適用于近場目標成像的空間坐標系建立方法與流程

本發明涉及VLBI空間探測器成像領域，尤其涉及一種適用于近場目標成像的空間坐標系建立方法及成像方法。
背景技術：
：在傳統的VLBI(VeryLongBaselineInterferometry，甚長基線干涉測量技術)技術中，VLBI成像技術只對河外射電源成像并獲取其位置，同時，近十年來，國內外試驗性應用該技術將月球、火星、土星、金星等太陽系探測器的位置精度提高至毫角秒(mas)量級甚至更高并開展了相關的科學研究。現有的一種適用于河外射電源的坐標系建立關系方程為：uvw=Bλ·cosδb·sin(Hs-Hb)sinδb·cosδs-cosδb·sinδs·cos(Hs-Hb)sinδb·sinδs+cosδb·cosδs·cos(Hs-Hb)---(5)]]>公式(5)中，B為基線的長度，λ為觀測波長，Hb、δb分別為基線矢量的赤經與赤緯值，Hs、δs分別為射電源的赤經與赤緯值。u、v、w為河外射電源在UVW坐標系中目標的坐標分量。現有的另一種適用于空間探測器uvw坐標值的計算方案為：公式(6)中，τ1、τ2、τ′1、τ′2為時延，u、v為UVW坐標系中的u、v坐標分量。其中u、v的具體數值計算方法為：先在某一方向或θ上移動一個小的方向偏差或Δθ，該方向偏差將引起時延偏差Δτ或Δτ′，則:但傳統的VLBI技術通常只針對河外射電源等距離地球非常遙遠的目標，對于太陽系內的空間探測器，尤其是近地目標，并不適用。現有的河外射電源的UVW直角坐標系的建立方法，由于是針對于在天球中位置幾乎不變的河外射電源，因此其W軸在天球坐標系中的指向不變，也即UV平面始終是一個沒有旋轉變化的平面；同時，由于河外射電源距離地球非常遙遠，其位置坐標退化為只能以2個角位置量(赤經、赤緯)在天球中描述，因此，地球上任何位置觀測到射電源的方向是相同的。但空間探測器在天球坐標系中卻處于不斷的變化運動中，這就造成W軸的指向處于不斷變化之中，且需3個量(赤經、赤緯、距離)來描述探測器在球面坐標系，因此，現有的河外射電源的UVW坐標系的建立方法對空間探測器的適用性仍有待研究。同時，根據公式(7)，在現有的適用于空間探測器UVW坐標系的建立方案中并未對因探測器與地球之間的距離誤差的影響進行分析。該誤差將影響對目標的VLBI成像質量及所求位置精度。目前尚缺乏一種精確度高的空間探測器的空間坐標系建立方法，以適用于VLBI對距離地球較近的空間目標精確成像。技術實現要素：針對上述現有技術中的不足，本發明提供一種適用于近場目標成像的空間坐標系建立方法，實現了對距離地球距離較近的空間探測器或其他近場目標建立空間坐標系為VLBI成像提供基礎，并具有精確度高、適用于近場目標的優點。為了實現上述目的，本發明一方面提供一種適用于近場目標成像的空間坐標系建立方法，包括步驟：S11：設定多個觀測站；S12：所述多個觀測站接收同一預設觀測任務，并根據所述預設觀測任務內容觀測一被測目標，同時采集所述被測目標的信號數據；S13：所述多個觀測臺將各自采集到的所述信號數據發送給一數據處理中心；S14：獲取各所述觀測站和所述被觀測目標的位置坐標，以及所述被測目標發射信號的觀測波長；S15：構建一空間直角坐標系的UVW坐標軸，所述UVW坐標軸的一W軸由地心指向被測目標，所述UVW坐標軸的一V軸在所述W軸與地球自轉軸所構成的平面內垂直于所述W軸且指向北天極方向，所述UVW坐標軸的一U軸、所述V軸和所述W軸構成右手直角坐標系；S16：所述數據處理中心根據所述信號數據計算獲得所述被測目標在所述空間直角坐標系中的空間坐標值(u,v,w)，其中u、v、w為所述被測目標在所述空間直角坐標系中的坐標分量；且u、v、w滿足公式(1)和公式(2)：u=ρλ·D2·U2-ρλ·D1·U1;v=ρλ·D2·V2-ρλ·D1·V1;Ui=(xi-X0,yi-Y0,zi-Z0)·(-sinα,cosα,0);Vi=(xi-X0,yi-Y0,zi-Z0)·(cos(π2-δ)cos(π+α),cos(π2-δ)sin(π+α),sin(π2-δ));Di=|ρi→|,(i=1,2)---(1)]]>w=±(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2-u2-v2λ---(2)]]>其中，λ為所述觀測波長；xi、yi、zi分別是第i觀測站在一地心天球直角坐標系中的坐標分量，i＝1,2；X0、Y0、Z0分別是被測目標在所述地心天球直角坐標系中的坐標分量；ρ、α、δ分別為被測目標在所述地心天球坐標系中的球面坐標分量；為所述地心天球直角坐標系中第i觀測站至被測目標坐標(X0,Y0,Z0)的位置矢量。進一步地，還包括步驟S17：根據公式(3)評估位置誤差σα,δ，公式(3)：σα,δ=w′·λ·ΔρBuvBuv=(u·cosδ+v)·λw′=1λ·D2·W2′-1λ·D1·W1′Wi,=(xi-X0,yi-Y0,zi-Z0)·(cosδcosα,cosδsinα,sinδ)i=1,2---(3)]]>其中，Δρ為地心至所述被觀測目標的距離誤差。進一步地，包括步驟：根據所述信號數據獲得所述被測目標的VLBI圖像。進一步地，所述信號數據獲得所述被測目標的VLBI圖像步驟包括：S21：所述數據處理中心根據所述信號數據構建一UVW空間可見度函數；S22：對所述UVW空間可見度函數進行校準；S23：根據所述被測目標在所述空間直角坐標系中的空間坐標分量u和v的數值，將校準后的所述UVW空間可見度函數排布至一UV平面上，UV平面為所述U軸與所述V軸構成的平面，獲得一UV平面可見度函數V(u,v)；S24：對所述UV平面可見度函數V(u,v)進行離散采樣獲得采樣數據；S25：將所述采樣數據代入一公式(4)后，即可獲得所述被測目標的亮度分布函數：I(l,m)＝∫∫V(u,v)ej2π(ul+vm)dudv(4)其中，l,m分別為所述被測目標方向的單位矢量在所述空間直角坐標系的U軸、V軸上的投影分量；S26：根據所述被測目標的亮度分布函數獲得所述被測目標的VLBI圖像。由于本發明采用了以上技術方案，使其具有以下有益效果：根據u、v、w滿足數學模型，實現了本發明對近場目標建立空間直角坐標系并對近場目標在該空間直角坐標系內定位，并具有精度高的特點，為近場目標的成像提供了基礎。根據公式(3)，為對近場目標的位置誤差評估提供依據。本發明的成像方法實現了對近場目標的精確成像。附圖說明圖1為本發明實施例的一種適用于近場目標成像的空間坐標系建立方法的流程圖；圖2為本發明實施例的根據所述信號數據獲得所述被測目標的VLBI圖像步驟的流程圖；圖3為本發明實施例的近場目標的成像過程中火星快車觀測中的u、v覆蓋圖；圖4為本發明實施例的近場目標的成像過程中被測目標火星快車的成像結果。具體實施方式下面根據附圖1-4，給出了本發明的一個較佳實施例，并予以詳細描述，以輔助更好地理解本發明的功能、特點。請參閱圖1，本發明的一種適用于近場目標成像的空間坐標系建立方法，包括步驟：S11：設定多個觀測站；S12：多個觀測站接收同一預設觀測任務，并根據預設觀測任務內容觀測一被測目標，同時采集被測目標的信號數據；S13：多個觀測臺將各自采集到的信號數據發送給一數據處理中心；S14：獲取各觀測站和被觀測目標的位置坐標，以及被測目標發射信號的觀測波長；S15：構建一空間直角坐標系的UVW坐標軸，UVW坐標軸的一W軸由地心指向被測目標，述UVW坐標軸的一V軸在W軸與地球自轉軸所構成的平面內垂直于W軸且指向北天極方向，UVW坐標軸的一U軸、V軸和W軸構成右手直角坐標系；S16：數據處理中心根據信號數據計算獲得被測目標在空間直角坐標系中的空間坐標(u,v,w),其中u、v、w為被測目標在空間直角坐標系中的坐標分量；且u、v、w滿足公式(1)和公式(2)：w=±(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2-u2-v2λ---(2)]]>其中，λ為觀測波長；xi、yi、zi分別是第i觀測站在一地心天球直角坐標系中的坐標分量，i＝1,2；X0、Y0、Z0分別是被測目標在地心天球直角坐標系中的坐標分量；ρ、α、δ分別為被測目標在地心天球坐標系中的球面坐標分量；為第i觀測站在地心天球直角坐標系中至被測目標坐標(X0,Y0,Z0)的位置矢量。進一步地，還包括步驟S17：根據公式(3)評估位置誤差σα,δ，公式(3)為：σα,δ=w′·λ·ΔρBuvBuv=(u·cosδ+v)·λw′=1λ·D2·W2′-1λ·D1·W1′Wi,=(xi-X0,yi-Y0,zi-Z0)·(cosδcosα,cosδsinα,sinδ)i=1,2---(3)]]>本發明中u、v、w滿足公式(1)和公式(2)的推導過程如下：首先，根據現有的對于河外射電源其時延的計算公式為：τg=-B·cosθc=-Bc[sinδbsinδsou+cosδbcosδscos(αb-αsou)]---(8)]]>式中，θ為基線矢量與觀測的河外射電源方向的夾角，(αsou,δsou)為射電源的赤經、赤緯，(αb,δb)為基線的赤經、赤緯值，B為基線長度，c為光速。τg為待求河外射電源時延。對公式(8)兩邊同乘以2πf,然后關于(αsou,δsou)求一階偏導并結合公式(5)，可得：Δφ=2π(ul+vm)=2πf∂τg∂αdα+2πf∂τg∂δdδ=2π-Bλ{(sinδbcosδsou-cosδbsinδsoucos(αb-αsou))}·Δδ+2π-Bλcosδbcosδsousin(αb-αsou)·Δα=-2π(u·cosδsou·Δα+v·Δδ)]]>式中，Δφ＝2πf·dτg,dτg為由目標位置誤差造成的時延，f為觀測頻率，λ為觀測波長。Δφ為由于目標位置誤差造成的相位。因此，與河外射電源計算方法的推導類似，可以提出適用于近場目標(如：空間探測器)的計算方法。對于太陽系以內的目標，時延的計算公式為：τg=|ρ2→|-|ρ1→|c=Bc·|ρ2→|-|ρ1→||ρ2→-ρ1→|---(9)]]>式中，為第i個觀測站(xi.yi,zi)至目標源(X0，Y0，Z0)的位置矢量，i＝1，2，為基線的長度。將被被測目標的直角坐標(X0，Y0，Z0)化為對應的球面坐標(ρ，α，δ)，然后代入公式(9)中，最后對公式(9)關于球面坐標(ρ，α，δ)求一階偏導并乘以2πf得：Δφ=2π(ul+vm+w′·Δρ)=2πf·(∂τg∂αdα+∂τg∂δdδ+∂τg∂ρdρ)=-2π(u·cosδsou·Δα+v·Δδ+w′·Δρ)---(10)]]>式中，Δφ＝2πf·dτg，f為觀測頻率，u,v,w′的計算公式如下：u=ρλ·D2·U2-ρλ·D1·U1;v=ρλ·D2·V2-ρλ·D1·V1;w′=1λ·D2·W2′-1λ·D1·W1′Ui=(xi-X0,yi-Y0,zi-Z0)·(-sinα,cosα,0);Vi=(xi-X0,yi-Y0,zi-Z0)·(cos(π2-δ)cos(π+α),cos(π2-δ)sin(π+α),sin(π2-δ));Wi,=(xi-X0,yi-Y0,zi-Z0)·(cosδcosα,cosδsinα,sinδ)Di=|ρi→|,(i=1,2)---(11)]]>公式(11)中，λ為觀測波長，(xi,yi,zi)為VLBI觀測站的坐標，(X0,Y0,Z0)為被觀測目標在地心天球直角坐標系中的坐標，該量通過定軌(確定天體運行軌跡)獲得。(ρ，α，δ)為與(X0,Y0,Z0)所對應的球面坐標。從公式(11)中可以看出，的方向由地心指向被觀測目標，與W軸的定義一致；在W與Z軸所構成的平面內且指向赤緯增加的方向，與V軸定義一致；與正交。所以為本發明中所采用的UVW空間直角坐標系的U、V、W軸的單位矢量。因此，公式(11)中u,v表達式是近場目標(如：探測器)的uv值的表達式，但公式(11)中w′并非其w的表達式。公式(11)中w′滿足以下關系：w′·λ＝(cosθ2-cosθ1)(11)式中，θi＝1,2為觀測站i至被觀測目標的方向與地心至被觀測目標方向的夾角。當ρ0趨向于無窮大時，D1＝D2＝ρ，式(10)中的w′趨向于0；u,v值趨向于以波長表示的基線矢量在UVW空間直角坐標系中的傳統u,v值，即，u,v值為以波長表示的基線在UV平面上的投影，因此，本發明定義公式(11)中的u,v為基線矢量在UVW空間直角坐標系中的UV值。同時，為保持與傳統UVW坐標系中w計算的統一，且保持基線矢量長度不變，因此定義近場目標w的計算方法為：w=±(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2-u2-v2λ]]>式中，w的正負號與式(9)中τg的正負號一致。從式(10)可以看出，若對空間探測器進行VLBI成像定位時，忽略w′·Δρ項，此時應該結合式(11)衡量該項引起的誤差，其引起的位置誤差σα,δ為：σα,δ=w′·λ·ΔρBuv]]>其中，Buv＝(u·cosδ+v)·λ。對于地月距離，式(11)中的w′·λ最大約為1.4×10-4m，通常在10-5m量級，隨著距離的增加，w′也將減小，所以可根據具體情況決定w′項的取舍。例如，對于中國VLBI網而言，當近場目標(如：探測器)的地心距存在偏差Δρ＝104m，軌道位置偏差在10"(10,000,000uas(微角秒))時，在忽略高階項的情況下，對于地月距離，舍棄w′項引起的位置誤差約為7.09usa，對于uas(微角秒)量級的測量而言，此時就應該考慮w′的影響。若在VLBI成像的同時，也提供對近場目標的測速、測距數據，則可先將w′·Δρ從可見度函數中扣除，如此在理論上可提高成像的圖像質量，然后在進行VLBI成像，最終實現高精度探測器定位。若未提供被觀測目標的測速、測距數據，且探測器位于空間中某天體的表面時，可采用如下策略，實現近場目標的高精度定位：(1)取公式(10)中Δρ＝0，此時可求得一組赤經、赤緯的偏差。(2)根據步驟(1)求得的赤經、赤緯差，并以天體的表面為約束條件，計算此時的Δρ，Δρ為目標存在位置偏差所對應的徑向距離差。舉例說明如何以天體表面為約束條件：假定A位于月球上，其位置存在一個微小偏差時，對應的赤經偏差為a、赤緯偏差為b，距離偏差為Δρ；通過求得的a、b獲得A改正后的方向矢量，該矢量的終點約束在月球表面上，這樣就可求得A改正后的位置相對于其改正前的徑向距離差Δρ。(3)將步驟(2)求得的Δρ代入公式(10)，此時又可求得一組赤經、赤緯差。重復步驟(2)、(3)，直至兩次求得的Δρ的差滿足一定條件為止。即：先后兩次求得的Δρ的差異小于指定的閾值，比如1毫米，具體應根據具體情況設定。本發明針對河外射電源uvw計算方法不適用于空間探測器等近場目標的缺點，提出了一種適用于空間探測器uvw的計算方法，該方法有助于采用VLBI對空間探測器等近場目標高精度成像定位。根據u、v、w滿足的數學模型，實現了本發明可對近場目標建立空間直角坐標系并對近場目標在該空間直角坐標系內定位，并具有精度高的特點，為近場目標的成像提供了基礎。本發明針對提出的適用于空間探測器uvw的計算方法中關于能否忽略探測器至地心的距離誤差的問題進行了深入的探討，并提供了相關的估算算法，以輔助判斷是否可忽略探測器至地心的距離誤差對VLBI成像定位的影響。根據位置誤差公式，為近場目標的誤差評估提供依據。請參閱圖2，進一步地，還包括步驟根據信號數據獲得被測目標的VLBI圖像，具體進一步包括步驟：S21：數據處理中心根據信號數據構建一UVW空間可見度函數；S22：對UVW空間可見度函數進行校準；S23：根據被測目標在空間直角坐標系中的空間坐標分量u和v的數值，將校準后的UVW空間可見度函數排布至一UV平面，UV平面為U軸與V軸構成的平面，獲得一UV平面可見度函數V(u,v)；S24：對UV平面可見度函數V(u,v)進行離散采樣獲得采樣數據；S25：將采樣數據代入一公式(4)后，對公式(4)進行傅里葉變換，獲得被測目標的亮度分布函數：I(l,m)＝∫∫V(u,v)ej2π(ul+vm)dudv(4)其中，l,m分別為被測目標方向的單位矢量在空間直角坐標系的U軸、V軸上的投影分量；當地球與被觀測目標的距離較遠，被觀測目標較小，l,m將近似為角位置偏差。公式(4)為亮度分布函數，通過公式(4)可得到目標圖像的每個像素點的亮度，這些點的集合就構成了目標的VLBI圖像。S26：根據被測目標的亮度分布函數獲得被測目標的VLBI圖像。例如：以2015年01月05日對火星快車探測器(MarsExpress，MEX)為例簡要說明成像過程。此次參加觀測的VLBI測站有5個：上海的觀測站、北京的觀測站、昆明的觀測站、烏魯木齊的觀測站以及俄羅斯的一個觀測站。依據MEX在各時刻點的位置坐標、觀測站坐標及式(11)求得u、v值，u、v值的關系圖(UV平面)如圖3所示。該關系圖中橫軸為u值，縱軸為v值，單位均為106個波長。由于u、v值與可見度函數V(u,v)是一一對應的，即有一組(u，v)就對應一個可見度函數，因此可將關系圖中每對(u，v)點上放置對應的可見度函數度V(u,v)。對圖3中的UV平面上的可見度函數V(u,v)離散采樣，并進行離散傅里葉變換(式(4))即可得到MEX的圖像(參見圖4)，并可獲得毫角秒的定位精度。圖中橫坐標為l軸、縱橫坐標為m軸，單位均為毫角秒。需要說明的是以上提到的可見度函數應先進行必要的數據校準，修正可見度函數V(u,v)的相位與幅度誤差。本發明的成像方法實現了對近場目標的精確成像。以上所述的，僅為本發明的較佳實施例，并非用以限定本發明的范圍，本發明的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據本發明申請的權利要求書及說明書內容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發明專利的權利要求保護范圍。當前第1頁1 2 3