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随着太空环境被逐步开发,空间目标态势感知及相关领域成为了研究的热点,其中包括对空间目标的种类、形状、轨道、姿态等信息的反演研究,而姿态信息尤为重要。论文针对实际应用中,天基系统对非合作空间目标进行远距离观测下的姿态反演问题,考虑了空间目标长期在轨运行时表面材料受辐照效应而退化的因素,构造了多级余弦函数加权的双向反射分布函数(BRDF)模型来表征辐照前后材料的光学反射特性,并基于时序光谱信号推导了分级求解目标表面特性参数及姿态参数的数学模型和方法,利用遗传算法对姿态信息进行了估计,最后通过实验对算法进行了验证。论文的具体研究内容如下:(1)对空间目标所处的太空环境进行了调研,并分析了其表面受辐照效应导致的材料损伤,通过地面辐照试验模拟了长期在轨运行下材料样片表面的退化,测量了辐照前后材料的光谱BRDF;构造余弦函数加权的BRDF模型对实测BRDF数据进行拟合,由此确立了姿态反演的前提条件和基础。(2)通过结合数学模型和优化算法,推导了姿态求解的分级反演原理:第一级,在三轴稳定状态下建立融合帆板在轨动态特性的双面模型,引入余弦加权的BRDF模型表征材料的反射特性,以时序光谱信号为输入重构每个光谱波段对应的双面模型参数;第二级,为了抑制双面耦合特性对姿态反演的影响,构建双面反射特性差异度,基于差异度最大优选最优谱段;第三级,在目标姿态运动状态下,基于最优谱段下的双面模型参数构建时序光谱信号模型,利用遗传算法对姿态参数进行估计。(3)综合考虑卫星模型的几何结构、卫星轨道、背景辐射等因素,并结合辐照前后材料的BRDF建模数据,基于辐射度学推导时序光谱信号模型,采用微面元分析方法分别对空间目标辐照前后的时序光谱信号进行仿真,并对姿态进行反演以对算法进行验证。着重分析了噪声对姿态反演的影响,确定了算法的边界。(4)基于实验室环境自主搭建了测量平台,对卫星模型反射的光度信号进行了测量,并根据实测数据对算法进行了验证。