一种基于光学观测的快速精密轨道确定方法及系统

技术领域

本发明涉及太空目标监测技术领域，具体涉及一种基于光学观测的快速精密轨道确定方法。

背景技术

随着人类航天活动的加剧，空间目标的数量快速增长。在轨的空间目标包括天然物体、空间碎片、有效航天器，如何准确识别跟踪这些空间目标，准确判断其运行轨道、覆盖的区域及目标的特征，对战略信息的获取具有重要的意义。

现有的方法中，识别跟踪空间目标，判断其运行轨道，主要基于雷达，雷达可以做到全天候、反应速度快、覆盖大范围空域，雷达在对空间目标的预警、监视、跟踪和编目中具有重要作用。然而由于雷达的探测能力受限，不能及时对所有的高轨空间目标进行跟踪、监视，而且雷达设备复杂、造价昂贵，且波束扫描范围有限，最大扫描角为90°～120°。当需要进行全方位监视时，需配置3～4个天线阵面。

随着空间科学和天文学的发展需求以及观测技术的进步，天体测量的观测精度由几十毫角秒改进到亚毫角秒；天体测量仪器的极限星等由11mag、12mag扩展到20mag；观测波段由单一的可见光波段发展到紫外、可见光、红外、射电等多个波段，特别是VLBI技术的成熟，依巴谷星表的发表和CCD(Charge Coupled Deviee，电荷藕合器件)观测技术的广泛应用，地面CCD天体测量学虽然受到空间天体测量和射电天体测量以及其它空间测量新技术的冲击，但是随着观测设备、技术与资料处理方法的发展，地面CCD光学观测方面的研究工作得到了显著进展，如在望远镜的设计中采用主动光学技术，以及通过干涉测量技术的使用提高望远镜的空间分辨率；CCD终端设备向高灵敏度、低噪声的方向发展，使光学观测可延伸至更暗星等的目标；可远程控制、无人值守及自动化的观测仪器大大提高了观测效率；计算机各方面性能的改善也使观测资料的处理和分析能力得到显著增强。

利用测向数据进行轨道确定，有许多传统的初轨计算方法，如Laplace法、Gauss法等。Laplace法要求三个时刻观测的单位方向矢量不能共面或在一个平面附近而且相隔时间较短，Gauss法本身的计算比较复杂，难以满足实现空间目标快速精密轨道确定的要求。

发明内容

技术目的：针对上述技术问题，本发明提出了一种基于光学观测的快速精密轨道确定方法，其基于地面光学设备进行空间目标定位，并快速解析定位空间目标，能够达到快速精密轨道确定的需求。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于光学观测的快速精密轨道确定方法，其特征在于，包括步骤：

获取空间目标的最新时刻的轨道数据文件，结合观测点信息，生成空间目标位置预报以及对观测点的位置可见性预报；

根据所述空间目标位置预报以及对观测点的位置可见性预报，制定并实施观测计划，通过CCD设备拍摄观测目标的观测图像，记录并存储观测数据；

根据空间目标的观测图像和观测数据，生成目标定位结果；

根据所述目标定位结果，确定空间目标初轨，基于初轨结果和所有观测数据，对空间目标进行精密定轨；

根据精密定轨的结果，生成空间目标新历表。

优选地，根据空间目标的观测图像和观测数据，生成目标定位结果，包括：

获取空间目标的观测数据FITS文件，对FITS文件进行图像预处理，得到第一图像；

使用连通域星象识别算法识别出第一图像中的空间目标；

采用二维修正矩的方法对第一图像进行处理，确定星象中心位置；

结合恒星星表，使用三角形弧长匹配算法，识别出空间目标中的参考星和目标星，确定参考星的量度坐标、天球坐标和目标星的量度坐标；

根据目标星的量度坐标，计算目标星的位置，包括赤纬和经纬，生成目标定位结果。

优选地，所述三角形弧长匹配算法，包括：

依据观测图像构建任意三颗空间目标的三角形，计算所构建的三角形的弧长之和，并按照由小到大进行排序；

根据匹配误差门限，调用预先建立的匹配库并提取出所需匹配星表，将构建的所有空间目标的三角形与匹配星表进行匹配；

如果小于所述匹配误差门限且依据观测图像构建的三角形在匹配星库中找到唯一的匹配，则认为匹配成功，如果大于等于所述匹配误差门限，或者存在两个以上的匹配，则认为匹配不成功，进行下一个三角形的匹配，直至完成所有三角形的匹配；

其中，匹配星库以如下方法预先建立：

构建任意三颗空间目标的三角形，计算各个三角形的弧长之和，排除重复的三角形；

按照其弧长的和由小到大将各个三角形的信息写入匹配星库文件，各个三角形的信息包含三个弧长、三颗空间目标分别经过预处理后的赤经、赤纬和星等。

优选地，对FITS文件进行图像预处理，包括：

对FITS文件中的进行DARK和BIAS改正，去除图像中暗场和本底效应引起的噪声，得到中间图像；

对中间图像进行平场FLAT改正，得到第一图像。

优选地，所述空间目标的定轨，包括步骤：

确定空间目标初轨时，在天球坐标系中，观测目标满足运动天体相对中心天体的状态方程、测量方程以及动力规律；

把初轨结果作为精密轨道的入参，进行精密轨道确定，精密定轨满足基本条件方程。

优选地，生成空间目标的位置预报以及对观测点的位置可见性预报，包括步骤：

根据观测点位置信息、观测时间、高度角以及所述最新时刻的轨道数据文件，调用SGP4或SDP4模型，获得目标预报位置以及当前预报时刻的日月位置；

根据日月位置进行蚀因子计算；

根据目标预报位置和蚀因子，判断空间目标是否在地影内，如果在地影内，则判定空间目标在观测时间内对观测点不可见，如果不在地影内，则判定空间目标在观测时间内对观测点可见，进入下一步；

结合观测点的坐标，计算对卫星的视轨与太阳视轴的夹角是否大于45度，如果夹角大于45度，则判定空间目标在观测时间内对观测点可见，满足实施观测的条件。

优选地，实施观测计划，通过CCD设备拍摄观测目标的观测图像，记录并存储观测数据，包括步骤：

根据目标星等、观测系统性能及观测时刻的天气，选取恰当的曝光时间；

初次拍摄，对观测图像进行证认，确认望远镜指向正确，并调整观测目标至视场中央位置，实施正常观测；

观测结束后，望远镜归位，整理观测数据。

一种基于光学观测的快速精密轨道确定系统，其特征在于，包括：

目标位置预报装置，用于获取空间目标的最新时刻的轨道数据文件，结合观测点信息，生成空间目标位置预报以及对观测点的位置可见性预报；

实施观测装置，用于根据所述空间目标位置预报以及对观测点的位置可见性预报，制定并实施观测计划，通过CCD设备拍摄观测目标的观测图像，记录并存储观测数据；

图像处理装置，用于根据空间目标的观测图像和观测数据，生成目标定位结果；

轨道改进装置，用于根据所述目标定位结果，确定空间目标初轨，基于初轨结果和所有观测数据，对空间目标进行精密定轨；

生成新历表装置，用于根据精密定轨的结果，生成空间目标新历表。

一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括处理器和存储器；其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序由所述处理器加载并执行以实现所述方法。

一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机程序；其中所述计算机程序被处理器执行时实现所述方法。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明基于光学设备进行空间目标定位，能够实现空间目标快速精密轨道确定，以便满足战略信息的需求。

附图说明

图1为本发明提出的基于光学观测的快速精密轨道确定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细的说明。

如图1所示，本发明提出了-种基于光学观测的快速精密轨道确定方法，包括步骤：(1)空间目标位置预报。(2)实施观测。(3)CCD图像处理；(4)轨道改进。(5)生成新历表。

该方法详细实现过程如下：

1、获取空间目标最新时刻的轨道文件，如两行轨道数据文件TLE文件(Two-LineElement)，根据TLE文件，对空间目标进行位置预报及对观测点的位置可见性预报。在实现观测目标的位置预报中，首先需要对目标的可见性进行判断，根据观测点位置信息、观测时间、高度角及空间目标最新TLE文件调用SGP4/SDP4模型获得目标预报位置，并获取当前预报时刻的日月位置进行蚀因子计算，判断空间目标是否在地影内，如果在地影内则空间目标在观测时间内对观测点不可见，如果不在地影内，则结合观测点坐标计算对卫星的视轴与太阳视轴的夹角是否大于45度，如果夹角大于45度，则空间目标在观测时间内对观测点可见，可以实施观测。如果不可实施观测，重新获取TLE文件。

2、根据第一步的空间目标位置预报和可见性预制定观测计划，对特定观测目标，制定观测纲要，含目标的物理特征分析，如星等、距离主星位置等、观测系统参数。

检查观测设备，确认望远镜、CCD设备及控制机等处于正常工作状态，并提前对CCD设备进行制冷，使其在执行观测时处于性能最佳工作温度，校准控制机及望远镜时间，并确认其时间系统工作正常，这里使用北斗授时系统，根据目标星等、观测系统性能及观测时刻的天气，选取恰当的曝光时间。初次拍摄，对观测图像进行证认，确认望远镜指向正确，并调整观测目标至视场中央位置，实施正常观测，结束观测，望远镜归位，整理观测数据。

3、读取第二步整理的观测数据FITS(Flexible Image Transport System)文件，对FITS图像预处理，预处理首先要进行DARK和BIAS改正，暗场(DARK)是指CCD各像素受热噪声影响所产生的电荷，本底(BIAS)是指CCD各像素上残存的电荷，可通过零秒曝光方式、关闭快门读出该数值。通常选取最短的曝光时间，在没有光照的条件下进行拍摄作为BIAS图像。DARK和BIAS效应所引起的噪声均为加性噪声，一般通过公式S

本发明中，根据三角形匹配法进行星象识别，三角形匹配原理是以3颗星相互之间的角距作为特征向量，将观测图像中所有星象的所构成的三角形都存储起来，与匹配星表中的三角形进行匹配，如果其三个边的差小于设定的残差最小值，匹配成功。如果匹配不成功，重新选择3颗星/空间目标进行匹配。

具体匹配过程包括：

1)建立匹配星库并提取出所需匹配星表，构建任意三颗空间目标的三角形。计算各个三角形的弧长之和，排除重复的三角形，然后按照其弧长的和由小到大将每个三角形的相关信息写入匹配星库文件，信息包含三角形的三个弧长及三颗星分别经过改正后的赤经、赤纬和星等数据。

2)对拍摄的CCD图像中的星象进行识别及中心确定后，也进行如上的三角形建立过程，并按照三角形弧长之和由小到大进行排序。

3)根据匹配误差门限进行匹配，小于此门限则认为匹配成功。将CCD图像中建立起的三角形在匹配星表库中按照二分法进行搜索。

4)如果在匹配星库中找到唯一的匹配，则认为匹配成功，若没有唯一的匹配，则进行下一个三角形的匹配，直至最终匹配结束。

4、根据第三步目标定位结果测角量α，δ(赤经赤纬)进行空间目标的定轨，首先对空间目标定初轨，根据初轨结果结合大量观测数据进行精密定轨，初轨确定基本条件：首先选取空间坐标系O-xyz，对于人造地球卫星，坐标系即为历元(J2000.0)地心天球坐标系，对应J2000.0地球平赤道面和平春分点。初轨确定对应几何关系的测量方程和对应动力学条件的状态方程。

在选定的坐标系中，测量几何满足如下关系：

其中

在选定的坐标系中，运动天体相对中心天体的运动方程为：

其中Gm

在选定的坐标系中，测量几何关系得到：

其中

其中，σ是目标卫星的轨道根数，通过以上公式，根据三次观测定出轨道。把初轨结果作为精密轨道的入参，进行精密轨道确定，精密定轨的基本条件方程：

其中，

y＝Y

Y

x

其中，Y

本发明利用改进的Laplace方法对空间目标进行定轨，Laplace方法比Gauss法形式更为简洁，用于初轨确定更为有效，改进的Laplace方法能够消去条件方程中的相对距离ρ，可以综合处理多次光学观测数据，程序比较简单。

运动体的精密定轨，即由大量测量数据t

X

5、根据精密定轨结果，生成空间目标新历表。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。