專利名稱：地基光電望遠(yuǎn)鏡的空間目標(biāo)快速捕獲定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種天文觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種地基光電望遠(yuǎn)鏡的空間目標(biāo)快速捕獲定位方法。
背景技術(shù)：
科學(xué)技術(shù)及世界范圍內(nèi)國(guó)家間的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)質(zhì)上是資源的競(jìng)爭(zhēng)，資源的外延無(wú)限擴(kuò)展，現(xiàn)在己由地面、空中進(jìn)而發(fā)展到宇宙空間。隨著人類對(duì)空間技術(shù)開(kāi)發(fā)利用的規(guī)模不斷擴(kuò)大，空間日益成為軍事、政治斗爭(zhēng)的主要焦點(diǎn)，維護(hù)國(guó)家安全的“戰(zhàn)略高地”。而空間監(jiān)視預(yù)警能力、空間部署能力和空間攻防能力是衡量ー個(gè)國(guó)家空間作戰(zhàn)能力的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其中，空間目標(biāo)的探測(cè)與監(jiān)測(cè)將發(fā)揮基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性的作用。 自20世紀(jì)60年代以來(lái)，地基空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)一直是世界各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的航天測(cè)控系統(tǒng)之一。與雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)相比，光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、直觀性強(qiáng)、技術(shù)成熟、投資成本低、能夠?qū)臻g目標(biāo)進(jìn)行有效搜索和跟蹤等優(yōu)點(diǎn)，而且采用光學(xué)定位空間目標(biāo)的方法作為ー種被動(dòng)、無(wú)源的探測(cè)手段在戰(zhàn)時(shí)不會(huì)受到嚴(yán)重影響，這ー特點(diǎn)具有極高的軍事應(yīng)用價(jià)值。照相定位法在天文學(xué)上的應(yīng)用是現(xiàn)代天文史上的劃時(shí)代事件，也是普遍使用的空間目標(biāo)定位方法，它需要長(zhǎng)時(shí)間的繪圖與測(cè)量，而且專業(yè)性較強(qiáng)。與照相底片相比，采用CCD器件具有更多的優(yōu)勢(shì)，尤其是具有電子增強(qiáng)功能的CCD，量子效率更高，CCD可以在短時(shí)間內(nèi)觀測(cè)到較暗的星像；(XD器件線性動(dòng)態(tài)范圍比照相底片高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，使亮、暗星的星等差更大；減少了照相觀測(cè)中多級(jí)參考星的使用次數(shù)；另外，采用CCD器件無(wú)需沖洗和測(cè)量，可以方便地讀取原始圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種地基光電望遠(yuǎn)鏡的空間目標(biāo)快速捕獲定位方法，該方法通過(guò)采用電子增強(qiáng)型CCD為探測(cè)器件，可根據(jù)背景恒星的信息通過(guò)星圖識(shí)別的方式對(duì)未知空間目標(biāo)進(jìn)行快速測(cè)量定位。本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下步驟ー采集望遠(yuǎn)鏡當(dāng)前的編碼器和時(shí)統(tǒng)信息，利用天文定位三角形和已知測(cè)站的天文坐標(biāo)，計(jì)算望遠(yuǎn)鏡視軸在天球坐標(biāo)系中的指向；步驟ニ 依據(jù)望遠(yuǎn)鏡的視軸指向和視場(chǎng)大小，在星表中提取視軸指向附近天區(qū)的導(dǎo)航星，根據(jù)星對(duì)角距識(shí)別特征構(gòu)建局部天區(qū)的特征數(shù)據(jù)庫(kù)；步驟三望遠(yuǎn)鏡拍攝的多幀連續(xù)圖像經(jīng)過(guò)能量累加和閾值處理，依據(jù)空間目標(biāo)與恒星背景的運(yùn)動(dòng)特征，捕獲到空間目標(biāo)；步驟四采集望遠(yuǎn)鏡拍攝的包含未知空間目標(biāo)及恒星背景的實(shí)時(shí)圖像，提取圖像中特征量，結(jié)合局部天區(qū)的特征數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)局部星圖識(shí)別方法識(shí)別圖像中的星像點(diǎn)；步驟五建立圖像中的星像點(diǎn)與星表中導(dǎo)航星的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，修正對(duì)應(yīng)導(dǎo)航星從星表中的標(biāo)準(zhǔn)歷元平位置到視位置；步驟六根據(jù)空間目標(biāo)與已識(shí)別的星像點(diǎn)在望遠(yuǎn)鏡成像模型中的角距匹配，建立并求解方程組，得到空間目標(biāo)的位置坐標(biāo)。本發(fā)明的有益效果是1.根據(jù)目標(biāo)與恒星的運(yùn)動(dòng)特征，能夠快速捕獲目標(biāo)；2.嵌入局部星圖識(shí)別算法，雖然增加了方法的復(fù)雜度，但是采用局部星圖識(shí)別，能夠明顯提高識(shí)別速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知空間目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位；3.通過(guò)多星定位未知空間目標(biāo)，不受望遠(yuǎn)鏡軸系誤差的影響；4.定位過(guò)程中，數(shù)據(jù)無(wú)需在各坐標(biāo)系之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，減少計(jì)算過(guò)程帶來(lái)的誤差，提 高了定位精度；5.存在多個(gè)星像點(diǎn)被識(shí)別時(shí)，采用最小二乗法，提高了空間目標(biāo)的定位精度。
圖1為天文定位三角形示意圖。圖2為天文定位原理示意圖。圖3為恒星由標(biāo)準(zhǔn)歷元平位置向視位置的轉(zhuǎn)換。圖4為兩顆星確定空間目標(biāo)位直不意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步詳細(xì)說(shuō)明。地基光電望遠(yuǎn)鏡的空間目標(biāo)快速捕獲定位方法，該方法包括如下步驟步驟ー采集望遠(yuǎn)鏡當(dāng)前的編碼器和時(shí)統(tǒng)信息，已知測(cè)站的天文坐標(biāo)，利用天文定位三角形計(jì)算望遠(yuǎn)鏡視軸在時(shí)角坐標(biāo)系中的指向，進(jìn)而得到視軸在天球坐標(biāo)系中的指向；圖1所示為天文定位三角形，0為測(cè)站，Z為天頂，P為北天扱，O為視軸在天球坐標(biāo)系中的指向，已知測(cè)站天文緯度A由定位三角形可得地平式光電望遠(yuǎn)鏡視軸指向的時(shí)角t、赤緯5，三個(gè)公式是為了判斷時(shí)角t的象限。
cos5 sin / = - sin 4 cos h■I cos 5 -cos/ = sin h cos …―sin cp cos A. cos Asin 5 - sin cp sin E + cos <p cos E ■ cos A其中，A、E——望遠(yuǎn)鏡的方位角、高低角編碼器，此處方位角以北點(diǎn)起算；(P——測(cè)站的天文緯度； t、S——光軸指向的時(shí)角、視赤緯；時(shí)角與測(cè)站天文經(jīng)度、視赤經(jīng)之間的關(guān)系如下/ =ベ,+(/.)-§")(1 +パ)vX-aS0-世界時(shí)零點(diǎn)時(shí)的真恒星時(shí)；
u——民用時(shí)化恒星時(shí)系數(shù)，為0. 00273791 ；D——北京標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(h，m, s)；入——測(cè)站的天文經(jīng)度；a——視軸指向的視赤經(jīng)。假設(shè)望遠(yuǎn)鏡編碼器的誤差可忽略不計(jì)，經(jīng)過(guò)上述公式計(jì)算，可得望遠(yuǎn)鏡視軸指向的赤經(jīng)和赤纟韋(a、S )。步驟ニ 為加快導(dǎo)航星的檢索速度，依據(jù)望遠(yuǎn)鏡的視軸指向和采集視場(chǎng)大小，在星表中提取視軸指向附近天區(qū)的導(dǎo)航星，考慮到各種不確定度，擴(kuò)大望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)所能覆蓋的天區(qū)范圍，根據(jù)星對(duì)角距識(shí)別特征構(gòu)建局部天區(qū)的特征數(shù)據(jù)庫(kù)；得到望遠(yuǎn)鏡視軸的指向(a、S )后，就能夠?qū)⒕植啃菆D識(shí)別捜索的范圍限定在某個(gè)局部天區(qū)，根據(jù)視軸指向和視場(chǎng)大小，提取星表中的導(dǎo)航星，構(gòu)建局部特征庫(kù)?？紤]到各種誤差的影響，采用拓寬視場(chǎng)的方法，即擴(kuò)大天區(qū)的范圍，提取更大天區(qū)內(nèi)的導(dǎo)航星，構(gòu)建局部天區(qū)的特征庫(kù)。具體做法如下將星表中的導(dǎo)航星按赤緯8由小到大升序排列，建立導(dǎo)航星赤緯8與導(dǎo)航星序號(hào)之間的映射關(guān)系H(X)。為加快對(duì)導(dǎo)航星的檢索速度，遍歷每一顆導(dǎo)航星，記錄與之星角距在1. 4倍視場(chǎng)大小內(nèi)的導(dǎo)航星星號(hào)，組成鄰星序列A ;同吋，記錄該顆導(dǎo)航星的鄰星序列在A中的起始和結(jié)束地址，組成鄰星索引序列B。以視軸指向作為輸入，代入映射關(guān)系式H(X)，用其定位與視軸指向距離最近的導(dǎo)航星，通過(guò)查詢序列A和序列B，檢索出導(dǎo)航星附近的鄰星，與導(dǎo)航星一并記入序列C，運(yùn)用下式計(jì)算序列C中各星之間的星角距，構(gòu)成局部識(shí)別特征庫(kù)。
權(quán)利要求
1.地基光電望遠(yuǎn)鏡的空間目標(biāo)快速捕獲定位方法，其特征在于，該方法包括如下步驟步驟一采集望遠(yuǎn)鏡當(dāng)前的編碼器和時(shí)統(tǒng)信息，利用天文定位三角形和已知測(cè)站的天文坐標(biāo)，計(jì)算望遠(yuǎn)鏡視軸在天球坐標(biāo)系中的指向；步驟二 依據(jù)望遠(yuǎn)鏡的視軸指向和視場(chǎng)大小，在星表中提取視軸指向附近天區(qū)的導(dǎo)航星，根據(jù)星對(duì)角距識(shí)別特征構(gòu)建局部天區(qū)的特征數(shù)據(jù)庫(kù)；步驟三望遠(yuǎn)鏡拍攝的多幀連續(xù)圖像經(jīng)過(guò)能量累加和閾值處理，依據(jù)空間目標(biāo)與恒星背景的運(yùn)動(dòng)特征，捕獲到空間目標(biāo)；步驟四采集望遠(yuǎn)鏡拍攝的包含未知空間目標(biāo)及恒星背景的實(shí)時(shí)圖像，提取圖像中特征量，結(jié)合局部天區(qū)的特征數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)局部星圖識(shí)別方法識(shí)別圖像中的星像點(diǎn)；步驟五建立圖像中的星像點(diǎn)與星表中導(dǎo)航星的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，修正對(duì)應(yīng)導(dǎo)航星從星表中的標(biāo)準(zhǔn)歷元平位置到視位置；步驟六根據(jù)空間目標(biāo)與已識(shí)別的星像點(diǎn)在望遠(yuǎn)鏡成像模型中的角距匹配，建立并求解方程組，得到空間目標(biāo)的位置坐標(biāo)。
2.如權(quán)利要求1所述的地基光電望遠(yuǎn)鏡的空間目標(biāo)快速捕獲定位方法，其特征在于， 所述局部星圖識(shí)別方法包括如下步驟已知望遠(yuǎn)鏡所在測(cè)站的天文坐標(biāo)，采集望遠(yuǎn)鏡的編碼器角度值和時(shí)統(tǒng)信息，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻望遠(yuǎn)鏡視軸在天球坐標(biāo)系中的指向，從星表中提取視軸指向附近天區(qū)的導(dǎo)航星，構(gòu)建局部特征庫(kù)，并以此為依據(jù)識(shí)別實(shí)時(shí)圖像中的星像點(diǎn)。
全文摘要
地基光電望遠(yuǎn)鏡的空間目標(biāo)快速捕獲定位方法涉及一種天文觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，該方法可根據(jù)背景恒星的信息通過(guò)星圖識(shí)別的方式對(duì)未知空間目標(biāo)進(jìn)行快速測(cè)量定位。該方法包括如下步驟計(jì)算望遠(yuǎn)鏡視軸指向；構(gòu)建局部特征庫(kù)；未知空間目標(biāo)的確定及捕獲；局部星圖識(shí)別；修正恒星位置；定位空間目標(biāo)。本發(fā)明能夠快速捕獲目標(biāo)；嵌入局部星圖識(shí)別算法，采用局部星圖識(shí)別，能夠明顯提高識(shí)別速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知空間目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位；通過(guò)多星定位未知空間目標(biāo)，不受望遠(yuǎn)鏡軸系誤差的影響；數(shù)據(jù)無(wú)需在各坐標(biāo)系之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，提高了定位精度；存在多個(gè)星像點(diǎn)被識(shí)別時(shí)，采用最小二乘法，提高了空間目標(biāo)的定位精度。
文檔編號(hào)G01C21/02GK103017762SQ20121056277
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者張磊, 梁國(guó)龍, 郭敬明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所