一种深空探测器与小行星交会成像的相对构像方法

摘要

本发明涉及一种深空探测器与小行星交会成像的相对构像方法，通过计算深空探测器与小行星近距离快速交会时运动规律、相互引力和测控约束，建立两体之间的空间近似无旋转且匀速直线相对运动关系；将相对运动模型与CCD相机中心投影规律相结合，建立符合无调姿、无轨控飞掠交会探测特点的序列图象相对构像关系；本发明将已知的探测器和被测小行星的轨道、姿态等物理特性与多视成象几何相结合，完整揭示了交会探测过程的构像关系；简化了特征投影关系，减少了投影关系解算的误差耦合影响。

主权项

一种深空探测器与小行星交会成像的相对构像方法，其特征在于包括如下步骤：1)针对深空探测器在无姿态调整、无轨道维持的自由飞行状态下与小行星的近距离交会模式，通过以下六步建立深空探测器与小行星之间的空间相对运动关系：(1)在质心天球参考系下，基于深空探测器的轨道根数和小行星的轨道根数，按照以下公式分别计算交会成像期间深空探测器和小行星各自的引力加速度，以及深空探测器和小行星之间的相对加速度；所述引力加速度和相对加速度均由质心天球参考系中太阳引力产生；${\overrightarrow{a}}_s=-\frac{{\mathrm{GM}}_{Sun}}{|{\overrightarrow{r}}_s{|}^3}{\overrightarrow{r}}_s$${\overrightarrow{a}}_a=-\frac{{\mathrm{GM}}_{Sun}}{|{\overrightarrow{r}}_a{|}^3}{\overrightarrow{r}}_a$$\Delta a={\overrightarrow{a}}_s-{\overrightarrow{a}}_a=-\frac{{\mathrm{GM}}_{Sun}}{|{\overrightarrow{r}}_s{|}^3}{\overrightarrow{r}}_s+\frac{{\mathrm{GM}}_{Sun}}{|{\overrightarrow{r}}_a{|}^3}{\overrightarrow{r}}_a$其中，a_s为质心天球参考系中太阳对深空探测器产生的引力加速度，a_a为质心天球参考系中同一时刻太阳对小行星产生的引力加速度，Δa为深空探测器和小行星间的相对加速度；GM_Sun为太阳的引力常数；和分别为同一时刻探测器和小行星相对于太阳质心的位置矢量；(2)基于小行星已知质量，计算交会成像期间小行星和深空探测器之间的万有引力对深空探测器速度的影响量；具体步骤如下：建立相对引力坐标系O_a‑xyz，其原点O_a为小行星质心，x方向为相对运动方向，y方向为交会时刻卫星相对位置的反方向，z轴与x，y构成右手系；将交会时刻记为t₀，根据坐标系定义，该时刻小行星坐标可记为(0,y₀,0)；在O_a‑xyz坐标系中，小行星引力产生的速度变化表达如下：$\left\{\begin{array}{c}\delta v_x=0\\ \delta v_y=\frac{2{\mathrm{\mu y}}_0\stackrel{·}{x}\Delta t}{\stackrel{·}{x}{y}_0^2\sqrt{{\left(\stackrel{·}{x}\Delta t\right)}^2+y_0^2}}\\ {\mathrm{\delta v}}_z=0\end{array}\right.$其中，μ＝GM_A为小行星的引力常数，为x坐标方向的速度，Δt为交会时刻到飞掠过后时刻的总时间；(3)如果步骤(1)中相对加速度小于0.01m/s²，并且步骤(2)中小行星和深空探测器之间的万有引力对深空探测器速度的影响量小于0.1％，则用匀速直线运动来描述深空探测器和小行星相对位置关系：小行星为静止质点，深空探测器相对其作匀速直线运动；或深空探测器为静止质点，小行星相对其作匀速直线运动；(4)在质心天球参考系下，根据以下公式计算交会成像期间小行星的空间姿态变化量Δθ；$\Delta \theta =\frac{t}{T_i}\pi$其中，T_i为小行星绕其第i个旋转轴的旋转周期，t为交会成像时间；(5)在质心天球参考系下，根据交会成像期间深空探测器的姿态遥测数据和已知的星载相机安装矩阵，按照以下公式计算交会成像期间深空探测器相机的空间角度变化量；M(Δα_c,Δβ_c,Δχ_c)＝M_bp·C(Δα)·C(Δβ)·C(Δχ)其中，M_bp为相机相对本体系的安装矩阵，Δα,Δβ,Δχ分别为遥测得到的深空探测器交会成像期间俯仰、偏航和滚转姿态变化量，C(Δα)、C(Δβ)、C(Δχ)分别为由Δα,Δβ,Δχ生成的旋转矩阵，Δα_c,Δβ_c,Δχ_c分别为成像期间相机的俯仰、偏航和滚转姿态变化量；(6)如果步骤(4)中小行星的空间姿态变化量小于0.1度，并且步骤(5)中相机的空间角度变化量小于0.1度，则用相对无旋转模式来描述交会成像期间深空探测器和小行星的相对姿态关系：小行星相对深空探测器的姿态角为常值，二者之间不存在相对旋转；2)通过以下三步建立深空探测器相机载荷所拍摄的小行星序列图象的构像关系：(1)对于纯平移运动成像，根据CCD相机中心投影规律，建立平移运动下成像投影关系，具体如下：平移运动物体上任何一对对应点的连线与平移方向平行，所有对应点的连线在空间中相交于无穷远点P_∞，该无穷远点P_∞表示平移方向；目标在不同位置对应点的成像点连线在图像中交于汇聚点e，该汇聚点e是平移方向P_∞在图像平面上的投影；(2)结合深空探测器与小行星相对运动关系，建立交会成像期间相机序列图像上的小行星目标构像描述关系：按照步骤2)中第(1)步所述方法建立深空探测器对小行星的构像关系；所述汇聚点e＝(u_e,v_e,1)′；其中：u_e、v_e分别为小行星序列图像中汇聚点的像面坐标；(3)建立小行星序列图象间基础矩阵F_m,n的表达关系：F_m,n＝[e_n,m]_×F_m,n＝F＝[e]_×${\left[e_{n,m}\right]}_{\times }={\left[e\right]}_{\times }=\left[\begin{array}{ccc}0& -1& v_e\\ 1& 0& -u_e\\ -v_e& u_e& 0\end{array}\right]$其中，[e_n,m]_×表示由汇聚点e构造的反对称矩阵。