CN108180903A - 一种基于信息熵的空间物体姿态稳定状态判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地基光电观测领域，公开了一种基于信息熵的空间物体姿态稳定状态判定方法，方法包括以下步骤：观测获取高精度的同步轨道空间物体光度信息；数据时长判定；信息熵的计算；姿态稳定状态判定。本方法利用信息熵对光学望远镜观测获取光度信息分析获取同步轨道空间物体姿态稳定状态的方法，该方法利用一系列的时间‑目标星等数据可迅速判定观测同步轨道空间物体的姿态稳定状态。本发明能够快速推广应用至我国现有的地基光电探测设备上，无需硬件改动即可形成一定的同步轨道空间物体的姿态稳定状态判定能力。

Description

一种基于信息熵的空间物体姿态稳定状态判定方法

技术领域

本发明属于地基光电观测领域，涉及一种同步轨道空间物体姿态稳定状态的判定方法。

背景技术

姿态稳定状态是空间物体的一个重要特征，现代卫星或空间目标都设计为维持一个稳定姿态，以保证空间载荷或天线的可控指向，一旦失去姿态，大部分的卫星即可认为失去工作能力，姿态的稳定与否在某种程度上表征了卫星的工作状态，据此，我们可以利用姿态稳定状态来区分卫星和空间碎片、稳定卫星与失控卫星。

信息熵代表数据信息的混乱程度，处于正常稳定状态的卫星其光度信息应保持某种特定稳定状态，一旦这种稳定状态被打破，信息熵也随之变化。稳定状态和失稳状态将在光度信息熵熵将会存在的差别，为其稳定状态的判定提供了依据。

在日常监测中，可使用信息熵作为空间物体是否异常的数值化判据。信息熵在物理上对应表面结构的复杂度和姿态变化复杂度。一颗正常的卫星，其光度特征应该是缓和的，对应的信息熵值较小，姿态失控的空间物体的光度特征是混乱的，其信息熵值较大。

发明内容

本方法克服了雷达手段对中高轨空间物体观测能力的不足，提出了利用光学望远镜观测分析获取同步轨道空间物体姿态稳定状态的方法，该方法可迅速判定同步轨道空间物体的姿态稳定状态，即姿态稳定或姿态失稳。

所述方法包括以下步骤：

步骤一：观测获取高精度的空间物体的光度信息

(1)拍摄光度标定辅助图像：本底图像、平场图像、标准星图像；

(2)拍摄空间物体图像；

(3)对图像进行校正(本底改正和平场改正)，提高信噪比；

(4)孔径测光，证认图像中的观测目标，计算目标的半高全宽；

(5)计算空间物体的仪器星等，根据空间物体的半高全宽，选择天光孔径大小，去除天光背景对空间物体测光的影响，得到空间物体的仪器星等；

(6)选择LANDOLT星作为较差测光的标准星，计算转换得到空间物体的视星等，进行流量定标，得到空间物体的视星等。

步骤二：光度数据检验

(1)检验数据时长，确定时间跨度不小于1小时；

(2)数据点不少于100个。

步骤三：信息熵的计算

(1)采用既定的公式计算，遍历所用数据，计算获取该空间物体该段光度数据的信息熵

步骤四：姿态稳定状态判定

1.以0.1为阈值，分析判定空间物体的姿态稳定状态；

2.信息熵大于0.1的，判定为姿态失稳；

3.信息熵小于等于0.1，判定为姿态稳定。

本发明的技术方案与现有技术相比具有如下技术效果：

1.具有被动式无源接收特性，由于利用太阳作为照射源，探测行为不易被发现，隐蔽性强。

2.相比现阶段的雷达探测能力而言，光电探测距离远，可探测到距离地球表面40000公里的20星等的空间物体，目前雷达探测只能探测到几千公里。

3.本发明能够快速推广应用至我国现有的光电探测设备上，无需较大硬件改动即可形成空间物体的姿态稳定状态判定能力。

附图说明

图1为本发明的同步轨道空间物体姿态稳定状态判定方法的流程框图。

具体实施方式

下面机和附图对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示，本发明一种基于信息熵的空间物体姿态稳定状态判定方法，基于光电探测的空间物体光变特性获取方法，分成数据获取和数据处理两部分，首先进行数据获取，主要在步骤一中实现。

步骤一：观测获取高精度的空间物体的光度信息

(1)拍摄光度标定辅助图像：本底图像、平场图像、标准星图像

观测测试并拍摄本底图像和平场图像

选取已知亮恒星进行观测测试，确认望远镜指向正常、CCD工作正常后，拍摄本底图像和平场图像。

拍摄标准星图像

选取在空间物体天区附近的LANDOLT星，拍摄标准星图像。

(2)拍摄空间物体图像

将观测目标的精密星历表输入望远镜系统，根据精密星历表引导望远镜跟踪锁定空间物体进入视场中心，望远镜跟踪锁定观测目标，CCD(Charge Coupled Device)开始连续曝光。由天光背景亮度调整合适的曝光时间长度和延时，由观测目标亮度确定设置CCD合适的增益(Gain)值，由观测需求和观测弧段长度确定合适的读出速度后CCD连续曝光，进行时序测光。

(3)对图像进行校正(本底改正和平场改正)，提高信噪比本底改正：在空间物体图像中，要分析的是直接来自可能观测目标(经过A/D转换)的光电子。但图像中的光电子，实际上是以下几项来源之和：

本底噪声：CCD本身电路的电流。

天光噪声：大气层反射、散射和发射到CCD的光电子。

读出噪声：在读出过程中，线缆中产生和A/D转换的电子噪声。

观测目标源：来自观测目标的光电子。

平场图像、标准星图像和含有观测目标的原始图像，分别减去本底图像，以进行本底改正。

平场改正：使用标准光源或者天光背景获得平场图像，平场图像能够体现光学系统、快门效应和CCD的大尺度不均匀性。标准星图像和原始图像分别除去改正后的平场，可以消除上述因素造成的大尺度不均匀性。

(4)孔径测光，证认图像中的观测目标，计算目标的半高全宽

孔径的选择一般都依赖于FWHM，即星象的半高全宽。又星象的轮廓理论上为高斯轮廓，FWHM与高斯函数中Sigma的关系为

即FWHM＝2.35482xSigma

根据一维高斯函数的性质：

若测光孔径为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。

(5)计算空间物体的仪器星等；

根据空间物体的半高全宽，选择天光孔径大小，去除天光背景对空间物体测光的影响，得到空间物体的仪器星等。

一般如果观测目标足够亮(信噪比≥10)，测光孔径可取2倍FWHM，若观测目标较暗可适当减小测光孔径(信噪比＜10)，以便获得更高的信噪比。

流量定标

将拍摄的LANDOLT星作为较差测光的标准星，计算转换得到空间物体的视星等，进行流量定标，得到空间物体的视星等。

流量定标的过程为：首先从星表库中选择标准星，在观测中测量标准星在大气层内的亮度，然后利用较差测光的方法计算空间物体在大气层外的亮度。

Landolt标准星的精度达到0.01星等，因此观测的标准星一般都在Landolt标准星表里选取。

较差测光的关系式如下：

u，b，v，r，i为仪器星等(即大气层内光学系统测得的亮度)，U，B，V，R，I为视星等，C_u-C_i为各波段的常数项，X_u-X_i为各波段大气质量，β_u-β_i为系统转换系数，κ′_u-κ′_i为各波段大气主消光系数，κ″_u-κ″_i为大气二次消光系数，一般很小，拟和时通常将其置为零。

较差测光的过程为：首先利用标准星的仪器星等(大气层内光学系统测得的标准星亮度)和视星等(从Landolt标准星表中读取)计算出式(1)中相关的常系数项，然后利用该关系式和空间物体的仪器星等(大气层内光学系统测得的空间物体亮度)计算空间物体的视星等(即空间物体在大气层外的亮度)。

这样即可获得空间物体在观测时刻的亮度(星等值)，一系列的图像处理分析即可得到可供判定分析的一段时间-星等数据。

步骤二：数据时长和数据点数据检查

本方法是通过对一段连续的时间-星等数据进行处理分析，以进行姿态稳定状态的判定，首选是对连续数据进行检验，确定数据是否满足以下要求：

(1)检验数据时长，确定时间跨度不小于1小时；

(2)检查数据点的分布情况，在整个1小时内应较为均匀分布且不少于100个数据点。

步骤三：信息熵的计算

卫星光度信息熵E定义为：

式中，f_i为第i点空间物体的星等，N为数据点的数量

步骤四：姿态稳定状态判定

通过步骤三的计算即可获取空间物体的信息熵，则通过大量已知空间物体姿态稳定状态的观测分析确定0.1为判定阈值，则可通过以下步骤进行分析：

(1)以0.1为阈值，分析判定空间物体的姿态稳定状态；

(2)信息熵大于0.1的，判定为姿态失稳；

(3)信息熵小于等于0.1，判定为姿态稳定。

Claims (7)

1.一种基于信息熵的空间物体姿态稳定状态判定方法，其特征在于，该方法基于光电探测的空间物体光变特性获取方法，分成数据获取和数据处理两部分，包括如下步骤：

步骤1：观测获取高精度的空间物体的光度信息；

步骤2：对步骤1得到的光度信息的光度数据进行检验；

步骤3：根据步骤2检验后的光度数据进行信息熵E值的计算；

步骤4：根据步骤3得到的信息熵E值对姿态稳定状态判定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1的具体步骤为：

1.1拍摄光度标定辅助图像：本底图像、平场图像、标准星图像；

1.2拍摄空间物体图像；

1.3对图像进行校正，提高信噪比；

1.4孔径测光，认证图像中的观测目标，计算目标的半高全宽；

1.5计算空间物体的仪器星等，根据空间物体的半高全宽，选择天光孔径大小，去除天光背景对空间物体测光的影响，得到空间物体的仪器星等；

1.6选择LANDOLT星作为较差测光的标准星，计算转换得到空间物体的视星等，进行流量定标，得到空间物体的视星等。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1.6的流量定标的过程为：首先从星表库中选择标准星，在观测中测量标准星在大气层内的亮度，然后利用较差测光的方法计算空间物体在大气层外的亮度；

较差测光的关系式如下：

式中：u，b，v，r，i为仪器星等，U，B，V，R，I为视星等，C_u、-C_i为各波段的常数项，X_u-X_i为各波段大气质量，β_u-β_i为系统转换系数，κ′_u-κ′_i为各波段大气主消光系数，K″_u-K″_i为大气二次消光系数；

其次，利用标准星的仪器星等，即大气层内光学系统测得的标准星亮度和视星等计算出式(1)中相关的常系数项，然后利用该关系式和空间物体的仪器星等，即大气层内光学系统测得的空间物体亮度计算空间物体的视星等即空间物体在大气层外的亮度。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述图像进行校正包括本底改正和平场改正；

其中，所述本底改正为：将平场图像、标准星图像和含有观测目标的原始图像，分别减去本底图像，以进行本底改正。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二中的光度数据检验为根据以下条件对光度数据进行检验确：

(1)检验数据时长，确定时间跨度不小于1小时；

(2)检查数据点N的分布情况，在整个1小时内均匀分布，且数据点N≥100。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三的具体步骤为：确定该空间物体该段光度数据的信息熵E，公式如下：

卫星光度信息熵E定义为：

式中，f_i为第i点空间物体的星等，N为数据点的数量。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四的具体步骤为：

4.1首先以0.1为阈值，分析判定空间物体的姿态稳定状态；

4.2如果信息熵E＞0.1，则判定为姿态失稳；

4.3如果信息熵E≤0.1，则判定为姿态稳定。