一種基于光電觀測(cè)的空間物體尺度獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于地基光電觀測(cè)領(lǐng)域，公開了一種基于光電觀測(cè)的空間物體尺度獲取方法，方法包括以下步驟：觀測(cè)獲取高精度的空間物體光度信息；軌道計(jì)算獲取光度校正參量；空間物體光度校正處理；空間物體尺度計(jì)算。本方法克服了雷達(dá)手段對(duì)中高軌空間物體觀測(cè)能力的不足，提出了利用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)系統(tǒng)獲取中高軌空間物體光學(xué)尺寸的方法，獲取表征其尺寸大小的參數(shù)－光學(xué)散射截面（Opticalcrosssection），由于光學(xué)波段比無(wú)線電波段長(zhǎng)短，且對(duì)邊角不敏感，該方法相對(duì)無(wú)線電手段可以精確獲取空間物體的尺度。本發(fā)明能夠快速推廣應(yīng)用至我國(guó)現(xiàn)有的地基光電探測(cè)設(shè)備上，無(wú)需硬件改動(dòng)即可形成一定的空間物體尺度確定能力。
【專利說(shuō)明】-種基于光電觀測(cè)的空間物體尺度獲取方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于地基光電觀測(cè)領(lǐng)域，涉及一種空間物體尺度獲取方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 尺度大小是空間物體的一個(gè)重要物理特征，國(guó)際上現(xiàn)在一般用雷達(dá)散射截面 (Radar cross section, RCS)來(lái)表征空間物體的大小。但雷達(dá)觀測(cè)的波段較長(zhǎng)，雷達(dá)散射 截面與目標(biāo)結(jié)構(gòu)、雷達(dá)的工作頻率、入射場(chǎng)極化形式、接收天線極化形式、空間物體的姿態(tài) 等許多因素有關(guān)，且對(duì)邊角敏感，容易在空間物體的邊角處形成大值，不能很好表征空間物 體的真實(shí)尺度。同時(shí)，由于雷達(dá)的探測(cè)信號(hào)強(qiáng)度與距離的四次方成正比，要受到地面雜波和 大氣損耗的影響，以及自身功率和工作波長(zhǎng)的限制，一般很難使用雷達(dá)實(shí)現(xiàn)中高軌空間物 體的測(cè)量。因此可以利用光學(xué)觀測(cè)波段短、被動(dòng)接受、探測(cè)距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，更加精確的獲取 表征空間物體尺度的特征參量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本方法克服了雷達(dá)探測(cè)中高軌空間物體的不足，提出了利用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)系 統(tǒng)獲取中高軌空間物體光學(xué)尺寸的方法，獲取表征其尺寸大小的參數(shù)一光學(xué)散射截面 (Optical cross section),由于光學(xué)波段比無(wú)線電波段長(zhǎng)短，且對(duì)邊角不敏感，該方法相 對(duì)無(wú)線電手段可以精確獲取空間物體的尺度。
[0004] 所述方法包括以下步驟：
[0005] 步驟一：觀測(cè)獲取高精度的空間物體的光度信息
[0006] (1)拍攝光度標(biāo)定輔助圖像：本底圖像、平場(chǎng)圖像、標(biāo)準(zhǔn)星圖像；
[0007] (2)拍攝空間物體的光度信息；
[0008] (3)對(duì)圖像進(jìn)行校正（本底改正和平場(chǎng)改正），提高信噪比；
[0009] (4)孔徑測(cè)光，證認(rèn)圖像中的觀測(cè)目標(biāo)，計(jì)算目標(biāo)的半高全寬；
[0010] (5)計(jì)算空間物體的儀器星等，根據(jù)其半高全寬，選擇天光孔徑大小，去除天光背 景對(duì)空間物體測(cè)光的影響，得到空間物體的儀器星等；
[0011] (6)選擇LAND0LT星作為較差測(cè)光的標(biāo)準(zhǔn)星，計(jì)算轉(zhuǎn)換得到空間物體的視星等，進(jìn) 行流量定標(biāo)，得到空間物體的視星等。
[0012] 步驟二：軌道計(jì)算獲取光度校正參量
[0013] (1)利用SGP4或SDP4模型進(jìn)行空間物體Tie軌道根數(shù)的外推預(yù)報(bào)計(jì)算，獲取當(dāng)前 歷元軌道坐標(biāo)系下的坐標(biāo)矢量；
[0014] (2)空間物體在當(dāng)前歷元軌道坐標(biāo)系下矢量轉(zhuǎn)換至J2000歷元天球坐標(biāo)系下矢 量；
[0015] (3)利用太陽(yáng)平根數(shù)計(jì)算太陽(yáng)在J2000歷元天球坐標(biāo)系下坐標(biāo)矢量；
[0016] (4)將空間物體和太陽(yáng)的J2000歷元天球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)矢量轉(zhuǎn)換至站心赤道坐 標(biāo)系下，計(jì)算空間物體至站心的距離一斜距R ;
[0017] (5)計(jì)算站心赤道坐標(biāo)系下的空間物體和太陽(yáng)兩者矢量之間的夾角一相位角Φ。
[0018] 步驟三：空間物體的光度校正處理
[0019] (1)采用距離平方反比算法進(jìn)行斜距量R的修正；
[0020] (2)采用球狀衛(wèi)星照射模型進(jìn)行相位角Φ的修正。
[0021] 步驟四：空間物體尺度計(jì)算
[0022] (1)大樣本觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理處理掉姿態(tài)變化的影響；
[0023] (2)根據(jù)太陽(yáng)輻射密度、反照率來(lái)計(jì)算光學(xué)散射截面。
[0024] 本發(fā)明的技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下技術(shù)效果：
[0025] (1)具有被動(dòng)式無(wú)源接收特性，由于利用太陽(yáng)作為照射源，探測(cè)行為不易被發(fā)現(xiàn)， 隱蔽性強(qiáng)。
[0026] (2)具有靈敏度高、精度高，光學(xué)波段比無(wú)線電波段短，且對(duì)邊角不敏感，可以比現(xiàn) 在常用的雷達(dá)手段確定的尺度更加精確。
[0027] (3)相比現(xiàn)階段的雷達(dá)探測(cè)能力而言，探測(cè)距離遠(yuǎn)，可探測(cè)到距離地球表面40000 公里的20星等的空間物體，目前雷達(dá)探測(cè)只能探測(cè)到幾千公里。
[0028] (4)本發(fā)明能夠快速推廣應(yīng)用至我國(guó)現(xiàn)有的空間物體光電探測(cè)設(shè)備上，無(wú)需硬件 改動(dòng)即可形成空間物體的尺度確定能力。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1為本發(fā)明的光學(xué)散射截面計(jì)算流程圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明的空間物體觀測(cè)示意圖；
[0031] 圖3為本發(fā)明的球狀衛(wèi)星照射模型示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032] 本發(fā)明所述的基于光電探測(cè)的空間物體光變特性獲取方法，分成數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù) 處理兩部分，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，主要在步驟一中實(shí)現(xiàn)。
[0033] 步驟一：觀測(cè)獲取高精度的空間物體的光度信息
[0034] (1)拍攝光度標(biāo)定輔助圖像：本底圖像、平場(chǎng)圖像、標(biāo)準(zhǔn)星圖像>觀測(cè)測(cè)試并拍攝 本底圖像和平場(chǎng)圖像
[0035] 選取已知亮恒星進(jìn)行觀測(cè)測(cè)試，確認(rèn)望遠(yuǎn)鏡指向正常、C⑶工作正常后，拍攝本底 圖像和平場(chǎng)圖像。
[0036] >拍攝標(biāo)準(zhǔn)星圖像
[0037] 選取在空間物體天區(qū)附近的LAND0LT星，拍攝標(biāo)準(zhǔn)星圖像。
[0038] (2)拍攝空間物體圖像
[0039] 將觀測(cè)目標(biāo)的精密星歷表輸入望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，根據(jù)精密星歷表引導(dǎo)望遠(yuǎn)鏡跟蹤鎖定 空間物體進(jìn)入視場(chǎng)中心，望遠(yuǎn)鏡跟蹤鎖定觀測(cè)目標(biāo)，（XD (Charge Coupled Device)開始連 續(xù)曝光。由天光背景亮度調(diào)整合適的曝光時(shí)間長(zhǎng)度和延時(shí)，由觀測(cè)目標(biāo)亮度確定設(shè)置CCD 合適的增益（Gain)值，由觀測(cè)需求和觀測(cè)弧段長(zhǎng)度確定合適的讀出速度后CCD連續(xù)曝光， 進(jìn)行時(shí)序測(cè)光。
[0040] (3)對(duì)圖像進(jìn)行校正（本底改正和平場(chǎng)改正），提高信噪比
[0041] 本底改正：在空間物體圖像中，要分析的是直接來(lái)自可能觀測(cè)目標(biāo)（經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn) 換）的光電子。但圖像中的光電子，實(shí)際上是以下幾項(xiàng)來(lái)源之和：
[0042] 本底噪聲：(XD本身電路的電流。
[0043] 天光噪聲：大氣層反射、散射和發(fā)射到(XD的光電子。
[0044] 讀出噪聲：在讀出過(guò)程中，線纜中產(chǎn)生和A/D轉(zhuǎn)換的電子噪聲。
[0045] 觀測(cè)目標(biāo)源：來(lái)自觀測(cè)目標(biāo)的光電子。
[0046] 平場(chǎng)圖像、標(biāo)準(zhǔn)星圖像和含有觀測(cè)目標(biāo)的原始圖像，分別減去本底圖像，以進(jìn)行本 底改正。
[0047] 平場(chǎng)改正：使用標(biāo)準(zhǔn)光源或者天光背景獲得平場(chǎng)圖像，平場(chǎng)圖像能夠體現(xiàn)光學(xué)系 統(tǒng)、快門效應(yīng)和CCD的大尺度不均勻性。標(biāo)準(zhǔn)星圖像和原始圖像分別除去改正后的平場(chǎng)，可 以消除上述因素造成的大尺度不均勻性。
[0048] (4)孔徑測(cè)光，證認(rèn)圖像中的觀測(cè)目標(biāo)，計(jì)算目標(biāo)的半高全寬
[0049] 孔徑的選擇一般都依賴于FWHM，即星象的半高全寬。又星象的輪廓理論上為高斯 輪廓，F(xiàn)WHM與高斯函數(shù)中Sigma的關(guān)系為
[0050] FlV/?Μ = 2χ^2χ\η(2) x即 FWHM = 2· 35482XSigma
[0051] 根據(jù)一維高斯函數(shù)的性質(zhì)，若測(cè)光孔徑為1倍Sigma包含68. 26%的能量，3倍 Sigma包含99. 73 %能量，5倍Sigma包含99. 9999 %的能量。
[0052] (5)計(jì)算空間物體的儀器星等；
[0053] 根據(jù)空間物體的半高全寬，選擇天光孔徑大小，去除天光背景對(duì)空間物體測(cè)光的 影響，得到空間物體的儀器星等。
[0054] 一般如果觀測(cè)目標(biāo)足夠亮，測(cè)光孔徑可取2倍FWHM，若觀測(cè)目標(biāo)較暗可適當(dāng)減小 測(cè)光孔徑，以便獲得更高的信噪比。
[0055] (6)流量定標(biāo)
[0056] 將拍攝的LAND0LT星作為較差測(cè)光的標(biāo)準(zhǔn)星，計(jì)算轉(zhuǎn)換得到空間物體的視星等， 進(jìn)行流量定標(biāo)，得到空間物體的視星等。
[0057] 流量定標(biāo)的過(guò)程為：首先從星表庫(kù)中選擇標(biāo)準(zhǔn)星，在觀測(cè)中測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)星在大氣層 內(nèi)的亮度，然后利用較差測(cè)光的方法計(jì)算空間物體在大氣層外的亮度。
[0058] LandoIt標(biāo)準(zhǔn)星的精度達(dá)到0. 01星等，因此觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)星一般都在LandoIt標(biāo)準(zhǔn) 星表里選取。
[0059] 較差測(cè)光的關(guān)系式如下：
[0060] u = U+C u+ β u (U-B) + κ ' uXu+ κ /7u (U~B)
[0061 ] b = B+C b+β b (B_V) + κ，bXb+κ " b (B_V)
[0062] v = V+C v+ β v (B-V) + κ ' vXv+ κ " v (B-V) (1)
[0063] r = R+C r+ β r (V-R) + κ，rXr+ κ " r (V-R)
[0064] i = I+Cj+β j (V_I) + κ " jXj+κ " j (V_I)
[0065] u，b，v，r，i為儀器星等（即大氣層內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)測(cè)得的亮度），U，B，V，R，I為視星等， Cu-Ci為各波段的常數(shù)項(xiàng)，Xu-Xi為各波段大氣質(zhì)量，Pu-l為系統(tǒng)轉(zhuǎn)換系數(shù)，K' u-K' i 為各波段大氣主消光系數(shù)，κ" u-K" i為大氣二次消光系數(shù)，一般很小，擬和時(shí)通常將其 置為零。
[0066] 較差測(cè)光的過(guò)程為：首先利用標(biāo)準(zhǔn)星的儀器星等（大氣層內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn) 星亮度）和視星等（從Landolt標(biāo)準(zhǔn)星表中讀?。┯?jì)算出式（1)中相關(guān)的常系數(shù)項(xiàng)，然后 利用該關(guān)系式和空間物體的儀器星等（大氣層內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)測(cè)得的空間物體亮度）計(jì)算空間 物體的視星等（即空間物體在大氣層外的亮度）。
[0067] 步驟二：軌道計(jì)算獲取光度校正參量
[0068] (1)利用SGP4或SDP4模型進(jìn)行空間物體Tie軌道根數(shù)的外推預(yù)報(bào)計(jì)算，獲取當(dāng)前 歷元軌道坐標(biāo)系下的坐標(biāo)矢量
[0069] 利用 SGP4(Simplified General Perturbations Satellite Orbit Model4) 或 SDP4(Simplified Deep Space Perturbations Satellite Orbit Model4)進(jìn)行 Tie (Two-Line Element)數(shù)據(jù)的預(yù)報(bào)計(jì)算
[0070] 根據(jù)空間物體的Tie根數(shù)，根據(jù)空間物體的周期不同，分別調(diào)用SGP4或是SDP4模 型進(jìn)行計(jì)算，得到在Tie坐標(biāo)系（當(dāng)前歷元軌道坐標(biāo)系）下的空間物體的位置和速度信息。
[0071] (2)空間物體在當(dāng)前歷元軌道坐標(biāo)系下矢量轉(zhuǎn)換至J2000歷元天球坐標(biāo)系下矢量
[0072] Tie數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系是其數(shù)據(jù)時(shí)刻歷元的軌道坐標(biāo)系，計(jì)算出來(lái)的位置和速度信息 也是當(dāng)前歷元軌道坐標(biāo)下的，需要轉(zhuǎn)換到J2000歷元（即2000年1月1日0時(shí)）時(shí)的軌道 坐標(biāo)系，這樣即為歷元轉(zhuǎn)換，可以通過(guò)一下公式進(jìn)行：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于光電觀測(cè)的空間物體尺度獲取方法，所述方法利用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)以獲取 中高軌空間物體表征其尺寸大小的光學(xué)散射截面，其特征在于，所述方法包括如下步驟： 步驟一：觀測(cè)獲取高精度的空間物體的光度信息； 步驟二：軌道計(jì)算獲取光度校正參量； 步驟三：空間物體的光度校正處理； 步驟四：空間物體尺度計(jì)算。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲取方法，其特征在于，所述步驟一具體包括： (1) 拍攝光度標(biāo)定輔助圖像：本底圖像、平場(chǎng)圖像、標(biāo)準(zhǔn)星圖像； (2) 拍攝空間物體圖像； (3) 對(duì)圖像進(jìn)行校正（本底改正和平場(chǎng)改正），提高信噪比； (4) 證認(rèn)圖像中的觀測(cè)目標(biāo)，計(jì)算目標(biāo)的半高全寬； (5) 計(jì)算空間物體的儀器星等，根據(jù)空間物體的半高全寬，選擇天光孔徑大小，去除天 光背景對(duì)空間物體測(cè)光的影響，得到空間物體的儀器星等； (6) 選擇LANDOLT星作為較差測(cè)光的標(biāo)準(zhǔn)星，計(jì)算轉(zhuǎn)換得到空間物體的視星等，進(jìn)行流 量定標(biāo)，得到空間物體的視星等。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲取方法，其特征在于，所述步驟二具體包括： (1) 利用SGP4或SDP4模型進(jìn)行空間物體Tie軌道根數(shù)的外推預(yù)報(bào)計(jì)算，獲取當(dāng)前歷元 軌道坐標(biāo)系下的坐標(biāo)矢量； (2) 空間物體在當(dāng)前歷元軌道坐標(biāo)系下矢量轉(zhuǎn)換至J2000歷元天球坐標(biāo)系下矢量； (3) 利用太陽(yáng)平根數(shù)計(jì)算太陽(yáng)在J2000歷元天球坐標(biāo)系下坐標(biāo)矢量； (4) 將空間物體和太陽(yáng)的坐標(biāo)矢量轉(zhuǎn)換至站心赤道坐標(biāo)系下，計(jì)算空間物體至站心的 距離一斜距R; (5) 計(jì)算站心赤道坐標(biāo)系下的空間物體和太陽(yáng)兩者矢量之間的夾角一相位角Φ。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲取方法，其特征在于，所述步驟三具體包括： (1) 采用距離平方反比算法進(jìn)行斜距量R的修正； (2) 采用球狀衛(wèi)星照射模型進(jìn)行相位角Φ的修正。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲取方法，其特征在于，所述步驟四具體包括： (1) 根據(jù)太陽(yáng)輻射密度、反照率來(lái)計(jì)算光學(xué)散射截面； (2) 采用大樣本觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理方法處理掉姿態(tài)變化的影響。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的獲取方法，其特征在于，所述流量定標(biāo)是先從星表庫(kù)中選擇 標(biāo)準(zhǔn)星，在觀測(cè)中測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)星在大氣層內(nèi)的亮度，然后利用較差測(cè)光的方法計(jì)算空間物體 在大氣層外的亮度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的獲取方法，其特征在于，光學(xué)散射截面的計(jì)算如下：
其中Magsun = +26. 74, Mag即為步驟一中獲取的空間物體的視星等；R和PA為步驟二 中計(jì)算獲取的光度校正參量：斜距和相位角；R。是歸算距離；PA。是歸算相位角；u為地面 測(cè)定的反照率。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的獲取方法，其特征在于，采用多次測(cè)量取平均值的方法可以 有效去除由于空間物體姿態(tài)變化的影響。
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK104101297SQ201410350320
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】王建峰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)