CN104949677A - 一种漂移扫描同步卫星实时定轨方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种漂移扫描同步卫星实时定轨方法，该方法首先对星图背景进行处理，使背景像素分布均匀，若出现smear现象，则对smear进行去除，然后自适应检测星点，分割图像背景，利用特征融合的方法突显星象并提取星象目标，计算星点质心坐标，利用改进的三角形法匹配与认证星象，首先提取灰度值最大的星象进行三角形匹配，利用匹配结果归算CCD底片模型参数，将所有星象带入底片模型中计算出其相应的天球坐标，利用计算出的天球坐标与星表进行匹配，最后利用匹配认证结果归算CCD底片模型，带入同步卫星坐标，计算出同步卫星光学位置，完成同步卫星定轨，本发明方法精度高、速度快、无需大数据计算和存储，并且实时性好。

Description

一种漂移扫描同步卫星实时定轨方法

技术领域

本发明属于同步卫星天文观测与天体测量技术邻域，具体涉及一种漂移扫描同步卫星实时定轨方法。

背景技术

在空间通讯、对地检测和空间科学等方面，地球同步轨道是一个有着非常重要价值的空间邻域，随着空间科学与天文学的发展需求以及观测技术的进步，同步卫星的观测精度由几十毫角秒提高到亚毫角秒。现阶段对同步卫星的定轨主要采用CCD漂移扫描方法，即利用短帧CCD凝视模式与漂移扫描模式交替观测恒星与同步卫星，交替获得恒星与同步卫星的良好圆星象，将恒星作为参考模型计算CCD底片模型从而归算出同步卫星轨道。传统的同步卫星定轨只局限在事后处理阶段，即一般通过一个晚上的拍摄之后，才对星图进行处理提取数据，不能在拍摄过程中实现实时定轨。漂移扫描CCD的拍摄顺序为凝视模式—漂移扫描模式—漂移扫描模式—……—凝视模式，每3s曝光一次，在一轮拍摄结束后，要求同步卫星实时定轨系统立即得到相应的同步卫星轨道数据。同步卫星定轨涉及到星图中星象的自动化检测，参考星匹配与认证（即星图识别），CCD成像模型参数归算，同步卫星光学位置归算。有些同步卫星定轨过程中的关键步骤，例如星象的自动化检测和参考星的匹配与认证难以满足实时性的要求，例如传统的星象的自动化检测方法有连通域分析法，边缘检测法和视框法，连通域分析法为扫描星图，储存大于阈值属于星点目标的像元，分析像素灰度值特点及其坐标之间的关系，建立有效星点的外接矩形。边缘检测法为扫描星点区域边缘像素，利用边缘像素确定星点区域，从而提取星点区域每个像素。视框法为选取合适大小的视框，通过在图像中移动视框来搜索目标，该视框能够包含整个星点目标，且仅包含一个星点目标，只通过判断视框中的星点像素来提取星点目标。上述方法能够提取星点目标，但提取过程冗余，无法满足实时性要求。星图识别所用基本方法为三角形法与栅格法，三角形法为最传统的星图识别算法，即计算星图中任意三颗恒星的对角距，将星图恒星星象的对角距与星表中参考星的对角距进行匹配，若在一定误差范围内匹配成功，则得出星图中星象的观测位置。栅格法为构造星图恒星的星模式，将恒星的星模式与星表中参考星的星模式相匹配，得到恒星相应的天球坐标。两种方法的计算量大，识别命中率低，难以满足同步卫星定轨的实时性与精度要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种同步卫星实时定轨方法，漂移扫描CCD对星空进行拍摄的同时得到同步卫星的定轨结果。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种漂移扫描同步卫星实时定轨方法，该方法主要包括以下步骤：

步骤1）对星图背景进行处理，使背景像素分布均匀，并去除smear现象；

步骤2）自适应提取星图中的星象，包括恒星星象质心坐标与同步卫星星象质心坐标，得到二者的量度坐标；

步骤3）对恒星星图进行识别，保存所有恒星星象所得匹配数据；

步骤4）归算同步卫星观测位置，通过恒星星象归算CCD底片模型参数，得到恒星星象量度坐标与观测位置之间的关系，带入同步卫星量度坐标得到同步卫星的观测位置。

进一步的，在所述步骤1）中星图背景进行处理的主要步骤为：

步骤1.1）提高多项式拟合法对星图的不均匀性进行处理，使得星图的直方图高斯分布分布均匀；

步骤1.2）检查是否有smear效应，若有，则进行步骤1.3），若无，则跳转至步骤1.4）；

步骤1.3）去除smear效应，smear效应是由于CCD持续曝光所引起的漏光现象，具体在星图中表现为贯穿于星图的一条很亮的拖尾，计算每列或者每行的灰度平均值，若每行或每列的灰度平均值出现明显高于其他灰度平均值的情况则说明有拖尾出现，然后将拖尾像素赋予此行或此列的灰度平均值与3倍的方差之和；

步骤1.4）开始进行所述步骤2）的自适应星象提取。

进一步的，在所述步骤2）中自适应提取星图中的星象的主要步骤为：

步骤2.1）通过全局阈值法将星点目标与背景进行分割，并将星图背景像素赋值为0；

步骤2.2）通过特征融合的方法将星点像素突显出来，所用的特征为局部灰度最大值与局部对比度均值反差，经过特征融合后星等较暗与目标较小的星点目标都可以明显的突显出来；

步骤2.3）提取星点目标所有像素；

步骤2.4）通过二维修正矩的方法确定星象中心位置坐标，二维修正矩法的计算公式为：

     (1)

     (2)

公式（1）与（2）中，为星点中心位置坐标，为坐标为处的像素灰度值，为上述背景分割所计算出的阈值，为修正后的像素灰度值；

步骤2.5）进行所述步骤3）的星图识别。

进一步的，在所述步骤3）中星图识别的主要步骤为：

步骤3.1）建立弧长库，根据CCD视场中心粗指向提取星表中的子星表；

步骤3.2）分区提取子星表中的参考星建立匹配三角形，利用子星表中的部分参考星建立匹配三角形，并将子星表分成10-20个小区间，提取小区间中星等最亮的3颗星组成匹配三角形；

步骤3.3）判断所述步骤3.2）中提取出的恒星星象目标数量是否大于30，若是，则进行步骤3.4），若否，则所有的恒星参与匹配无需排序并跳转至步骤3.5）；

步骤3.4）将恒星的总灰度值从大到小进行排序，提取灰度值最大的30颗星参与匹配；

步骤3.5）将提取出的恒星每两两之间计算对角距，形成星象三角形；

步骤3.6）将星象三角形与弧长库中的匹配三角形进行匹配；

步骤3.7）通过匹配出的结果归算CCD底片模型，CCD底片模型参数的归算公式为：

    （3）

其中为6个参数，为恒星量度坐标，为恒星的天球坐标，分别代表赤经赤纬，计算其6个参数，计算公式为

     （4）；

步骤3.8）带入所有恒星的量度坐标，计算出其相应的天球坐标；

步骤3.9）将算出的天球坐标与子星表进行匹配，得出更多的匹配结果；

步骤3.10）进行步骤4）中的同步卫星轨道归算。

进一步的，在所述步骤步骤4）中同步卫星轨道归算的主要步骤为：

步骤4.1）通过匹配出的恒星与CCD视场中心粗指向的观测位置归算CCD底片模型参数，建立恒星量度坐标与观测位置之间的关系；

步骤4.2）带入CCD视场中心的量度坐标，归算出CCD视场中心的精确观测位置；

步骤4.3）通过CCD视场中心的精确观测位置与恒星匹配结果再次归算CCD底片模型参数；

步骤4.4）带入同步卫星的量度坐标，解算得到同步卫星的观测位置。

本发明的有益效果是:

本发明能够实时提取星图中的星点目标，并提高星点目标的提取精度，完成星点目标快速认证与匹配，避免了大数据的计算与大容量的存储，实现星图快速识别，完成同步卫星实时定轨的目标。

附图说明

图1为同步卫星实时定轨方法框图；

图2为本发明背景处理步骤流程图；

图3为本发明自适应星象提取步骤流程图；

图4为本发明星象认证与匹配步骤流程图；

图5为本发明同步卫星天体坐标归算流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1所示，一种漂移扫描同步卫星实时定轨方法，该方法主要包括以下步骤：

步骤1）对星图背景进行处理，使背景像素分布均匀，并去除smear现象；

步骤2）自适应提取星图中的星象，包括恒星星象质心坐标与同步卫星星象质心坐标，得到二者的量度坐标；

步骤3）对恒星星图进行识别，保存所有恒星星象所得匹配数据；

步骤4）归算同步卫星观测位置，通过恒星星象归算CCD底片模型参数，得到恒星星象量度坐标与观测位置之间的关系，带入同步卫星量度坐标得到同步卫星的观测位置。

参照图2所示，由于月光、薄云等自然现象的影响，会使得星图背景量度分布不均匀，不利于后续对星点目标的提取，所有要利用多项式拟合法对星图的不均匀性进行处理，使得星图的直方图高斯分布分布均匀，在所述步骤1）中星图背景进行处理的主要步骤为：

步骤1.1）提高多项式拟合法对星图的不均匀性进行处理，使得星图的直方图高斯分布分布均匀；

步骤1.2）检查是否有smear效应，若有，则进行步骤1.3），若无，则跳转至步骤1.4）；

步骤1.3）去除smear效应，smear效应是由于CCD持续曝光所引起的漏光现象，具体在星图中表现为贯穿于星图的一条很亮的拖尾，计算每列或者每行的灰度平均值，若每行或每列的灰度平均值出现明显高于其他灰度平均值的情况则说明有拖尾出现，然后将拖尾像素赋予此行或此列的灰度平均值与3倍的方差之和；

步骤1.4）开始进行所述步骤2）的自适应星象提取。

参照图3所示，在所述步骤2）中自适应提取星图中的星象的主要步骤为：

步骤2.1）通过全局阈值法将星点目标与背景进行分割，并将星图背景像素赋值为0；

步骤2.2）通过特征融合的方法将星点像素突显出来，所用的特征为局部灰度最大值与局部对比度均值反差，经过特征融合后星等较暗与目标较小的星点目标都可以明显的突显出来；

步骤2.3）提取星点目标所有像素；

步骤2.4）通过二维修正矩的方法确定星象中心位置坐标，二维修正矩法的计算公式为：

     (1)

     (2)

公式（1）与（2）中，为星点中心位置坐标，为坐标为处的像素灰度值，为上述背景分割所计算出的阈值，为修正后的像素灰度值，对于漂移扫描模式拍摄的恒星与凝视模式拍摄的同步卫星利用此方法提取星象中心坐标，利用二维修正矩的方法可以提高星象中心提取精度，提高同步卫星定轨的精度；

步骤2.5）进行所述步骤3）的星图识别。

参照图4所示，在所述步骤3）中星图识别的主要步骤为：

步骤3.1）建立弧长库，根据CCD视场中心粗指向提取星表中的子星表；

步骤3.2）分区提取子星表中的参考星建立匹配三角形，利用子星表中的部分参考星建立匹配三角形，并将子星表分成10-20个小区间，提取小区间中星等最亮的3颗星组成匹配三角形，这样即可以减少对角距的计算量，也可以节省弧长库的存储空间；

步骤3.3）判断所述步骤3.2）中提取出的恒星星象目标数量是否大于30，若是，则进行步骤3.4），若否，则所有的恒星参与匹配无需排序并跳转至步骤3.5）；

步骤3.4）将恒星的总灰度值从大到小进行排序，提取灰度值最大的30颗星参与匹配；

步骤3.5）将提取出的恒星每两两之间计算对角距，形成星象三角形；

步骤3.6）将星象三角形与弧长库中的匹配三角形进行匹配；

步骤3.7）通过匹配出的结果归算CCD底片模型，CCD底片模型参数的归算公式为：

    （3）

其中为6个参数，为恒星量度坐标，为恒星的天球坐标，分别代表赤经赤纬，计算其6个参数，计算公式为

     （4）；

步骤3.8）带入所有恒星的量度坐标，计算出其相应的天球坐标；

步骤3.9）将算出的天球坐标与子星表进行匹配，得出更多的匹配结果，这样可以避免建立所有恒星的星象三角形，减少了对角距的计算量与弧长库匹配的判断量，能够较快的实现星图识别，提高同步卫星定轨的实时性；

步骤3.10）进行步骤4）中的同步卫星轨道归算。

参照图5所示，在所述步骤步骤4）中同步卫星轨道归算的主要步骤为：

步骤4.1）通过匹配出的恒星与CCD视场中心粗指向的观测位置归算CCD底片模型参数，建立恒星量度坐标与观测位置之间的关系；

步骤4.2）带入CCD视场中心的量度坐标，归算出CCD视场中心的精确观测位置；

步骤4.3）通过CCD视场中心的精确观测位置与恒星匹配结果再次归算CCD底片模型参数；

步骤4.4）带入同步卫星的量度坐标，解算得到同步卫星的观测位置。

在本实施例中，CCD底片模型采用20模型，设其20个模型参数分别为,则CCD底片模型公式为：

其中为同步卫星的量度坐标，为同步卫星的天球坐标。例如在实同步卫星实时定轨系统中，通过提取同步卫星的中心量度坐标为（737.685，,1449.057），通过带入上述公式，计算所得赤经赤纬为（92.2892°，-5.2696°），通过赤经赤纬角度归算同步卫星的方位高度，方位高度为（119.5628°,28.2314°），得出同步卫星的轨道信息。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种漂移扫描同步卫星实时定轨方法，其特征在于，该方法主要包括以下步骤：

步骤1）对星图背景进行处理，使背景像素分布均匀，并去除smear现象；

步骤2）自适应提取星图中的星象，包括恒星星象质心坐标与同步卫星星象质心坐标，得到二者的量度坐标；

步骤3）对恒星星图进行识别，保存所有恒星星象所得匹配数据；

步骤4）归算同步卫星观测位置，通过恒星星象归算CCD底片模型参数，得到恒星星象量度坐标与观测位置之间的对应关系，带入同步卫星量度坐标得到同步卫星的观测位置。

2.根据权利要求1所述的漂移扫描同步卫星实时定轨方法，其特征在于，在所述步骤1）中星图背景进行处理的主要步骤为：

步骤1.1）通过多项式拟合法对星图的不均匀性进行处理，使得星图的直方图高斯分布分布均匀；

步骤1.2）检查是否有smear效应，若有，则进行步骤1.3），若无，则跳转至步骤1.4）；

步骤1.3）去除smear效应，smear效应是由于CCD持续曝光所引起的漏光现象，具体在星图中表现为贯穿于星图的一条很亮的拖尾，计算每列或者每行的灰度平均值，若每行或每列的灰度平均值出现明显高于其他灰度平均值的情况则说明有拖尾出现，然后将拖尾像素赋予此行或此列的灰度平均值与3倍的方差之和；

步骤1.4）开始进行所述步骤2）的自适应星象提取。

3.根据权利要求1所述的漂移扫描同步卫星实时定轨方法，其特征在于，在所述步骤2）中自适应提取星图中的星象的主要步骤为：

步骤2.1）通过全局阈值法将星点目标与背景进行分割，并将星图背景像素赋值为0；

步骤2.2）通过特征融合的方法将星点像素突显出来，所用的特征为局部灰度最大值与局部对比度均值反差，经过特征融合后星等较暗与目标较小的星点目标都可以明显的突显出来；

步骤2.3）提取星点目标所有像素；

步骤2.4）通过二维修正矩的方法确定星象中心位置坐标，二维修正矩法的计算公式为：

     (1)

     (2)

公式（1）与（2）中，为星点中心位置坐标，为坐标为处的像素灰度值，为上述背景分割所计算出的阈值，为修正后的像素灰度值；

步骤2.5）进行所述步骤3）的星图识别。

4.根据权利要求1所述的漂移扫描同步卫星实时定轨方法，其特征在于，在所述步骤3）中星图识别的主要步骤为：

步骤3.1）建立弧长库，根据CCD视场中心粗指向提取星表中的子星表；

步骤3.2）分区提取子星表中的参考星建立匹配三角形，利用子星表中的部分参考星建立匹配三角形，并将子星表分成10-20个小区间，提取小区间中星等最亮的3颗星组成匹配三角形；

步骤3.3）判断所述步骤3.2）中提取出的恒星星象目标数量是否大于30，若是，则进行步骤3.4），若否，则所有的恒星参与匹配无需排序并跳转至步骤3.5）；

步骤3.4）将恒星的总灰度值从大到小进行排序，提取灰度值最大的30颗星参与匹配；

步骤3.5）将提取出的恒星每两两之间计算对角距，形成星象三角形；

步骤3.6）将星象三角形与弧长库中的匹配三角形进行匹配；

步骤3.7）通过匹配出的结果归算CCD底片模型参数，CCD底片模型参数的归算公式为：

    （3）

其中为6个参数，为恒星量度坐标，为恒星的天球坐标，分别代表赤经赤纬，计算其6个参数，计算公式为

     （4）；

步骤3.8）带入所有恒星的量度坐标，计算出其相应的天球坐标；

步骤3.9）将算出的天球坐标与子星表进行匹配，得出更多的匹配结果；

步骤3.10）进行步骤4）中的同步卫星轨道归算。

5.根据权利要求1所述的漂移扫描同步卫星实时定轨方法，其特征在于，在所述步骤步骤4）中同步卫星轨道归算的主要步骤为：

步骤4.1）通过匹配出的恒星与CCD视场中心粗指向的观测位置归算CCD底片模型参数，建立恒星量度坐标与观测位置之间的关系；

步骤4.2）带入CCD视场中心的量度坐标，归算出CCD视场中心的精确观测位置；

步骤4.3）通过CCD视场中心的精确观测位置与恒星匹配结果再次归算CCD底片模型参数；

步骤4.4）带入同步卫星的量度坐标，解算得到同步卫星的观测位置。