非合作空間目標光學捕獲和快速鎖定方法研究.pdf

1、空間目標捕獲和鎖定技術(shù)涉及衛(wèi)星激光通信、激光雷達、空間對接、天文目標觀測等多個領(lǐng)域。捕獲和鎖定過程中,捕獲終端轉(zhuǎn)動機構(gòu)首先瞄準目標飛行器可能出現(xiàn)的區(qū)域,然后利用終端探測器捕獲空間目標的光學信息,經(jīng)過分析和判斷,最后實現(xiàn)空間目標的快速鎖定。
　　根據(jù)空間目標是否主動向捕獲終端提供有利于捕獲和鎖定的信息,可以將空間目標分為兩類:一類為合作空間目標,即空間目標主動向捕獲終端提供自身的運動信息和主動光信標;另一類為非合作空間目標,空間目標

2、既不主動提供自身的運動信息,一般也不提供主動光信標,只能利用目標散射光信號進行捕獲。在極端情況下,非合作空間目標甚至會利用調(diào)姿、變軌或者提供偽目標等技術(shù)手段減小被捕獲和鎖定的幾率。
　　根據(jù)運動學理論,非合作空間目標具有兩個顯著特點:(1)目標行為具有明顯的隨機性,即目標出現(xiàn)的空間位置是隨機的、目標的運動方向是隨機的、目標在空間某位置出現(xiàn)的時間是隨機的;(2)目標的運動信息較少,即對于不確定的未知信息,在建模分析時也表現(xiàn)為一種隨機

3、特性。以衛(wèi)星激光通信鏈路建立過程為例,由于光學終端實際的運行軌道和姿態(tài)與設計存在一定的偏離,使得其運動信息具有隨機性分布的特點。在衛(wèi)星鏈路建立初期階段,目標終端首先利用其它途徑(微波、激光測距等)進行衛(wèi)星軌道的預報來獲取不確定區(qū)域的信息,并控制地面終端指向要執(zhí)行掃描的區(qū)域。本文中進行的在有限空域中的捕獲和鎖定過程研究同樣是建立在已經(jīng)通過粗導引(軌道預警、外推)手段獲取了目標可能出現(xiàn)空域信息的基礎上，實質(zhì)上，這類過程同時具備了前文所述的非

4、合作空間目標的兩個運動學特點。此外,在激光雷達、空間對接、天文目標觀測等研究領(lǐng)域,也同樣存在著大量的具有此類特征的非合作空間目標。非合作空間目標捕獲和鎖定技術(shù)可廣泛應用于軍事和航天等敏感領(lǐng)域,開展與此相關(guān)的研究工作,突破關(guān)鍵技術(shù)、優(yōu)化捕獲策略和系統(tǒng)設計、從本質(zhì)上提高系統(tǒng)性能指標,具有重要的理論意義和實際應用價值。
　　本論文綜合分析了國內(nèi)外典型空間目標捕獲平臺的研究現(xiàn)狀和進展,闡述了典型平臺結(jié)構(gòu)下的捕獲鎖定基本過程,詳細分析了非合

5、作空間目標捕獲和鎖定技術(shù)研究的重點和難點。
　　通過研究影響非合作空間目標捕獲和鎖定的主要因素,并結(jié)合目標捕獲和鎖定的物理過程,建立了目標捕獲的概率模型。研究了目標捕獲概率隨瞄準偏差、捕獲帶寬、目標隨機運動等因素變化的規(guī)律,并通過仿真驗證了理論模型的正確性。為定量研究大氣湍流對近地空間目標捕獲鎖定的影響,提出采用Non-Kolmogorov湍流模型來刻畫大氣湍流造成的光束到達角起伏和光強起伏,并通過理論分析和數(shù)值仿真說明了這種研究

6、方法的有效性。
　　針對光學探測器圖像處理速度制約非合作空間目標捕獲鎖定時間和概率的問題,本論文提出了改進型光流速度矢量分解矩匹配快速幀處理方法,解決了非合作空間目標在大視場下捕獲的快速識別問題,有效提高了目標光學捕獲效率,并建立模擬實驗系統(tǒng)驗證了這種快速幀處理方法的有效性。
　　論文最后分析了影響非合作空間目標鎖定伺服系統(tǒng)運行效率的主要原因,提出了一種能夠提高控制系統(tǒng)啟動時間、平滑控制效果的“軟潤滑”控制方法,能夠平穩(wěn)鎖定