一种广域红外点目标探测跟踪协同卫星系统的制作方法

1.本发明属于对地成像的光学卫星遥感领域，具体涉及一种地球同步轨道广域红外点目标探测跟踪协同卫星系统。


背景技术：

2.广域红外点目标探测是光学遥感卫星的重要应用方向，当前广域红外点目标探测卫星系统主要采用线阵体制载荷，采用红外谱段对红外辐射强度较高的目标进行扫描成像，红外图像中探测到的目标为点目标，不具备明显的几何形态，目标发现之后，通过小面阵凝视体制载荷进行跟踪，存在以下主要问题：
3.(1)不能同时满足广域探测范围和弱辐射目标探测的使用需求。线阵体制载荷探测灵敏度差，不能对千瓦/球面度以下的弱红外辐射目标有效探测发现，且线阵成像体制通过扫描实现探测，扫描周期长，能够获取到的目标采样数量少，容易造成目标丢失。小面阵凝视体制载荷视场小，一般在1
°×1°
范围左右，不能满足对广域范围内目标的有效跟踪。
4.(2)红外图像数据产生后，目标检测软件生成点目标的二维平面位置信息，再通过对至少2颗卫星产生的二维平面目标信息进行融合，生成目标的三维轨迹信息。目前该项功能主要由地面系统完成，星上仅能够对3个左右的少量目标进行信息融合，不能满足使用需求。
5.(3)当前广域红外点目标探测卫星系统主要由地面进行任务规划和信息交互，星上不具备任务规划能力，不具备星间信息传输网络，无法协同其他卫星、其他地面用户配合开展工作，与其他卫星进行配合工作时，主要依赖地面指挥控制系统，时效性和体系联合运用效能低。
6.(4)红外点目标探测卫星需要对入射到镜头内的阳光进行遮挡，无法遮挡是需要进行规避，阳光规避时卫星无法工作。当前一般采用挡光板或圆筒遮光罩对阳光进行遮挡，卫星单日最长不可工作时间达到4小时，卫星可用时间受限严重。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供了一种广域红外点目标探测跟踪协同卫星系统，可对弱红外点目标提供更强的探测检测能力，该系统包括：相机分系统、目标处理分系统、任务规划分系统、星间网络分系统、成像质量保证分系统和遮光罩子系统；其中所述相机分系统用于对广域范围内进行红外点目标成像，生成包含弱红外辐射目标的广域监视范围图像，将图像数据提供给所述目标处理分系统；所述目标处理分系统从红外图像中提取目标的二维平面坐标，生成目标三维位置和速度，将不同的目标合理的分配到不同卫星进行数据融合；任务规划分系统根据目标三维位置，计算其他协作卫星的轨道位置、观测能力，并对其他协作卫星进行观测任务规划；星间网络分系统负责接收其他卫星提供的二维角轨迹，将其提供给目标处理分系统，同时向其他卫星发送任务规划分系统产生的协同规划等信息；成像质量保证分系统提供卫星高精度形变测量结果，结合星上自主几何定标，为双星数据融合提
供高精度几何定标系数；遮光罩子系统位于相机外部，结合卫星自主阳光规避策略，实现对光线入射的抑制隔离。
8.特别地，所述相机分系统包括红外相机、电子学处理器和制冷机；所述红外相机采用大口径深低温透射式光学系统，光学结构由多片高斯非球面透镜组成，提供0
°×0°
至25
°×
25
°
范围内任意可选的探测视场角；相机焦面由大面阵红外探测器拼接组成；所述电子学处理器用于完成红外图像的辐射校正，按照规定的数据格式生成原始图像数据，并向目标处理分系统进行传输；所述制冷机采用脉冲管制冷机，长期背阴面位于卫星-x方向，朝向深冷空间，面向深空为所述大面阵红外探测器辐射制冷。
9.特别地，所述目标处理分系统包括目标检测模块、自主几何定标模块和数据融合模块；所述目标检测模块通过目标检测算法，提取红外图像中点目标的二维轨迹，自主几何定标模块通过对红外图像中的典型特征点位置进行确定，实时提供几何定标系数，数据融合模块将双星的二维平面位置信息融合为三维立体位置和速度信息，同时通过采用基于观测区域的动态优化融合分配算法，将多个目标的融合计算分配到不同卫星进行融合。
10.特别地，所述任务规划分系统连接与星间网络分系统进行数据交互，包括目标威胁优先级评估模块、资源调度模块和冲突消解模块；所述目标威胁优先级评估模块根据目标处理分系统融合计算得到的点目标三维位置和速度信息，对目标优先级进行评估；所述资源调度模块按照目标优先级对其他具备协同工作能力的卫星、地面设施进行调度；当对其他资源调度发生冲突时，由冲突消解模块负责协调。
11.特别地，所述星间网络分系统包括星间激光通信设备、星间ka相控阵通信设备和星间网络管理设备；所述星间激光通信设备用于与其他数据量交互需求大的卫星进行通信；所述星间ka通信设备用于与一般数据量需求的卫星进行通信；所述星间网络管理设备用于完成不同卫星之间通信协议的转换、星间网络的运行维护和数据传输路由。
12.特别地，所述成像质量保证分系统包括角位移测量仪，其与所述相机分系统进行一体化安装，对在轨热变形和相机视轴抖动进行测量；基于光学自准直原理的光学杠杆方法，激光夹角测量仪发射的激光经过中央基准组件反射面反射后返回，通过实测反射光的零位以及偏移位的坐标偏差，可分别求解相机在方位、高低方向上发生的角位移，最终得到精确的热变形数据。
13.特别地，所述遮光罩子系统安装于所述相机分系统外侧，同时根据卫星自主阳光规避策略，安装时需要使其中的遮光罩的挡光一侧对准阳光入射方向；通过阳光规避策略，使遮光罩一直能够对阳光进行遮挡；所述遮光罩包括遮光薄膜和轻型可展开骨架，其在发射期间为压紧状态，以满足运载火箭整流罩空间要求；在轨运行后，所述遮光罩完成展开，具体包括：采用三维二次展开，首先利用无源驱动方式横向展开，之后利用套筒展开机构提供动力进行纵向展开。
14.有益效果：
15.(1)相对于现有技术，本发明能够对弱红外点目标提供更强的探测检测能力，探检测能力由数万w/sr以上，提升到数百w/sr以上。同时本发明能够提供广域监视能力，地球同步轨道时，单颗卫星的弱红外点目标探测范围可以达到数千公里以上；
16.(2)相对于现有技术，本发明能够有效分配目标，将融合目标数量提升1倍；
17.(3)现有的地面几何定标，每次定标需要单独开展定标观测，每次观测用时半小时
以上，定标系数更新以天为周期，本发明通过星上自主实时几何定标，不需要地面单独开展定标观测，星上定标系数更新周期达到秒级；
18.(4)相对于现有技术，本发明实现了探测跟踪协同的一体化，不需要由外部提供引导信息进行任务规划；
19.(5)相对于现有技术，本发明大幅提升了卫星工作时间，将单日不可用时间由最长4个小时缩短到30分钟以内。
20.本发明通过提供一种广域红外点目标探测跟踪协同卫星系统，系统性的解决广域大范围内弱红外辐射点目标有效探测问题，弥补红外点目标星上应用处理、自主协同的不足，实现卫星成像探测、目标检出、轨迹融合、任务规划、信息分发一体化，不需要地面环节参与工作。基于大折展比柔性可展开式遮光罩的自主阳光规避策略，减小阳光入射对卫星可用时间的影响。显著提升卫星工作效率。
附图说明
21.图1是本发明广域红外点目标探测跟踪协同卫星系统的组成示意图；
22.图2是本发明的相机光学系统机构示意图。
具体实施方式
23.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
24.本发明提供了一种本发明是一种广域红外点目标探测跟踪协同卫星系统，卫星系统的主要组成包括：
①
相机分系统、
②
目标处理分系统、
③
任务规划分系统、
④
星间网络分系统、
⑤
成像质量保证分系统、
⑥
遮光罩子系统。卫星系统的主要组成如图1所示，分别具体描述如下。
25.1、相机分系统
26.相机分系统对广域范围内进行红外点目标成像，生成包含弱红外辐射目标的广域监视范围图像，将图像数据提供给目标处理分系统；所述相机分系统包括红外相机、电子学处理器、制冷机。红外相机采用大口径深低温透射式光学系统，光学结构由多片高斯非球面透镜组成，提供0
°×0°
至25
°×
25
°
范围内任意可选的探测视场角，相机焦面由大面阵红外探测器拼接组成，适应2k
×
2k、2.7k
×
2.7k、4k
×
4k等多种规格的探测器，具备0～20hz成像数据采集频率，通过整星辐射制冷为相机光学镜头提供200k～240k的深低温环境，实现对光学系统全光路的仪器噪声抑制。电子学处理器完成红外图像的辐射校正，按照规定的数据格式生成原始图像数据，并向目标处理分系统进行传输。制冷机采用脉冲管制冷机，为大面阵探测器制冷。
27.相机分系统包括红外相机、电子学处理器、制冷机。相机分系统由3～4台相机组成，采用入瞳口径大于300～500mm透射式光学系统，光学系统结构如图2所示，传统高斯型光学系统的光阑位于系统中间，能够实现大视场，但会导致第一透镜和最后一片透镜存在部分无效区域，本发明光学系统入瞳设置于第一透镜，使第一透镜的通光口径与入瞳一致，通过调整最后一片透镜与焦面之间的距离，控制镜头中最大光学元件的口径，使之满足口径需求。本发明透射式光学系统视场可以达到18
°×
18
°
以上，在地球同步轨道，实现对地球全圆盘的覆盖。
28.通过面向深空的辐射制冷使光学系统全光路温度在220k以下，辐射制冷的长期背阴面位于卫星-x方向，长期朝向深冷空间。多台相机一体化安装在卫星顶部，对准地球进行成像。电子学处理器通过光纤或2711电缆与目标处理分系统进行数据交互。相机焦面采用脉冲管制冷机进行制冷。
29.2、目标处理分系统
30.目标处理分系统从红外图像中提取目标的二维平面坐标，生成目标三维位置和速度，本发明采用优化分配方法，将不同的目标合理的分配到不同卫星进行数据融合，避免发生由于无分配而导致多颗卫星均对同一个目标进行融合，造成星上资源浪费的问题；目标处理分系统包括目标检测模块、自主几何定标模块、数据融合模块，采用板式构架，各个模块均由多块板卡组成，可根据目标处理能力的需求，配置板卡数量，板卡上集成高性能处理器，以及配套的软件处理算法，实现目标的实时检测、融合。目标处理分系统通过光纤或者2711电缆与相机分系统进行数据传输。通过2711电缆或spacewire总线、rs422串口等接口形式，与任务规划分系统进行数据交互。
31.所述目标处理分系统包括点目标检测模块、自主几何定标模块、数据融合模块，目标检测模块通过目标检测算法，提取红外图像中点目标的二维轨迹，自主几何定标模块通过对红外图像中的恒星、地物等典型特征点位置进行确定，实时提供几何定标系数，数据融合模块将双星的二维平面位置信息融合为三维立体位置和速度信息，同时通过采用基于观测区域的动态优化融合分配算法，将多个目标的融合计算分配到不同卫星进行融合。
32.3、任务规划分系统
33.任务规划分系统根据目标三维位置，计算其他协作卫星的轨道位置、观测能力，并对其他协作卫星进行观测任务规划。
34.任务规划分系统包括目标威胁优先级评估、资源调度、冲突消解等模块，硬件采用高性能dsp和soc进行计算，软件模型包括轨道外推模型、目标运动轨迹外推模型、可见窗口计算模型、优先级排序模型、调度优化模型、冲突消解模型等。任务规划分系统通过spacewire总线、rs422串口等接口形式，与星间网络分系统进行数据交互。目标威胁优先级评估模块根据目标处理分系统融合计算得到的点目标三维位置和速度等信息，对目标优先级进行评估，资源调度模块按照目标优先级对其他具备协同工作能力的卫星、地面设施进行调度，当对其他资源调度发生冲突时，由冲突消解模块负责协调。
35.4、星间网络分系统
36.星间网络分系统负责接收其他卫星提供的二维角轨迹，将其提供给目标处理分系统，同时向其他卫星发送任务规划分系统产生的协同规划等信息；
37.星间网络分系统包括星间激光通信设备、星间ka相控阵通信设备、星间网络管理设备。星间激光通信设备具备通信数据率高，用于与其他数据量交互需求大的卫星进行通信。星间ka通信设备用于与一般数据量需求的卫星进行通信。星间网络管理设备完成不同卫星之间通信协议的转换、星间网络的运行维护、数据传输路由。星间激光通信设备、星间ka相控阵通信设备安装在星体表面，根据所需要信息交互卫星的轨道位置进行安装位置选择。星间激光通信设备采用全双工体制，激光通信速率0～4gbps，作用距离不小于70000公里，激光通信设备安装于卫星两侧，与其他具备激光通信能力的卫星组网通信。星间ka相控阵通信设备具备多收多发能力，相控阵天线安装于星体之外。
38.5、成像质量保证分系统
39.所述成像质量保证分系统包括角位移测量仪，由于受到轨道外热流影响，卫星的星敏感器与相机结构基准存在热变形，角位移测量仪与相机进行一体化安装，对在轨热变形和相机视轴抖动进行测量。成像质量保证分系统提供卫星高精度形变测量结果，结合星上自主几何定标，为双星数据融合提供高精度几何定标系数。
40.角位移测量仪发射的激光经过中央基准组件反射面反射后，返回角位移测量仪，通过实测反射光的零位以及偏移位的坐标偏差，可分别求解相机在方位、高低方向上发生的角位移，最终得到精确的热变形数据。
41.6、遮光罩子系统
42.遮光罩子系统位于相机外部，结合卫星自主阳光规避策略，实现对光线入射的抑制隔离；卫星平台为上述分系统提供能源、结构、热控等配套能力。
43.所述遮光罩子系统主要由遮光薄膜和轻型可展开骨架组成，遮光罩在发射期间为压紧状态，以满足运载火箭整流罩空间包括要求，在轨运行后，遮光罩完成展开。遮光罩安装在相机外围，同时根据卫星自主阳光规避策略，安装时需要使遮光罩的挡光一侧对准阳光入射方向。
44.遮光罩采用轻型可展开骨架作为主要支撑，骨架外安装薄膜。遮光罩子系统安装于相机外侧，遮光罩的挡光面朝向卫星阳光入射方向，通过阳光规避策略，使遮光罩一直能够对阳光进行遮挡。遮光罩斜切角小于等于15
°
，压紧状态下高度不超过1米。卫星入轨后，遮光罩采用三维二次展开，首先利用无源驱动方式横向展开，之后利用套筒展开机构提供动力进行纵向展开。
45.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
46.对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
47.最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种广域红外点目标探测跟踪协同卫星系统，其特征在于，该系统包括：相机分系统、目标处理分系统、任务规划分系统、星间网络分系统、成像质量保证分系统和遮光罩子系统；其中所述相机分系统用于对广域范围内进行红外点目标成像，生成包含弱红外辐射目标的广域监视范围图像，将图像数据提供给所述目标处理分系统；所述目标处理分系统从红外图像中提取目标的二维平面坐标，生成目标三维位置和速度，将不同的目标合理的分配到不同卫星进行数据融合；任务规划分系统根据目标三维位置，计算其他协作卫星的轨道位置、观测能力，并对其他协作卫星进行观测任务规划；星间网络分系统负责接收其他卫星提供的二维角轨迹，将其提供给目标处理分系统，同时向其他卫星发送任务规划分系统产生的协同规划信息；成像质量保证分系统提供卫星高精度形变测量结果，结合星上自主几何定标，为双星数据融合提供高精度几何定标系数；遮光罩子系统位于相机外部，结合卫星自主阳光规避策略，实现对光线入射的抑制隔离。2.如权利要求1所述的广域红外点目标探测跟踪协同卫星系统，其特征在于，所述相机分系统包括红外相机、电子学处理器和制冷机；所述红外相机采用大口径深低温透射式光学系统，光学结构由多片高斯非球面透镜组成，提供0
°×0°
至25
°×
25
°
范围内任意可选的探测视场角；相机焦面由大面阵红外探测器拼接组成；所述电子学处理器用于完成红外图像的辐射校正，按照规定的数据格式生成原始图像数据，并向目标处理分系统进行传输；所述制冷机采用脉冲管制冷机，长期背阴面位于卫星-x方向，朝向深冷空间，面向深空为所述大面阵红外探测器辐射制冷。3.如权利要求1所述的广域红外点目标探测跟踪协同卫星系统，其特征在于，所述目标处理分系统包括目标检测模块、自主几何定标模块和数据融合模块；所述目标检测模块通过目标检测算法，提取红外图像中点目标的二维轨迹，自主几何定标模块通过对红外图像中的典型特征点位置进行确定，实时提供几何定标系数，数据融合模块将双星的二维平面位置信息融合为三维立体位置和速度信息，同时通过采用基于观测区域的动态优化融合分配算法，将多个目标的融合计算分配到不同卫星进行融合。4.如权利要求1所述的广域红外点目标探测跟踪协同卫星系统，其特征在于，所述任务规划分系统连接与星间网络分系统进行数据交互，包括目标威胁优先级评估模块、资源调度模块和冲突消解模块；所述目标威胁优先级评估模块根据目标处理分系统融合计算得到的点目标三维位置和速度信息，对目标优先级进行评估；所述资源调度模块按照目标优先级对其他具备协同工作能力的卫星、地面设施进行调度；当对其他资源调度发生冲突时，由冲突消解模块负责协调。5.如权利要求1-4任意一项所述的广域红外点目标探测跟踪协同卫星系统，其特征在于，所述星间网络分系统包括星间激光通信设备、星间ka相控阵通信设备和星间网络管理设备；所述星间激光通信设备用于与其他数据量交互需求大的卫星进行通信；所述星间ka通信设备用于与一般数据量需求的卫星进行通信；所述星间网络管理设备用于完成不同卫星之间通信协议的转换、星间网络的运行维护和数据传输路由。6.如权利要求1所述的广域红外点目标探测跟踪协同卫星系统，其特征在于，所述成像质量保证分系统包括角位移测量仪，其与所述相机分系统进行一体化安装，对在轨热变形和相机视轴抖动进行测量；基于光学自准直原理的光学杠杆方法，角位移测量仪发射的激光经过中央基准组件反射面反射后返回，通过实测反射光的零位以及偏移位的坐标偏差，
可分别求解相机在方位、高低方向上发生的角位移，最终得到精确的热变形数据。7.如权利要求1所述的广域红外点目标探测跟踪协同卫星系统，其特征在于，所述遮光罩子系统安装于所述相机分系统外侧，同时根据卫星自主阳光规避策略，安装时需要使其中的遮光罩的挡光一侧对准阳光入射方向；通过阳光规避策略，使遮光罩一直能够对阳光进行遮挡；所述遮光罩包括遮光薄膜和轻型可展开骨架，其在发射期间为压紧状态，以满足运载火箭整流罩空间要求；在轨运行后，所述遮光罩完成展开，具体包括：采用三维二次展开，首先利用无源驱动方式横向展开，之后利用套筒展开机构提供动力进行纵向展开。

技术总结
本发明提出一种广域红外点目标探测跟踪协同卫星系统，包括：相机分系统、目标处理分系统、任务规划分系统、星间网络分系统、成像质量保证分系统和遮光罩子系统；相机分系统用于对广域范围内进行红外点目标成像，生成包含弱红外辐射目标的广域监视范围图像，所述目标处理分系统从红外图像中提取目标的二维平面坐标，生成目标三维位置和速度，将不同的目标合理的分配到不同卫星进行数据融合；任务规划分系统根据目标三维位置，计算其他协作卫星的轨道位置、观测能力，并对其他协作卫星进行观测任务规划；星间网络分系统负责接收其他卫星提供的二维角轨迹，将其提供给目标处理分系统，同时向其他卫星发送任务规划分系统产生的协同规划等信息。划等信息。划等信息。


技术研发人员：李劲东 蔡伟 倪润立 王宇飞 幺飞
受保护的技术使用者：中国空间技术研究院
技术研发日：2022.11.22
技术公布日：2023/4/25