基于光度数据的低轨空间目标工作状态异常检测方法

汪夏; 徐灿; 张峰; 李鹏

doi:doi:10.3788/CJL202047.0304005

中国激光, 2020, 47 (3): 0304005, 网络出版: 2020-03-12

基于光度数据的低轨空间目标工作状态异常检测方法下载： 872次

Anomaly Detection Method for Working Status of Low-Orbit Space Objects Based on Photometric Data

汪夏 ¹徐灿 ^2,*张峰 ¹李鹏 ¹

作者单位

¹ 航天工程大学研究生院, 北京 101416

² 航天工程大学航天指挥学院, 北京 101416

图 & 表

图 1. 观测几何条件示意图

Fig. 1. Schematic of observation geometry

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图 2. 低轨目标观测。(a) 卫星星下点轨迹;(b) 不同窗口的观测几何条件随时间的变化

Fig. 2. Low-orbit objects observation. (a) Track of subsatellite point; (b) observation geometry of different windows varies with time

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图 3. 不同观测几何条件下的空间目标OCS曲线。(a)三轴稳定;(b)自旋

Fig. 3. OCS curves of space objects at different observation geometry. (a) Three-axis stabilization; (b) spinning

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图 4. 规整路径节点前进方向示意图

Fig. 4. Schematic of the forward direction of nodes in a warping path

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图 5. 空间目标正常工作状态示意图

Fig. 5. Schematic of space object with normal working status

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图 6. 空间目标异常工作状态示意图。(a)偏转30°;(b)偏转90°;(c)偏转130°;(d)绕Z轴自旋;(e)对日定向

Fig. 6. Schematic of space object with abnormal working status. (a) Offset of 30°; (b) offset of 90°; (c) offset of 130°; (d) spinning about body Z; (e) sun alignment with nadir constraint

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图 7. 三种空间目标模型。(a)风云;(b) GPS;(c)天宫

Fig. 7. Three space object models. (a) Fengyun; (b) GPS; (c) Tiangong

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图 8. 相似弧段相位角曲线间的DTW距离

Fig. 8. DTW distance between phase angle curves of similar access

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图 9. 典型相似弧段的相位角变化情况

Fig. 9. Typical examples of phase angle variation in similar access

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图 10. 相似弧段对应的OCS曲线间的DTW距离

Fig. 10. DTW distance between OCS curves of similar access

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图 11. 典型相似弧段的OCS变化情况

Fig. 11. Typical OCS variation of similar access

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图 12. 风云的异常工作状态检测。(a)指向异常;(b)旋转异常

Fig. 12. Abnormal working status detection of Fengyun. (a) Abnormal pointing; (b) abnormal rotation

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图 13. GPS的异常工作状态检测。(a)指向异常;(b)旋转异常

Fig. 13. Abnormal working status detection of GPS. (a) Abnormal pointing; (b) abnormal rotation

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图 14. 天宫的异常工作状态检测。(a)指向异常; (b)旋转异常

Fig. 14. Abnormal working status detection of Tiangong. (a) Abnormal pointing; (b) abnormal rotation

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表 1卫星表面材料的改进Phong模型参数

Table1. Improved Phong model parameters of some satellite surface materials

Material	ρ_d	ρ_s	α	δ	a	b
Kapton	0.0122	287.7403	4119.5696	min{π/2,δ}	1.3272	0.0933
GaSa	0.0428	23.0067	2122.5000	min{π/2,δ}	2.1124	4.8569

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表 2各工作状态对应的异常识别率

Table2. Anomaly recognition rate corresponding of each working state

Working state	Anomaly recognition rate /%
Working state	Fengyun	GPS	Tiangong	Average 1	Average 2
Type 1	92.43	72.97	80.00	81.80
Type 2	77.83	70.27	88.11	78.74
Type 3	82.70	78.92	90.81	84.14	84.68(type 1 to type 4)
Type 4	88.65	100	93.51	94.05
Type 5	98.38	91.35	99.46	96.40
Type 6	98.92	96.22	99.46	98.20	97.96(type 5 to type 7)
Type 7	100	97.84	100	99.28
Average	91.27	86.80	93.05	90.37

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汪夏, 徐灿, 张峰, 李鹏. 基于光度数据的低轨空间目标工作状态异常检测方法[J]. 中国激光, 2020, 47(3): 0304005. Wang Xia, Xu Can, Zhang Feng, Li Peng. Anomaly Detection Method for Working Status of Low-Orbit Space Objects Based on Photometric Data[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(3): 0304005.

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图 1. 观测几何条件示意图

Fig. 1. Schematic of observation geometry

图 2. 低轨目标观测。(a) 卫星星下点轨迹;(b) 不同窗口的观测几何条件随时间的变化

Fig. 2. Low-orbit objects observation. (a) Track of subsatellite point; (b) observation geometry of different windows varies with time

图 3. 不同观测几何条件下的空间目标OCS曲线。(a)三轴稳定;(b)自旋

Fig. 3. OCS curves of space objects at different observation geometry. (a) Three-axis stabilization; (b) spinning

图 4. 规整路径节点前进方向示意图

Fig. 4. Schematic of the forward direction of nodes in a warping path

图 5. 空间目标正常工作状态示意图

Fig. 5. Schematic of space object with normal working status

图 6. 空间目标异常工作状态示意图。(a)偏转30°;(b)偏转90°;(c)偏转130°;(d)绕Z轴自旋;(e)对日定向

Fig. 6. Schematic of space object with abnormal working status. (a) Offset of 30°; (b) offset of 90°; (c) offset of 130°; (d) spinning about body Z; (e) sun alignment with nadir constraint

图 7. 三种空间目标模型。(a)风云;(b) GPS;(c)天宫

Fig. 7. Three space object models. (a) Fengyun; (b) GPS; (c) Tiangong

图 8. 相似弧段相位角曲线间的DTW距离

Fig. 8. DTW distance between phase angle curves of similar access

图 9. 典型相似弧段的相位角变化情况

Fig. 9. Typical examples of phase angle variation in similar access

图 10. 相似弧段对应的OCS曲线间的DTW距离

Fig. 10. DTW distance between OCS curves of similar access

图 11. 典型相似弧段的OCS变化情况

Fig. 11. Typical OCS variation of similar access

图 12. 风云的异常工作状态检测。(a)指向异常;(b)旋转异常

Fig. 12. Abnormal working status detection of Fengyun. (a) Abnormal pointing; (b) abnormal rotation

图 13. GPS的异常工作状态检测。(a)指向异常;(b)旋转异常

Fig. 13. Abnormal working status detection of GPS. (a) Abnormal pointing; (b) abnormal rotation

图 14. 天宫的异常工作状态检测。(a)指向异常; (b)旋转异常

Fig. 14. Abnormal working status detection of Tiangong. (a) Abnormal pointing; (b) abnormal rotation

表 1卫星表面材料的改进Phong模型参数

Table1. Improved Phong model parameters of some satellite surface materials

表 2各工作状态对应的异常识别率

Table2. Anomaly recognition rate corresponding of each working state

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图 1. 观测几何条件示意图

Fig. 1. Schematic of observation geometry

图 2. 低轨目标观测。(a) 卫星星下点轨迹;(b) 不同窗口的观测几何条件随时间的变化

Fig. 2. Low-orbit objects observation. (a) Track of subsatellite point; (b) observation geometry of different windows varies with time

图 3. 不同观测几何条件下的空间目标OCS曲线。(a)三轴稳定;(b)自旋

Fig. 3. OCS curves of space objects at different observation geometry. (a) Three-axis stabilization; (b) spinning

图 4. 规整路径节点前进方向示意图

Fig. 4. Schematic of the forward direction of nodes in a warping path

图 5. 空间目标正常工作状态示意图

Fig. 5. Schematic of space object with normal working status

图 6. 空间目标异常工作状态示意图。(a)偏转30°;(b)偏转90°;(c)偏转130°;(d)绕Z轴自旋;(e)对日定向

Fig. 6. Schematic of space object with abnormal working status. (a) Offset of 30°; (b) offset of 90°; (c) offset of 130°; (d) spinning about body Z; (e) sun alignment with nadir constraint

图 7. 三种空间目标模型。(a)风云;(b) GPS;(c)天宫

Fig. 7. Three space object models. (a) Fengyun; (b) GPS; (c) Tiangong

图 8. 相似弧段相位角曲线间的DTW距离

Fig. 8. DTW distance between phase angle curves of similar access

图 9. 典型相似弧段的相位角变化情况

Fig. 9. Typical examples of phase angle variation in similar access

图 10. 相似弧段对应的OCS曲线间的DTW距离

Fig. 10. DTW distance between OCS curves of similar access

图 11. 典型相似弧段的OCS变化情况

Fig. 11. Typical OCS variation of similar access

图 12. 风云的异常工作状态检测。(a)指向异常;(b)旋转异常

Fig. 12. Abnormal working status detection of Fengyun. (a) Abnormal pointing; (b) abnormal rotation

图 13. GPS的异常工作状态检测。(a)指向异常;(b)旋转异常

Fig. 13. Abnormal working status detection of GPS. (a) Abnormal pointing; (b) abnormal rotation

图 14. 天宫的异常工作状态检测。(a)指向异常; (b)旋转异常

Fig. 14. Abnormal working status detection of Tiangong. (a) Abnormal pointing; (b) abnormal rotation

表 1卫星表面材料的改进Phong模型参数

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表 2各工作状态对应的异常识别率

Table2. Anomaly recognition rate corresponding of each working state

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