CN108876846A - 一种基于光变曲线的卫星本体尺寸计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地基光学观测领域，公开了一种基于光变曲线的卫星本体尺寸计算方法，方法包括以下步骤：观测获取高精度的卫星光度信息；轨道计算和姿态计算获取光照可视关系；观测数据可用性检验；卫星本体尺寸计算。本方法克服了雷达手段对中高轨卫星观测能力的不足，提出了利用光学望远镜观测系统获取卫星本体尺寸的方法，获取其长宽高参数。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卫星本体尺寸确定能力。

Description

一种基于光变曲线的卫星本体尺寸计算方法

技术领域

本发明属于地基光电观测领域，涉及一种卫星本体尺寸的计算方法。

背景技术

尺寸大小是卫星的一个重要物理参数，除了从设计建造时得到的本体尺寸数据外，其它是通过各种观测测量获取的，一般用雷达探测获取的雷达散射截面(Radar crosssection，RCS)来表征卫星的大小。但其存在着一些限制，首先，雷达的波段较长，雷达散射截面与卫星结构、卫星姿态、雷达工作频率、入射场极化形式、接收天线极化形式等许多因素有关，且对边角敏感，容易在卫星边角处形成大值，不能很好表征卫星的真实尺度。其次，由于雷达探测信号强度与距离的四次方成正比，且会受到地面杂波和大气损耗影响，以及自身功率和工作波长的限制，一般很难使用雷达实现中高轨卫星的测量。第三，该量获取的为截面积且存在变化，不能表现卫星的长宽高具体尺寸。

本方法利用光度测量获取的时间-光度序列，着重分析在该时段内的光照可视关系，计算出主体结构为六面体卫星的长宽高参数，充分利用光学观测波段短、被动接受、探测距离远的特点，得到卫星主体尺寸的参数。

发明内容

本方法克服了雷达探测中高轨卫星的不足，提出了利用光学望远镜探测系统获取卫星主体尺寸的计算方法，获取其长宽高参数，由于光学波段比无线电波段长短，且对边角不敏感，该方法相对无线电手段可以精确获取卫星尺寸。

本发明的技术方案为：一种基于光变曲线的卫星本体尺寸计算方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：观测获取高精度的卫星的光度信息

(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)拍摄卫星的光度信息；

(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)计算卫星的仪器星等，根据其半高全宽，选择天光孔径大小，去除天光背景对卫星测光的影响，得到卫星的仪器星等；

(6)选择LANDOLT星作为较差测光的标准星，计算转换得到卫星的视星等，进行流量定标，得到卫星的视星等。

步骤2：轨道计算获取光照可视关系参量

(1)利用SGP4或SDP4模型进行卫星Tle轨道根数的外推预报计算，获取当前历元轨道坐标系下的坐标矢量；

(2)将卫星在当前历元轨道坐标系下矢量转换至站心赤道坐标系下，计算卫星至站心的距离-斜距R；

(3)卫星在当前历元轨道坐标系下位置和速度矢量转换至当前历元真赤道真春分点坐标系下的位置、速度矢量和

(4)同时获取光源(太阳)和测站在此坐标系中的位置矢量和

(5)根据位置矢量和速度矢量建星体坐标系；

(6)根据上述建立的坐标映射关系，将太阳和测站的位置矢量和转换至星体坐标系下的方位角和高度角，获得参数As，hs和Am，hm。

步骤3：观测数据的可用性校验

对整个数据段内的数据点对应的光照可视关系进行校验，检验是否满足计算要求。

步骤4：卫星主体尺寸计算

以卫星的三个立面的面积作为待估计参量，对不同时间点的光照可视关系、测量的星等值、反照率为输入量进行最小二乘法估计，计算处三个立体面的面积，进而计算出长宽高的尺寸。

进一步，所述步骤1的具体步骤为：

步骤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；

步骤1.2拍摄卫星图像；

步骤1.3对图像进行校正(本底改正和平场改正)，提高信噪比；

步骤1.4孔径测光，证认图像中的观测目标，计算目标的半高全宽；

步骤1.5计算卫星的仪器星等，根据卫星的半高全宽，选择天光孔径大小，去除天光背景对卫星测光的影响，得到卫星的仪器星等；

步骤1.5选择LANDOLT星作为较差测光的标准星，计算转换得到卫星的视星等，进行流量定标，得到卫星的视星等。

进一步，所述步骤2的具体步骤为：

步骤2.1利用SGP4或SDP4模型进行卫星Tle轨道根数的外推预报计算，获取当前历元轨道坐标系下的坐标矢量；

步骤2.2将卫星在当前历元轨道坐标系下矢量转换至站心赤道坐标系下，计算卫星至站心的距离-斜距R；

步骤2.3卫星在当前历元轨道坐标系下位置和速度矢量转换至当前历元真赤道真春分点坐标系下的位置、速度矢量和

步骤2.4同时获取光源(太阳)和测站在此坐标系中的位置矢量和

步骤2.5根据位置矢量和速度矢量建星体坐标系；

步骤2.6根据上述建立的坐标映射关系，将太阳和测站的位置矢量和转换至星体坐标系下的方位角和高度角，获得参数As，hs和Am，hm。

进一步，所述步骤3的具体步骤为：

步骤3.1)将太阳和测站的位置信息转换到直角坐标系中

和

步骤3.2)计算两个矢量分别与星体坐标系各个面的夹角，

太阳矢量和测站矢量与星体坐标系的xy，xz，yz平面夹角分别为u_s、v_s、w_s和u_m、v_m、w_m，则有(直线与平面夹角不大于180度)，

和

步骤3.3)照射面与可视面一致性检查：

按以下公式判断：

其中，K_a、K_b、K_c分别为a，b，c面是否可见的标识量，当a面或a′面可见是k_a为1，不可见时为0；当b面或b′面可见是k_b为1，不可见时为0；当c面或c′面可见是k_c为1，不可见时为0；

如果在整个数据段内，当出现K_a、K_b、K_c均为1的情况即认为数据段内数据符合可用性校验，可用于后续的主体尺寸计算；若不符合，则放弃计算。

进一步，所述步骤4的具体步骤为：

步骤4.1)xy、xz、yz平面可看到的面积系数分别为，

其中，t为太阳与0的空间夹角，0＜t＜180，

可看到的总面积S为：

S＝s₁*a+s₂*b+s₃*c，a＞0，b＞0，c＞0 (7)

其中，a、b、c分别为目标三个面面积，则可得，

其中，v为反射率，v取值范围为0.1，Mag目标星等，R为斜距；

4.2)以卫星的三个立面的面积a、b、c作为待估计参量，对不同时间点的光照可视关系、测量的星等值、反照率为输入量进行最小二乘法估计，根据计算得到的三个立体面的面积a、b、c，进而计算出长宽高的尺寸x_c、y_c、z_c。

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)具有灵敏度高、精度高，光学波段比无线电波段短，且对边角不敏感，可以比现在常用的雷达手段确定的尺度更加精确。

(3)相比现阶段的雷达探测能力而言，探测距离远，可探测到距离地球表面40000公里的20星等的卫星，目前雷达探测只能探测到几千公里。

(4)本发明能够快速推广应用至我国现有的卫星光电探测设备上，无需硬件改动即可形成卫星的外形尺寸确定能力。

附图说明

图1为本发明的基于光变曲线的卫星本体尺寸计算方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明所述的基于光电探测的卫星光变特性获取方法，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：观测获取高精度的卫星的光度信息

(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

选取在卫星天区附近的LANDOLT星，拍摄标准星图像。

(2)拍摄卫星图像

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卫星进入视场中心，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：在卫星图像中，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。

(3)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＝2.35482×Sigma

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。

(4)计算卫星的仪器星等；

根据卫星的半高全宽，选择天光孔径大小，去除天光背景对卫星测光的影响，得到卫星的仪器星等。

一般如果观测目标足够亮，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，以便获得更高的信噪比。

(5)流量定标

将拍摄的LANDOLT星作为较差测光的标准星，计算转换得到卫星的视星等，进行流量定标，得到卫星的视星等。

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卫星在大气层外的亮度。

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卫星的仪器星等(大气层内光学系统测得的卫星亮度)计算卫星的视星等(即卫星在大气层外的亮度)。

步骤二：轨道计算获取光照可视关系参量

该部分使用到本权利人的一项已经公开的专利《一种用于空间物体光度分析的光照可视关系计算方法》ZL201410350259.9。

(1)计算获取当前历元真赤道真春分点坐标系下的位置、速度矢量和

利用SGP4或SDP4模型进行空间物体Tle轨道根数的外推预报计算，获取当前历元轨道坐标系下的位置和坐标矢量；

空间物体在当前历元轨道坐标系下位置和速度矢量转换至当前历元真赤道真春分点坐标系下的位置、速度矢量和

同时获取光源(太阳)和测站在当前历元真赤道真春分点坐标系的位置矢量和

将卫星在当前历元轨道坐标系下矢量转换至站心赤道坐标系下，计算卫星至站心的距离-斜距R。

(2)基于空间物体的在当前历元真赤道真春分点坐标系下的位置和速度矢量建立轨道坐标系；

空间物体轨道平面为坐标平面，z₀轴由质心指向地心，x₀轴在轨道平面内与z₀轴垂直并指向空间物体速度方向，y₀轴与x₀、z₀轴右手正交且与轨道平面的的法线平行，通常称x₀、y₀、z₀轴分别为滚动、俯仰和偏航轴。

(3)引入姿态参量建立空间物体本体坐标系；

引入空间物体姿态的三个欧拉角-偏航角ψ、俯仰角θ和滚动角φ，构造空间物体本体坐标系与轨道坐标系的映射关系。

三个欧拉角的定义如下：

偏航角ψ：空间物体滚动轴(指向空间物体速度方向)在当地水平面上的投影与轨道轴的夹角；

俯仰角θ：空间物体滚动轴与其在当地水平面上的投影的夹角；

滚动角空间物体俯仰轴与其在当地水平面上的投影的夹角。

(4)进行照明矢量和观测矢量的计算。

根据上述建立的坐标映射关系，将太阳和测站的位置矢量和转换至本体坐标系下的方位角和高度角，获得参数As，hs和Am，hm。

步骤三：观测数据的可用性校验

利用光照可视关系参量对对整个数据段内的数据点对应的光照可视关系进行校验，检验是否满足计算要求。

(1)将太阳和测站的位置信息转换到直角坐标系中

和

(2)计算两个矢量分别与星体坐标系各个面的夹角，

太阳矢量和测站矢量与星体坐标系的xy，xz，yz平面夹角分别为u_s、v_s、w_s和u_m、v_m、w_m，则有(直线与平面夹角不大于180度)

和

(3)照射面与可视面一致性检查

按以下公式判断：

其中，K_a、K_b、K_c分别为a，b，c面是否可见的标识量，当a面或a′面可见是K_a为1，不可见时为0；当b面或b′面可见是K_b为1，不可见时为0；当c面或c′面可见是K_c为1，不可见时为0；

如果在整个数据段内，当K_a、K_b、K_c出现均为1的情况即认为数据段内数据符合可用性校验，可用于后续的主体尺寸计算；若不符合，则放弃计算；

步骤四：卫星主体尺寸计算：

xy、xz、yz平面可看到的面积系数分别为，

其中t为太阳与0的空间夹角，0＜t＜180，

可看到的总面积为，

S＝s₁*a+s₂*b+s₃*c，a＞0，b＞0，c＞0 (7)

其中，a、b、c分别为目标三个面面积，则可得，

其中，v为反射率(一般取为0.1)，Mag为目标星等，R斜距。

以卫星的三个立面的面积a、b、c作为待估计参量，对不同时间点的光照可视关系、测量的星等值、反照率为输入量进行最小二乘法估计，根据计算得到的三个立体面的面积a、b、c，进而计算出长宽高的尺寸x_c、y_c、z_c。

Claims (5)

1.一种基于光变曲线的卫星本体尺寸计算方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1.观测获取高精度的卫星的光度信息；

步骤2.轨道计算获取光照可视关系参量；

步骤3.观测数据的可用性校验：

对整个数据段内的数据点对应的光照可视关系进行校验，检验是否满足计算要求；

步骤4.卫星主体尺寸计算：

以卫星的三个立面的面积作为待估计参量，对不同时间点的光照可视关系、测量的星等值、反照率为输入量进行最小二乘法估计，计算处三个立体面的面积，进而计算出长宽高的尺寸。

2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述步骤1的具体步骤为：

步骤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；

步骤1.2拍摄卫星图像；

步骤1.3对图像进行校正(本底改正和平场改正)，提高信噪比；

步骤1.4孔径测光，证认图像中的观测目标，计算目标的半高全宽；

步骤1.5计算卫星的仪器星等，根据卫星的半高全宽，选择天光孔径大小，去除天光背景对卫星测光的影响，得到卫星的仪器星等；

步骤1.5选择LANDOLT星作为较差测光的标准星，计算转换得到卫星的视星等，进行流量定标，得到卫星的视星等。

3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤为：

步骤2.1利用SGP4或SDP4模型进行卫星Tle轨道根数的外推预报计算，获取当前历元轨道坐标系下的坐标矢量；

步骤2.2将卫星在当前历元轨道坐标系下矢量转换至站心赤道坐标系下，计算卫星至站心的距离-斜距R；

步骤2.3卫星在当前历元轨道坐标系下位置和速度矢量转换至当前历元真赤道真春分点坐标系下的位置、速度矢量和

步骤2.4同时获取光源(太阳)和测站在此坐标系中的位置矢量和

步骤2.5根据位置矢量和速度矢量建星体坐标系；

步骤2.6根据上述建立的坐标映射关系，将太阳和测站的位置矢量和转换至星体坐标系下的方位角和高度角，获得参数As，hs和Am，hm。

4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述步骤3的具体步骤为：

步骤3.1)将太阳和测站的位置信息转换到直角坐标系中

和

步骤3.2)计算两个矢量分别与星体坐标系各个面的夹角，

太阳矢量和测站矢量与星体坐标系的xy，xz，yz平面夹角分别为u_s、v_s、w_s和u_m、v_m、w_n，则有(直线与平面夹角不大于180度)

和

步骤3.3)照射面与可视面一致性检查：

按以下公式判断：

其中，K_a、K_b、K_c分别为a，b，c面是否可见的标识量，当a面或a′面可见是K_a为1，不可见时为0；当b面或b′面可见是k_b为1，不可见时为0；当c面或c′面可见是k_c为1，不可见时为0；

如果在整个数据段内，当出现K_a、K_b、K_c均为1的情况即认为数据段内数据符合可用性校验，可用于后续的主体尺寸计算；若不符合，则放弃计算。

5.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述步骤4的具体步骤为：

步骤4.1)xy、xz、yz平面可看到的面积系数分别为，

其中，t为太阳与O的空间夹角，0＜t＜180，

可看到的总面积S为：

S＝s₁*a+s₂*b+s₃*c，a＞0，b＞0，c＞0 (7)

其中，a、b、c分别为目标三个面面积，则可得，

其中，v为反射率，v取值范围为0.1，Mag为目标星等，R为斜距；

4.2)以卫星的三个立面的面积a、b、c作为待估计参量，对不同时间点的光照可视关系、测量的星等值、反照率为输入量进行最小二乘法估计，根据计算得到的三个立体面的面积a、b、c，进而计算出长宽高的尺寸x_c、y_c、z_c。