CN108362268A - 一种基于视频测量的自动天文测量方法和测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于视频测量的自动天文测量方法和测量系统，测量方法包括如下步骤：导入等高星表，获取目标星体在等高星表中的编号，并预测出目标星体在当前观测时间所在的区域；对目标星体在当前观测时间所在的区域进行观测，获取成像信息，根据成像信息得到星图，并对星图进行阈值分割和星点质心计算；将星图由像素坐标转化为度盘方向坐标；获取度盘方位信息，并结合观测历元，计算得到目标星体的目标方位。本发明所提供的技术方案，不需要人眼瞄准观测，所以检测的结果不存在人仪差，检测结果比较精确；并且根据目标星体所在区域对视频装置进行调整，能够扩大检测视野，减少检测盲区。

Description

一种基于视频测量的自动天文测量方法和测量系统

技术领域

本发明属于天文测量技术领域，具体涉及一种基于视频测量的自动天文测量方法和测量系统。

背景技术

无论是在大地网起始点、边的数据测定还是在国防建设科技领域中，天文测量都有着不可替代的作用。目前，常用的天文测量定位方法主要有两种：

第一种测量方法是基于全站仪模式的天文测量，这种测量方法是通过人眼跟踪瞄准待测恒星记录仪器度盘值，并借此进一步解算天文经纬度和天文定位；以天文定位为例，这种测量方法的操作流程如下图1所示；这种测量方法的优点是是装备小型化，操作简易；但是由于这种测量方法需要全程使用人眼瞄准观测，因此测量结果必然会受到人仪差的影响，在测量前后也需要进行人仪差标定，其自动化程度有待进一步提高；并且这种测量方法在使用全站仪进行多个时段进行观测时，由于人眼长时间进行目标照准，会造成作业效率随测量时间的延长而大幅下降的问题，影响观测精度。

第二种测量方法是基于数字天顶仪的天文测量，这种方法是利用CCD拍照获得天顶天区恒星图像，通过对图像进行处理，自动获得恒星位，这种方法的CCD处理流程如图2所示；这种测量方法使用客观的仪器代替人眼主观测量，克服了人仪差影响，具有速度快、自动化程度高、观测稳定准确等优点，并能够提高作业效率；但是这种测量方法所采用的数字天顶仪比较沉重，携带不便，并且天顶仪不具备定向功能，其观测视野也较小，存在很大的观测盲区。

由此可见，现有技术的天文测量方法不能同时保证观测精度和观测视野，目前成熟的装备技术也无法兼顾自动化与小型化。

发明内容

本发明提供一种基于视频测量的自动天文测量方法和测量系统，用于解决现有天文测量方法不能同时保证观测精度和观测视野的问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

方法方案1：一种基于视频测量的自动天文测量方法，包括如下步骤：

(1)导入等高星表，获取目标星体在等高星表中的编号，并预测出目标星体在当前观测时间所在的区域；

(2)对目标星体在当前观测时间所在的区域进行观测，获取成像信息，根据成像信息得到星图，并对星图进行阈值分割，计算出目标星体的星点质心坐标；

(3)将目标星体的星点质心坐标由像素坐标转化为度盘方向坐标；

(4)获取度盘方位信息，并结合观测历元，计算得到目标星体的位置和测量系统的位置。

本发明所提供的技术方案，首先预测处目标星体在当前观测时间所在的区域，然后控制视频采集设备采集目标星体所在区域的图像，通过对图像的处理，得到目标星体所在的目标方位。本发明所提供的技术方案，不需要人眼瞄准观测，所以检测的结果不存在人仪差，检测结果比较精确；并且根据目标星体所在区域对视频装置进行调整，能够扩大检测视野，减少检测盲区。并且还能够解决目前成熟的装备技术无法兼顾自动化与小型化的问题。

方法方案2：在方法方案1的基础上，获取成像信息后，采用一维最大熵法或者kittler算法分割星图，采用连通域法识别星点，采用质心法或者质心算法的改进算法计算星点质心。

方法方案3：在方法方案1的基础上，将目标星体的星点质心坐标由像素坐标转化为度盘方向坐标时，根据目标星体的星点图像像素坐标得到目标星体的水平角和高度角。

方法方案4：在方法方案1的基础上，获取度盘方位信息后，采用多星近似等高法和北极星任意角度法，结合最小二乘原理，计算出目标星体的位置和测量系统的位置。

系统方案1：一种基于视频测量的自动天文测量系统，包括处理装置，处理装置连接有视频测量模块和时间基准模块，所述视频测量模块包括视频采集装置和测量角度调节装置，所述时间基准装置设置有授时器；所述处理装置用于实现如下控制步骤：

(1)导入等高星表，获取目标星体在等高星表中的编号，并预测出目标星体在当前观测时间所在的区域；

(2)控制视频测量模块对目标星体在当前观测时间所在的区域进行观测，获取成像信息，根据成像信息得到星图，并对星图进行阈值分割，计算出目标星体的星点质心坐标；

(3)将目标星体的星点质心坐标由像素坐标转化为度盘方向坐标；

(4)获取度盘方位信息，并结合观测历元，计算得到目标星体的位置和测量系统的位置。

系统方案2：在系统方案1的基础上，获取成像信息后，采用一维最大熵法或者kittler算法分割星图，采用连通域法识别星点，采用质心法或者质心算法的改进算法计算星点质心。

系统方案3：在系统方案1的基础上，将目标星体的星点质心坐标由像素坐标转化为度盘方向坐标时，根据目标星体的星点图像像素坐标得到目标星体的水平角和高度角。

系统方案4：在系统方案1的基础上，获取度盘方位信息后，采用多星近似等高法和北极星任意角度法，结合最小二乘原理，计算出目标星体的位置和测量系统的位置。

系统方案5：在系统方案1的基础上，所述处理装置与视频测量模块、时间基准装置通过通讯线或者无线网络通讯连接。

附图说明

图1为现有技术中基于全站仪模式天文测量的流程图；

图2为现有技术中基于数字天顶仪天文测量的流程图；

图3为实施例中基于视频测量的自动天文测量系统的系统原理图；

图4为实施例中基于视频测量的自动天文测量方法流程图原理图；

图5为实施例中多星近似等高法原理示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于视频测量的自动天文测量方法和测量系统，用于解决现有天文测量方法不能同时保证观测精度和观测视野的问题，以及目前成熟的装备技术也无法兼顾自动化与小型化的问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种基于视频测量的自动天文测量方法，包括如下步骤：

(1)导入等高星表，获取目标星体在等高星表中的编号，并预测出目标星体在当前观测时间所在的区域；

(2)对目标星体在当前观测时间所在的区域进行观测，获取成像信息，根据成像信息得到星图，并对星图进行阈值分割，计算出目标星体的星点质心坐标；

(3)将目标星体的星点质心坐标由像素坐标转化为度盘方向坐标；

(4)获取度盘方位信息，并结合观测历元，计算得到目标星体的位置和测量系统的位置。

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本实施例提供一种基于视频测量的自动天文测量系统，用于对目标星体进行观测，在保证对目标星体的观测视野的同时，还提高对目标星体的观测精度。

本实施例所提供的基于视频测量的自动天文测量系统，其系统结构如图3所示，包括处理装置，视频测量模块和时间基准装置。

处理装置与视频测量模块和时间基准装置通过无线网络通讯连接，其中视频测量模块包括测量机器人和长焦相机，长焦相机设置在测量机器人上，用于获取星图图像，并将获取到的星图图像发送给处理装置；机器人用于根据处理装置的控制指令调整长焦相机的拍摄区域。

时间基准装置包括计时器、卫星授时器和比时终端，其中卫星授时器用于接收卫星导航定位系统的授时信号，比时终端用于根据授时信号对处理装置的时间进行校准，计时器用于时间基准装置的守时，实现对处理装置时间基准的维护。

处理装置包括自动寻星模块、成像控制模块、坐标转换模块和定位导航模块。处理装置的各模块用于根据时间基准装置从卫星导航定位系统接收到的守时信号向测量机器人发送控制命令，控制长焦相机的拍摄范围，实现对目标星体的自动观测，其流程如图4所示，具体步骤如下：

(1)导入等高星表，获取目标星体在等高星表中的编号；等高新表采用全球通用的等高星表，比如广泛使用的依巴谷星表；

(2)根据卫星导航定位系统的授时信号，预测出当前时刻目标星体所在的区域；

(3)向测量机器人发送控制信号，使长焦相机的拍摄区域为目标星体所在的区域；

(4)从长焦相机获取目标星体所在区域的成像信息，并根据成像信息得到目标星体所在区域的星图；

(5)采用一维最大熵法或者kittler算法对星图进行图像分割，采用连通域法识别目标星体的星点，并采用质心法或者质心法的改进算法计算目标星体的星点质心；采用一维最大熵法或者kittler算法对星图进行图像分割，采用连通域法识别目标星体的星点，并采用质心法或者质心法的改进算法计算目标星体的星点质心均属于现有技术，本实施例中不多做说明；

(6)采用基于最小二乘原理的多项式拟合法计算像素坐标和度盘坐标的转换模型参数，将目标星体由图像像素坐标系转换到度盘方位坐标系，即根据目标星体对应星点在图像像素坐标系中的图像像素坐标，得到目标星体的水平角和高度角；

(7)根据目标星体在度盘坐标系中的方位信息，结合多星近似等高法和北极星任意时角法，并采用最小二乘原理计算得到测量系统的位置和目标星体的方位，具体方式为：

设测得的目标星体的高度角为A，通过时间基准装置获取的观测时间为t，通过卫星授时器获取的观测瞬间的UTC时刻换算得到的观测时格林尼治真恒星时为S，则获取其中两个星体的高度角后，根据公式

t＝S-α+λ

结合最小二乘法原理，计算得到测站天文纬度和天文经度λ，其中目标星体的赤经α和赤纬δ可由视位置计算加上当前星表的计算改正获得。

视位置的定义：考虑到观测瞬时地球相对于天体的各种空间因素影响，对天体的真位置改正光行差和视差影响所得的位置称为视位置；视位置相当于观测者在假想无大气的地球上直接测量得到的观测瞬时的赤道坐标；星表中列出的天体位置通常是相对于某一个选定瞬时(称为星表历元)的平位置。

要得到观测瞬时的视位置需要加上以下改正：

①星表历元到观测瞬时岁差和自行改正；

②测瞬时的章动改正；

③观测瞬时的光行差和视差改正。

星表计算主要用来计算恒星等星体之间的距离。恒星之间的相对位置变化极小，因而恒星在天球上形成几乎固定不变的图形。为表达恒星在天球上的位置，需要采用坐标系。由于赤道坐标、黄道坐标和银道坐标与地球的自转没有关系，恒星坐标在这些参考系中的变化都很小，因此可以采用这两种坐标系统来表达恒星位置。由于传统最精确，最方便的测定恒星位置的方法是利用子午圈测定恒星中天时刻和中天时的天顶距，而这两个数据又很容易化为赤经和赤纬，因而赤道坐标系成为表达恒星位置的最常用的体系。

在实际作业中，如图5所示，为了提高观测精度，获得多余观测，往往一组需测定多个星体。考虑到现代全站仪的特点，观测只需采用近似等高，即用全站仪在等高圈上下小幅度地对选定恒星进行多次测量，就可以解算天文定位结果。

本实施例所提供的基于视频测量的自动天文测量系统，分别在2个野外基本天文测量点，选取3天时间、10个不同时段，均匀分布在全天区的恒星进行多次自动视频测量，共计测星132颗，观测1300余次。通过数据解算，求得天文定位经纬度的内符合精度以及与天文已知点坐标相比，其内符合精度如表1所示，外符合精度如表2所示，其中RMSE为均方根误差，用来衡量解算值与真实值之间的误差。由表1和表2可看出，本实施例所提供的基于视频测量的自动天文测量系统，其检测结果的精确度比较高。

表1

表2

表3给出了其中6个时段的测量结果和解算数据。

表3

表4为野外天文测量的精度指标，自动天文定位测量经纬度精度分别达到0.25″和0.02s以下，可以满足一等天文测量精度需求。

表4

	纬度(角秒)	经度(时秒)
			一等天文测量	±0.3	±0.02
二等天文测量	±0.5	±0.04
			三等天文测量	±1.0	±0.08
四等天文测量	±5.0	±0.4

利用该系统进行实验分析得到：本实施例所提供的基于视频测量的自动天文测量系统，其原理是可靠准确的，采用该系统能够实现天文测量装备小型化、自动化的同时，实现快速、精确定位。

本实施例中，处理装置与视频测量模块和时间基准装置通过无线网络通讯连接；作为其它实施方式，可以采用通讯线将处理装置与视频测量模块和时间基准装置通讯线通讯连接。

Claims (9)

1.一种基于视频测量的自动天文测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)导入等高星表，获取目标星体在等高星表中的编号，并预测出目标星体在当前观测时间所在的区域；

(2)对目标星体在当前观测时间所在的区域进行观测，获取成像信息，根据成像信息得到星图，并对星图进行阈值分割，计算出目标星体的星点质心坐标；

(3)将目标星体的星点质心坐标由像素坐标转化为度盘方向坐标；

(4)获取度盘方位信息，并结合观测历元，计算得到目标星体的位置和测量系统的位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于视频测量的自动天文测量方法，其特征在于，获取成像信息后，采用一维最大熵法或者kittler算法分割星图，采用连通域法识别星点，采用质心法计算或质心改进算法星点质心。

3.根据权利要求1所述的一种基于视频测量的自动天文测量方法，其特征在于，将目标星体的星点质心坐标由像素坐标转化为度盘方向坐标时，根据目标星体的星点图像像素坐标得到目标星体的水平角和高度角。

4.根据权利要求1所述的一种基于视频测量的自动天文测量方法，其特征在于，获取度盘方位信息后，采用多星近似等高法和北极星任意角度法，结合最小二乘原理，计算出目标星体的位置和测量系统的位置。

5.一种基于视频测量的自动天文测量系统，其特征在于，包括处理装置，处理装置连接有视频测量模块和时间基准模块，所述视频测量模块包括视频采集装置和测量角度调节装置，所述时间基准装置设置有授时器；所述处理装置用于实现如下控制步骤：

(1)生成等高星表，获取等高星表中目标星体的编号，并预测出目标星体在当前观测时间所在的区域；

(2)控制视频测量模块对目标星体在当前观测时间所在的区域进行观测，获取成像信息，根据成像信息得到星图，并对星图进行阈值分割，计算出目标星体的星点质心坐标；

(3)将目标星体的星点质心坐标由像素坐标转化为度盘方向坐标；

(4)获取度盘方位信息，并结合观测历元，计算得到目标星体的位置和测量系统的位置。

6.根据权利要求5所述的一种基于视频测量的自动天文测量系统，其特征在于，获取成像信息后，采用一维最大熵法或者kittler算法分割星图，采用连通域法识别星点，采用质心法或质心法的改进算法计算星点质心。

7.根据权利要求5所述的一种基于视频测量的自动天文测量系统，其特征在于，将目标星体的星点质心坐标由像素坐标转化为度盘方向坐标时，根据目标星体的星点图像像素坐标得到目标星体的水平角和高度角。

8.根据权利要求5所述的一种基于视频测量的自动天文测量系统，其特征在于，获取度盘方位信息后，采用多星近似等高法和北极星任意角度法，结合最小二乘原理，计算出目标星体的位置和测量系统的位置。

9.根据权利要求5所述的一种基于视频测量的自动天文测量系统，其特征在于，所述处理装置与视频测量模块、时间基准装置通过通讯线或者无线网络通讯连接。