述机动非合作目标是否发生机动。

5.如权利要求1所述的与机动非合作目标交会对接的方法，其特征在于，所述根据所述测量信息、当前状态时刻的前一状态时刻的状态估计和当前状态时刻的前一状态时刻的状态估计误差协方差矩阵，计算所述机动非合作目标的目标机动估计和目标机动估计误差协方差矩阵，包括：

根据所述测量信息估计当前状态时刻的相对位置估计；

根据当前状态时刻的前一状态时刻的状态估计，以及当前状态时刻的前一状态时刻的所述脉冲，得到从当前状态时刻的前一状态时刻到当前状态时刻的一步预测相对位置估计；

根据当前状态时刻的相对位置估计，以及所述一步预测相对位置估计，得到当前状态时刻的前一状态时刻的所述机动非合作目标的目标机动估计；

根据当前状态时刻的前一状态时刻的状态估计误差协方差矩阵，得到所述目标机动估计误差协方差矩阵。

6.如权利要求1所述的与机动非合作目标交会对接的方法，其特征在于，所述根据所述目标机动估计和所述目标机动估计误差协方差矩阵，修正所述主动对接者的运动状态，包括：

根据当前状态时刻的前一状态时刻的状态估计和所述目标机动估计，得到从当前状态时刻的前一状态时刻到当前状态时刻的一步预测状态估计；

根据当前状态时刻的前一状态时刻的状态估计误差协方差矩阵和所述目标机动估计误差协方差矩阵，得到从当前状态时刻的前一状态时刻到当前状态时刻的一步预测状态估计误差协方差矩阵；

根据所述一步预测状态估计和所述一步预测状态估计误差协方差矩阵，得到当前状态时刻的状态估计和状态估计误差协方差矩阵。

7.如权利要求1所述的与机动非合作目标交会对接的方法，其特征在于，所述根据当前脉冲时刻对应的所述主动对接者的当前位置和当前速度，以及当前脉冲时刻的下一脉冲时刻对应的所述主动对接者的目的位置，计算在当前脉冲时刻时所需施加给所述主动对接者的脉冲，具体为：

根据如下公式计算在当前脉冲时刻时所需施加给所述主动对接者的所述脉冲：

其中：um是当前脉冲时刻时所需施加给所述主动对接者的所述脉冲；δt是相邻脉冲时刻的时间间隔；xm是当前位置，当前速度目的位置为xm 1；状态转移矩阵关于位置速度交叉项的分块矩阵的逆；φrr：状态转移矩阵关于位置的分块矩阵。

8.如权利要求1所述的与机动非合作目标交会对接的方法，其特征在于，所述根据所述脉冲修正所述主动对接者的运动状态，具体为：

根据如下公式修正所述主动对接者的运动状态：

其中：xk是所述主动对接者在当前状态时刻k的运行状态；

是在第i脉冲时刻，所需施加给所述主动对接者的脉冲；

i3是维度为3x3的单位矩阵；

03是维度为3x3的零矩阵。

9.如权利要求4所述的与机动非合作目标交会对接的方法，其特征在于，所述根据假设检验原理，利用所述残差构建检测统计量，具体为：

利用所述残差构建如下服从自由度为3的卡方分布的检测统计量：

其中：ηk 1是残差；是残差的转置；hk 1是k 1时刻的测量矩阵；是候选一步预测状态估计误差协方差矩阵；rk 1是测量噪声协方差矩阵。

10.如权利要求9所述的与机动非合作目标交会对接的方法，其特征在于，所述根据选定的置信度水平以及所述检测统计量符合的分布，通过检查所述检测统计量符合零假设或者符合备择假设，判断所述机动非合作目标是否发生机动，包括：

定义假设检验问题：零假设定义为所述机动非合作目标无机动，备择假设定义为所述机动非合作目标有未知机动；

根据所述选定的置信度水平判断如下不等式是否成立：

其中，为χ²(3)的α分位点；

若成立，则拒绝原假设，认为所述机动非合作目标有未知机动；

若不成立，则接受原假设，认为所述机动非合作目标无机动。

技术总结
本发明实施例提供一种与机动非合作目标交会对接的方法，设计了基于单目相机和距离传感器的非合作目标相对测量方案,构造了用于探测目标是否存在机动的机动探测器，并在有目标机动情况下，提出了基于在轨动态补偿的状态滤波算法实现目标相对状态和机动的有效估计；将目标机动补偿、相对状态估计与多脉冲机动方案相结合，实现在预计时间范围内，完成主动对接者与机动非合作目标的交会。

技术研发人员：王炯琦;吕东辉;陈彧赟;周萱影;何章鸣;孙博文;魏居辉
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2021.03.09
技术公布日：2021.07.20