CN110044477B - 一种具有相似空间观测几何变化规律的光度数据搜索方法 - Google Patents

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CN110044477B CN201910335287.6A CN201910335287A CN110044477B CN 110044477 B CN110044477 B CN 110044477B CN 201910335287 A CN201910335287 A CN 201910335287A CN 110044477 B CN110044477 B CN 110044477B
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Abstract

本发明公开了一种具有相似空间观测几何变化规律的光度数据搜索方法，针对空间目标光度数据获取过程中空间观测几何变化规律以及光度数据的特点，对空间目标的光度数据进行预处理和分析，为空间目标姿态、形状的反演以及状态的判定提供具有相似空间观测几何变化规律的光度数据，本发明公开的一种具有相似空间观测几何变化规律的光度数据搜索方法，相较于直接将当前观测数据和历史数据进行对比分析，更具有实际物理意义和几何意义。

Description

一种具有相似空间观测几何变化规律的光度数据搜索方法
技术领域
本发明涉及的是一种具有相似空间观测几何变化规律的光度数据搜索方法，属于计算领域。
背景技术
空间目标的光度数据实质是由空间观测几何变化，引起照射面和观测面随时间变化，进而目标观测亮度发生变化的光度曲线，空间目标的光度数据是与观测角度严格相关的。当前我国地基空间目标光学监视系统观测并累积了大量的光度数据，但是从国外开发的以光度数据为驱动的目标特性分析系统来看，大都面向GEO轨道目标。这是由于GEO目标对地相对静止，空间几何对目标光度数据观测影响较小。
发明人在研究的过程中发现：该系统针对空间目标光度数据，直接对目标的光度数据进行机器学习，而不考虑目标光度数据的获取过程，机器学习的结果将不具备实际意义，无法达到预期的效果；并且当前针对空间目标光度数据，所应用的轨道类型为GEO目标，机器学习的模型无法应用在其他轨道类型的目标，导致直接利用光度数据进行机器学习不具备普适性，方法受限。只利用相位角去约束，而针对空间目标光学观测，只用一个角度去衡量观测几何关系，是不全面的。
因此，考虑空间观测过程中的几何关系，将使得分析结果具有实际物理意义。
若想对目标的光度数据进行分析，需要考虑目标光度数据产生过程及影响因素。空间目标光度数据是与观测时的空间几何关系(太阳-目标-探测器之间的位置关系)相互耦合的，空间几何的不同导致目标被太阳照射到的表面和被探测器观测的表面不同。相同的空间目标不同的观测几何变化规律，探测器观测得到目标的光度数据不同。同时，形状、尺寸、状态及表面材质等空间目标自身特征，也是影响空间目标光度数据的主要因素。因此，针对空间目标的形状、姿态的反演以及工作状态的确定，需在相同或者相似的观测角度下进行。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提供了一种具有相似空间观测几何变化规律的光度数据搜索方法，针对空间目标光度数据获取过程中空间观测几何变化规律，针对光度数据的特点，对空间目标的大数据光度数据进行预处理和分析，为空间目标姿态、形状的反演以及状态的判定提供具有相似空间观测几何变化规律的光度数据。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来具体实现：
本发明提供了一种具有相似空间观测几何变化规律的光度数据搜索方法，该方法包括：
步骤一、采集多组不同时间观测的空间目标的光度数据和轨道数据，作为空间目标数据库；
步骤二、通过空间目标的轨道数据解析出空间目标观测过程中太阳、探测器和空间目标三者的相对位置序列，相对位置序列统一在卫星质心轨道坐标系下；
步骤三、由相对位置序列解算相位角序列、太阳的方位角序列、太阳的俯仰角序列、探测器的方位角序列和探测器的俯仰角序列；太阳的方位角序列的变化规律、太阳的俯仰角序列的变化规律、探测器的方位角序列的变化规律与探测器的俯仰角序列的变化规律为空间观测几何变化规律；
步骤四、获取当前观测数据，所述当前观测数据包括当前观测光度数据和当前观测轨道数据；
步骤五、搜索空间目标数据库中与当前观测数据的相位角序列具有相似的变化规律的第一空间目标数据库；
步骤六、在第一空间目标数据库中搜索与当前观测数据的太阳的方位角序列、太阳的俯仰角序列、探测器的方位角序列和探测器的俯仰角序列均具有相似的变化规律的第二空间目标数据库，作为与当前观测数据的光度数据具有相似空间观测几何变化规律的光度数据集。
所述步骤一中，采集多组不同时间观测的空间目标的光度数据和轨道数据包括：
通过仿真计算、实际观测和/或实验室模拟测量方式获取不同平台形状、不同姿态、不同工作状态以及不同轨道类型在不同观测时间的光度数据和轨道数据。
所述步骤二中，相对位置序列统一在卫星质心轨道坐标系下的方法，包括：
在卫星工具箱(Satellite Tool Kit，STK)中，添加探测器和被观测卫星并建立卫星质心轨道坐标系，在卫星质心轨道坐标系下建立指向探测器的矢量以及指向太阳的矢量；
设置探测器的光照限制条件为：探测器处于全影或者半影区；
设置空间目标的光照条件为：空间目标被太阳直射；
通过STK报表管理器输出可观测弧段内的卫星质心轨道坐标系下探测器的位置序列以及太阳的位置序列。
所述步骤三中，由相对位置序列解算相位角序列、太阳的方位角序列、太阳的俯仰角序列、探测器的方位角序列和探测器的俯仰角序列，包括：
由相对位置序列解算相位角序列的方法如下：
Figure BDA0002038956040000021
其中，i为可观测弧段内的时刻，SunInSat为太阳的矢量；FacInSat为探测器的矢量；
太阳的矢量的坐标为SunInSati＝(SXi,SYi,SZi)；探测器的矢量的坐标为FacInSati＝(FXi,FYi,FZi)；其中，Si'＝(SXi,SYi,0)；Fi'＝(FXi,FYi,0)；
由相对位置序列解算太阳的方位角序列、太阳的俯仰角序列、探测器的方位角序列和探测器的俯仰角序列的方法如下：
Figure BDA0002038956040000031
其中，符号“*”表示向量的内积运算，符号“||”表示对向量求模运算；
向量Z＝(0,0,1),X＝(1,0,0)；αSi为第i时刻，太阳的方位角、αFi为第i时刻，探测器的方位角、βSi为第i时刻，太阳的俯仰角、βFi为第i时刻，探测器的俯仰角。
所述步骤四中，当前观测数据包括：
空间目标数据库中随机抽取的数据；或
实时观测得到的数据；或
积累多个弧段的观测数据Access。
所述步骤五中，搜索空间目标数据库中与当前观测数据的相位角序列具有相似的变化规律的第一空间目标数据库的方法，包括：
快速计算当前观测数据的相位角序列
Figure BDA0002038956040000032
和空间目标数据库中的所有Access的相位角序列的动态时间规整距离；其中，快速计算当前观测数据的相位角序列
Figure BDA0002038956040000033
和空间目标数据库中的第Access次的相位角序列
Figure BDA0002038956040000034
的动态时间规整距离为：
Figure BDA00020389560400000310
其中，空间目标对地基光学探测器可观测的限制条件为：空间目标被太阳直射且探测器处于地球全影或半影区，目标和探测器之间无任何遮挡；Access表示满足限制条件的可观测弧段；
Figure BDA0002038956040000035
表示当前观测数据的相位角序列，下标字母t表示当前观测数据；
Figure BDA0002038956040000036
为快速计算
Figure BDA0002038956040000037
序列和
Figure BDA0002038956040000038
序列的动态时间规整距离；依据
Figure BDA0002038956040000039
的大小顺序将空间目标数据库中的Access排序，抽取排序后的前o1个Access空间目标数据作为第一空间目标数据库；o1为输入参数，用于控制第一空间目标数据库的Access的数量。
所述步骤六中，在第一空间目标数据库中搜索与当前观测数据的太阳的方位角序列、太阳的俯仰角序列、探测器的方位角序列和探测器的俯仰角序列均具有相似的变化规律的第二空间目标数据库的方法，包括：
快速计算当前观测数据的太阳方位角序列αSt和第一空间目标数据库Dom1中的所有Access的太阳方位角序列的动态时间规整距离；其中，快速计算当前观测数据的太阳方位角序列αSt和第一空间目标数据库Dom1中的第Access次的太阳方位角序列αS[Access]的动态时间规整距离为：
αSFDTW[Access]＝FDTW(αSt,αS[Access])；
其中，αSt中下标大写字母S表示方位角序列所属对象为太阳，下标字母t表示当前观测数据；
快速计算当前观测数据的探测器的方位角序列αFt和第一空间目标数据库Dom1中的所有Access的探测器的方位角序列的动态时间规整距离；其中，快速计算当前观测数据的探测器的方位角序列αFt和第一空间目标数据库Dom1中的第Access次的探测器的方位角序列αF[Access]的动态时间规整距离为：
αFFDTW[Access]＝FDTW(αFt,αF[Access])；
其中，αFt中下标大写字母F表示方位角序列所属对象为探测器，下标字母t表示当前观测数据；
快速计算当前观测数据的太阳俯仰角序列βSt和第一空间目标数据库Dom1中的所有Access的太阳的俯仰角序列的动态时间规整距离；其中，快速计算当前观测数据的太阳俯仰角序列βSt和第一空间目标数据库Dom1中的第Access次的太阳的俯仰角序列βS[Access]的动态时间规整距离为：
βSFDTW[Access]＝FDTW(βSt,βS[Access])；
其中，βSt中下标大写字母S表示俯仰角序列所属对象为太阳，下标字母t表示当前观测数据；
快速计算当前观测探测器的俯仰角序列βFt和第一空间目标数据库Dom1中的所有Access的探测器的俯仰角序列的动态时间规整距离；其中，快速计算当前观测探测器的俯仰角序列βFt和第一空间目标数据库Dom1中的第Access次的探测器的俯仰角序列βF[Access]的动态时间规整距离为：
βFFDTW[Access]＝FDTW(βFt,βF[Access])；
其中，βFt中下标大写字母F表示俯仰角序列所属对象为探测器，下标字母t表示当前观测数据；
分别依据αSFDTW、αFFDTW、βSFDTW、βFFDTW的大小顺序对第一空间目标数据库中的Access执行四种排序，组成四个空间目标数据库Dom11、Dom12、Dom13、Dom14，同时抽取Dom11～Dom14中前n(n≤o1)个Access，组成第二空间目标数据库，其中要求第二空间目标数据库中包含o2种Access，每种出现四次，其中o2为输入量，用于控制第二空间目标数据库的Access的数量。
本发明的有益效果是：
本发明提供的技术方案，针对当前观测数据，实现了与当前观测数据相似空间观测几何变化规律数据集的搜索，实验证实，搜索结果中太阳方位角和当前观测数据的太阳方位角变化趋势和幅值基本是一致的，太阳俯仰角和当前观测数据的太阳俯仰角变化趋势和幅值基本是一致的，探测器方位角和当前观测数据的探测器方位角变化趋势和幅值基本是一致的，探测器俯仰角与当前观测数据的探测器俯仰角变化趋势和幅值基本是一致的。在相似的空间观测几何变化规律下，同一目标的OCS曲线图基本是一致的。相较于直接将当前观测数据和历史数据进行对比分析，更具有实际物理意义和几何意义。
附图说明
图1所示为本发明提供的空间观测几何关系示意图。
图2所示为本发明提供的空间观测角度定义示意图。
图3所示为本发明提供的卫星星下点轨迹示意图。
图4所示为本发明提供的FDTW的流程图。
图5所示为本发明提供的同一目标不同空间观测几何变化规律下OCS曲线示意图。
图6所示为本发明提供的不同空间观测几何变化规律下相位角变化曲线示意图。
图7a至图7b所示为本发明提供的不同空间观测几何变化规律下太阳矢量方位角和俯仰角变化曲线示意图。
图8a至图8b所示为本发明提供的不同空间观测几何变化规律下探测器矢量方位角和俯仰角变化曲线示意图。
图9所示为本发明提供的第一空间目标数据库中相位角参考数据集示意图。
图10a至图10d所示为本发明提供的相似的空间观测几何变化规律搜索结果示意图。
图11所示为本发明提供的第二空间目标数据库中相位角曲线图。
图12所示为本发明提供的第二空间目标数据库中同一目标的OCS曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行具体阐述，需要指出的是，本发明的技术方案不限于实施例所述的实施方式，本领域的技术人员参考和借鉴本发明技术方案的内容，在本发明的基础上进行的改进和设计，应属于本发明的保护范围。
实施例一
本发明实施例一提供了一种具有相似空间观测几何变化规律的光度数据搜索方法，该方法包括：
步骤一、采集多组不同时间观测的空间目标的光度数据和轨道数据，作为空间目标数据库；
步骤二、通过空间目标的轨道数据解析出空间目标观测过程中太阳、探测器和空间目标三者的相对位置序列，相对位置序列统一在卫星质心轨道坐标系下；
步骤三、由相对位置序列解算相位角序列、太阳的方位角序列、太阳的俯仰角序列、探测器的方位角序列和探测器的俯仰角序列；太阳的方位角序列的变化规律、太阳的俯仰角序列的变化规律、探测器的方位角序列的变化规律与探测器的俯仰角序列的变化规律为空间观测几何变化规律；
步骤四、获取当前观测数据，所述当前观测数据包括当前观测光度数据和当前观测轨道数据；
步骤五、搜索空间目标数据库中与当前观测数据的相位角序列具有相似的变化规律的第一空间目标数据库；
步骤六、在第一空间目标数据库中搜索与当前观测数据的太阳的方位角序列、太阳的俯仰角序列、探测器的方位角序列和探测器的俯仰角序列均具有相似的变化规律的第二空间目标数据库，作为与当前观测数据的光度数据具有相似空间观测几何变化规律的光度数据集。
步骤二中，相对位置序列统一在卫星质心轨道坐标系下的方法，包括：
在卫星工具箱(Satellite Tool Kit，STK)中添加探测器和被观测卫星并建立卫星质心轨道坐标系，在卫星质心轨道坐标系下建立指向探测器的矢量FacInSat，以及指向太阳的矢量SunInSat；
设置探测器的光照限制条件为：探测器处于全影或者半影区；
设置空间目标的光照条件为：空间目标被太阳直射；
通过STK报表管理器输出可观测弧段内的卫星质心轨道坐标系下探测器的位置序列以及太阳的位置序列。
步骤三中，由相对位置序列解算相位角序列、太阳的方位角序列、太阳的俯仰角序列、探测器的方位角序列和探测器的俯仰角序列，包括：
由相对位置序列解算相位角序列的方法如下：
Figure BDA0002038956040000071
其中，i为可观测弧段内的时刻，为太阳的矢量；FacInSat为探测器的矢量；
太阳的矢量的坐标为SunInSati＝(SXi,SYi,SZi)；探测器的矢量的坐标为FacInSati＝(FXi,FYi,FZi)；其中，Si'＝(SXi,SYi,0)；Fi'＝(FXi,FYi,0)；
由相对位置序列解算太阳的方位角序列、太阳的俯仰角序列、探测器的方位角序列和探测器的俯仰角序列的方法如下：
Figure BDA0002038956040000072
其中，符号“*”表示向量的内积运算，符号“||”表示对向量求模运算；
向量Z＝(0,0,1),X＝(1,0,0)；αSi为第i时刻，太阳的方位角、αFi为第i时刻，探测器的方位角、βSi为第i时刻，太阳的俯仰角、βFi为第i时刻，探测器的俯仰角。
空间观测几何变化规律由空间目标观测中太阳-目标-探测器的几何关系确定。首先定义质心轨道坐标系O-XYZ，其原点在卫星的质心，+Z轴由卫星质心指向地心，+X轴在卫星轨道平面内与Z轴垂直，指向卫星的速度方向，Y轴与Z轴和X轴正交满足右手定律，当卫星的偏航角、俯仰角和滚动角均为0时，质心轨道坐标系与卫星本体坐标系重合。
探测器以地基望远镜为例，定义空间目标观测几何变化规律：地基望远镜观测空间目标时，太阳和地基望远镜在O-XYZ系下的矢量方向变化规律。空间观测几何关系如图1所示，太阳和地基望远镜指向定义为O-XYZ系下太阳矢量SunInSat、地基望远镜矢量FacInSat，矢量方向由矢量在O-XYZ系下与+Z轴夹角(俯仰角βF和βS)以及矢量在XOY平面内的投影与+X轴的夹角(方位角αS和αF)所确定，太阳矢量SunInSat、地基望远镜矢量FacInSat在XOY平面内的投影分别为S'、F'，如图2所示。矢量方向变化规律即βF、βS、αS和αF在观测弧段内幅值和形状的变化规律。
在后文中所述的俯仰角和方位角均是指在上述坐标系下定义的角度。其中SunInSat和FacInSat的夹角
Figure BDA0002038956040000081
称之为相位角，与地基望远镜和太阳的方位俯仰角为必要条件关系，即针对两次不同圈次的观测，相位角的变化规律一致，探测器和太阳的方位角、俯仰角变化规律不一定一致，而两次观测的地基望远镜和太阳的方位角、俯仰角变化规律一致时，则两次观测的相位角变化规律一定一致，这是由空间观测几何决定的。另一方面，空间目标对地基望远光学可见限制条件为：空间目标被太阳直射且望远镜处于地球全影或半影区，目标和地基望远镜之间无任何遮挡。
如图3所示为目标(轨道高度为1300km，倾角40°)对丽江天文观测站(25.48°，110.17°，2.046km)2018年5月5日至8月5日光学观测可见的星下点轨迹(图中黑色弧线)，将可观测弧段定义为Access。目标轨道面绕地球转动使卫星星下点轨迹在空间上发生偏移，导致探测器看到且被太阳直射的目标表面不同，光照条件和遮挡关系使得光度曲线时域上不等长。目标在时间和空间的偏移，使得同一目标在不同观测几何关系条件下的光度曲线发生时域偏移和形状变化。同样，由于这种空间上的偏移，空间观测几何关系也会发生空间上的“扭曲”，导致探测器的俯仰角、方位角和太阳的俯仰角、方位角会在时间轴上发生“伸缩”和“偏移”。这是光学观测空间目标的显著特点。
步骤一中，采集多组不同时间观测的空间目标的光度数据和轨道数据包括：
通过仿真计算、实际观测和/或实验室模拟测量方式获取不同平台形状、不同姿态、不同工作状态以及不同轨道类型在不同观测时间的光度数据和轨道数据。
步骤四中，当前观测数据包括：空间目标数据库中随机抽取的数据；或实时观测得到的数据；或积累多个弧段的观测数据，即多次Access数据。
步骤五、步骤六中所采用的方法，采用快速计算动态时间规整(Fast DTW，FDTW)的方法实现：
(1)粗粒度化。首先将原始序列进行数据抽象，数据抽象可执行多次1/1→1/2→1/4→1/8，粗粒度数据点是其对应的多个细粒度数据点的均值。
(2)投影。在较粗粒度上，计算DTW距离。
(3)细粒度化。在较粗粒度上得到的规整路径经过的方格进一步细粒度化到较细粒度的时间序列上，此外，FDTW在较细粒度的空间内向外(横向、竖向、斜向)扩展K个粒度。FDTW的具体执行流程图如图4所示。
计算两个时间序列DTW距离需构造一个有m×n个单元的动态时间弯曲距离矩阵D，在时间和空间上的复杂度为O(mn)，对于当前采样率很高的空间目标光度序列，计算DTW距离将耗费大量的时间。FDTW主动缩小计算范围，将边缘元素进行过滤，其时间复杂度为O(min(m,n))，大大缩短了计算时间。计算两条曲线的DTW距离时，既包含两条曲线的“形状”距离，又包含“幅值”距离，以解决距离计算中数据在时间轴上伸缩、平移以及数据不等长的问题。
探测器为测站，算法如下：
Figure BDA0002038956040000091
Figure BDA0002038956040000101
搜索算法中o1和o2用于控制第一空间目标数据库和第二空间目标数据库的大小；数据集Dom2中Access即为与当前观测具有相似空间观测几何变化规律的数据集，即为第二空间目标数据库，第二空间目标数据库Dom2可进行针对当前观测数据的目标特性判别。
步骤五中，搜索空间目标数据库中与当前观测数据的相位角序列具有相似的变化规律的第一空间目标数据库的方法，包括：
依据相位角序列与探测器的方位角序列、俯仰角序列和太阳的方位角序列、俯仰角序列为必要条件关系，即针对两次不同圈次的观测，相位角的变化规律一致，探测器和太阳的方位角、俯仰角变化规律不一定一致，而两次观测的探测器和太阳的方位角、俯仰角变化规律一致时，则两次观测的相位角变化规律一定一致，这正是由空间观测几何决定的。
快速计算当前观测数据的相位角序列
Figure BDA0002038956040000102
和空间目标数据库中的所有Access的相位角序列的动态时间规整距离，其中，快速计算当前观测数据的相位角序列
Figure BDA0002038956040000103
和空间目标数据库中的第Access次的相位角序列
Figure BDA0002038956040000104
的动态时间规整距离为：
Figure BDA0002038956040000105
其中，空间目标对地基光学探测器可观测的限制条件为：空间目标被太阳直射且探测器处于地球全影或半影区，目标和探测器之间无任何遮挡；Access表示满足限制条件的可观测弧段；
Figure BDA0002038956040000106
表示空间目标数据库中第Access次观测的相位角序列；
Figure BDA0002038956040000107
表示当前观测数据的相位角序列，下标字母t表示当前观测数据；
Figure BDA0002038956040000108
为快速计算
Figure BDA0002038956040000109
序列和
Figure BDA00020389560400001010
序列的动态时间规整距离。依据
Figure BDA00020389560400001011
大小(
Figure BDA00020389560400001012
由大到小)将空间目标数据库中的Access排序，抽取排序后的前o1个Access空间目标数据作为第一空间目标数据库。其中o1为输入参数，用于控制第一空间目标数据库的Access的数量。
步骤六中，在第一空间目标数据库中搜索与当前观测数据的太阳的方位角序列、太阳的俯仰角序列、探测器的方位角序列和探测器的俯仰角序列均具有相似的变化规律的第二空间目标数据库的方法，包括：
快速计算当前观测数据的太阳方位角序列αSt和第一空间目标数据库Dom1中的所有Access的太阳方位角序列的动态时间规整距离。其中，快速计算当前观测数据的太阳方位角序列αSt和第一空间目标数据库Dom1中的第Access次的太阳方位角序列αS[Access]的动态时间规整距离为：
αSFDTW[Access]＝FDTW(αSt,αS[Access])；
其中，αSt中下标大写字母S表示方位角序列所属对象为太阳，下标字母t表示当前观测数据；
快速计算当前观测数据的探测器的方位角序列αFt和第一空间目标数据库Dom1中的所有Access的探测器的方位角序列的动态时间规整距离。其中，快速计算当前观测数据的探测器的方位角序列αFt和第一空间目标数据库Dom1中的第Access次的探测器的方位角序列αF[Access]的动态时间规整距离为：
αFFDTW[Access]＝FDTW(αFt,αF[Access])；
其中，αFt中下标大写字母F表示方位角序列所属对象为探测器，下标字母t表示当前观测数据；
快速计算当前观测数据的太阳俯仰角序列βSt和第一空间目标数据库Dom1中的所有Access的太阳的俯仰角序列的快动态时间规整距离。其中，快速计算当前观测数据的太阳俯仰角序列βSt和第一空间目标数据库Dom1中的第Access次的太阳的俯仰角序列βS[Access]的动态时间规整距离为：
βSFDTW[Access]＝FDTW(βSt,βS[Access])；
其中，βSt中下标大写字母S表示俯仰角序列所属对象为太阳，下标字母t表示当前观测数据；
快速计算当前观测探测器的俯仰角序列βFt和第一空间目标数据库Dom1中的所有Access的探测器的俯仰角序列的动态时间规整距离。其中，快速计算当前观测探测器的俯仰角序列βFt和第一空间目标数据库Dom1中的第Access次的探测器的俯仰角序列βF[Access]的动态时间规整距离为：
βFFDTW[Access]＝FDTW(βFt,βF[Access])；
其中，βFt中下标大写字母F表示俯仰角序列所属对象为探测器，下标字母t表示当前观测数据。
分别依据αSFDTW、αFFDTW、βSFDTW、βFFDTW的大小(均是由大到小)，对第一空间目标数据库中的Access执行四种排序，组成四个空间目标数据库Dom11、Dom12、Dom13、Dom14，同时抽取Dom11～Dom14中前n(n≤o1)个Access，组成第二空间目标数据库，其中要求第二空间目标数据库中包含o2种Access，每种出现四次。其中o2为输入量，用于控制第二空间目标数据库的Access的数量。
一、数据集的建立
为验证本发明的效果，以丽江天文台为地基光学观测站，选取空间观测几何复杂的低轨(LEO)目标，设置测站和卫星的限制条件为地基光学观测空间目标的限制条件，通过卫星工具箱STK设置低轨的轨道参数、分析可观测情况，如表1所示。
表1低轨卫星的轨道参数及可观测情况
Figure BDA0002038956040000121
首先，通过MATLAB调用STK，根据每次Access的起止时间，修改STK报表管理器输出时间窗口，输出一年中所有Access中SunInSat、FacInSat在O-XYZ系下的时序三维坐标，作为目标光度计算的输入，在生成时序三维坐标时，轨道模型为二体模型，时序步长为1s。依据时序三维坐标解算出
Figure BDA0002038956040000122
αS、αF、βS和βF的时序数据。
通过3DS MAX构建包括立方体、圆柱体、圆锥体、长方体和球体等不同形状的简单体模型以及整星模型，目标在本体系下的姿态可以定制，导出为3ds文件。采用基于OpenGL拾取技术计算目标OCS，材质BRDF描述采用针对空间目标常用材质菲涅尔现象改进的Phong模型，将模型3ds文件和时序三维坐标导入OCS计算程序计算所有模型的OCS序列。针对不同需要建立不同形状和尺寸的三维模型用于光度数据的数值仿真。针对卫星不同姿态建立卫星模型用于光度数据的仿真。即可建立空间目标形状和姿态的光度数据集。
二、一种具有相似空间观测几何变化规律的光度数据搜索效果验证
不进行相似空间观测几何变化规律的搜索，图5所示为同一目标在4次不同Access
的光度曲线，图6所示为观测相位角变化曲线，图7a至图7b、图8a至图8b分别为SunInSat和FacInSat的俯仰角和方位角变化曲线。
图5显示，同一目标在不同观测几何条件下，每一时刻模型的OCS值不同，导致光度曲线形状不同，仿真计算结果与前文分析是一致的，在这种情况下是不能进行目标特征识别的。图6、图7a、图7b、图8a、图8b中，Access[121]和Access[487]显示了相位角序列和探测器、太阳俯仰角、方位角序列的必要条件关系，即相位角变化一致，但太阳和探测器的方位角和俯仰角变化不一致。尤其对低轨目标，只用相位角进行观测几何关系相似性约束是存在局限性的。
按照本文提出的通过计算FDTW距离，确定与当前观测的相位角序列变化规律相似的第一空间目标数据库、在此数据集内确定与当前观测具有观测几何变化规律相似的第二空间目标数据库，从而确定与当前观测具有相似空间观测几何变化规律相似的目标光度数据集。以空间观测几何变化规律复杂的低轨目标作为研究对象，随机选取Access输入到搜索程序中，令o1＝15，o2＝5进行相似空间观测几何变化规律的搜索。如图9为搜索过程中，第一空间目标数据库中的相位角序列，图10a至图10d为第二空间目标数据库中αS、αF、βS、βF曲线图，图11为第二空间目标数据库中相位角曲线图，图12为第二空间目标数据库中同一目标的OCS曲线图。
通过对比图6、图7a、图7b、图8a、图8b和图10a、图10b、图10c、图10d、图11、、图12，本发明提出的搜索算法，针对当前观测数据，实现了与当前观测相似空间观测几何变化规律数据集的搜索，太阳方位角和俯仰角5次Access变化趋势和幅值基本是一致的，探测器方位角和俯仰角5次Access变化趋势和幅值基本是一致的。图12显示，在相似的空间观测几何变化规律下，同一目标的OCS曲线图基本是一致的。相较于直接将当前观测数据和历史数据进行对比分析，更具有实际物理意义和几何意义。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于上述实施例，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种具有相似空间观测几何变化规律的光度数据搜索方法，其特征在于，该方法包括：
步骤一、采集多组不同时间观测的空间目标的光度数据和轨道数据，作为空间目标数据库；
步骤二、通过空间目标的轨道数据解析出空间目标观测过程中太阳、探测器和空间目标三者的相对位置序列，相对位置序列统一在卫星质心轨道坐标系下；
步骤三、由相对位置序列解算相位角序列、太阳的方位角序列、太阳的俯仰角序列、探测器的方位角序列和探测器的俯仰角序列；太阳的方位角序列的变化规律、太阳的俯仰角序列的变化规律、探测器的方位角序列的变化规律与探测器的俯仰角序列的变化规律为空间观测几何变化规律；
步骤四、获取当前观测数据，所述当前观测数据包括当前观测光度数据和当前观测轨道数据；
步骤五、搜索空间目标数据库中与当前观测数据的相位角序列具有相似的变化规律的第一空间目标数据库Dom1；
步骤六、在第一空间目标数据库Dom1中搜索与当前观测数据的太阳的方位角序列、太阳的俯仰角序列、探测器的方位角序列和探测器的俯仰角序列均具有相似的变化规律的第二空间目标数据库，作为与当前观测数据的光度数据具有相似空间观测几何变化规律的光度数据集；
所述步骤一中，采集多组不同时间观测的空间目标的光度数据和轨道数据包括：
通过仿真计算、实际观测和/或实验室模拟测量方式获取不同平台形状、不同姿态、不同工作状态以及不同轨道类型在不同观测时间空间目标的光度数据和轨道数据；
所述步骤二中，相对位置序列统一在卫星质心轨道坐标系下的方法，包括：
在卫星工具箱中，添加探测器和被观测卫星并建立卫星质心轨道坐标系，在卫星质心轨道坐标系下建立指向探测器的矢量以及指向太阳的矢量；
设置探测器的光照限制条件为：探测器处于全影或者半影区；
设置空间目标的光照条件为：空间目标被太阳直射；
通过卫星工具箱报表管理器输出可观测弧段内的卫星质心轨道坐标系下探测器的位置序列以及太阳的位置序列；
所述步骤三中，由相对位置序列解算相位角序列、太阳的方位角序列、太阳的俯仰角序列、探测器的方位角序列和探测器的俯仰角序列，包括：
由相对位置序列解算相位角序列的方法如下：
Figure FDA0002925437480000021
其中，i为可观测弧段内的时刻，SunInSat为太阳的矢量；FacInSat为探测器的矢量；
太阳的矢量的坐标为SunInSati＝(SXi,SYi,SZi)；探测器的矢量的坐标为FacInSati＝(FXi,FYi,FZi)；其中，Si'＝(SXi,SYi,0)；Fi'＝(FXi,FYi,0)；
由相对位置序列解算太阳的方位角序列、太阳的俯仰角序列、探测器的方位角序列和探测器的俯仰角序列的方法如下：
Figure FDA0002925437480000022
其中，符号“*”表示向量的内积运算，符号“||”表示对向量求模运算；
向量Z＝(0,0,1),X＝(1,0,0)；αSi为第i时刻，太阳的方位角、αFi为第i时刻，探测器的方位角、βSi为第i时刻，太阳的俯仰角、βFi为第i时刻，探测器的俯仰角；
所述步骤四中，当前观测数据包括：
空间目标数据库中随机抽取的数据；或
实时观测得到的数据；或
积累多个弧段的观测数据Access；
所述步骤五中，搜索空间目标数据库中与当前观测数据的相位角序列具有相似的变化规律的第一空间目标数据库Dom1的方法，包括：
快速计算当前观测数据的相位角序列
Figure FDA0002925437480000023
和空间目标数据库中的所有Access的相位角序列的动态时间规整距离；其中，快速计算当前观测数据的相位角序列
Figure FDA0002925437480000024
和空间目标数据库中的第Access次的相位角序列
Figure FDA0002925437480000025
的动态时间规整距离为：
Figure FDA0002925437480000031
其中，空间目标对地基光学探测器可观测的限制条件为：空间目标被太阳直射且探测器处于地球全影或半影区，目标和探测器之间无任何遮挡；Access表示满足限制条件的可观测弧段；
Figure FDA0002925437480000032
表示当前观测数据的相位角序列，下标字母t表示当前观测数据；
Figure FDA0002925437480000033
为快速计算
Figure FDA0002925437480000034
序列和
Figure FDA0002925437480000035
序列的动态时间规整距离；依据
Figure FDA0002925437480000036
的大小顺序将空间目标数据库中的Access排序，抽取排序后的前o1个Access空间目标数据作为第一空间目标数据库Dom1；o1为输入参数，用于控制第一空间目标数据库Dom1的Access的数量；
所述步骤六中，在第一空间目标数据库Dom1中搜索与当前观测数据的太阳的方位角序列、太阳的俯仰角序列、探测器的方位角序列和探测器的俯仰角序列均具有相似的变化规律的第二空间目标数据库的方法，包括：
快速计算当前观测数据的太阳方位角序列αSt和第一空间目标数据库Dom1中的所有Access的太阳方位角序列的动态时间规整距离；其中，快速计算当前观测数据的太阳方位角序列αSt和第一空间目标数据库Dom1中的第Access次的太阳方位角序列αS[Access]的动态时间规整距离为：
αSFDTW[Access]＝FDTW(αSt,αS[Access])；
其中，αSt中下标大写字母S表示方位角序列所属对象为太阳，下标字母t表示当前观测数据；
快速计算当前观测数据的探测器的方位角序列αFt和第一空间目标数据库Dom1中的所有Access的探测器的方位角序列的动态时间规整距离；其中，快速计算当前观测数据的探测器的方位角序列αFt和第一空间目标数据库Dom1中的第Access次的探测器的方位角序列αF[Access]的动态时间规整距离为：
αFFDTW[Access]＝FDTW(αFt,αF[Access])；
其中，αFt中下标大写字母F表示方位角序列所属对象为探测器，下标字母t表示当前观测数据；
快速计算当前观测数据的太阳俯仰角序列βSt和第一空间目标数据库Dom1中的所有Access的太阳的俯仰角序列的动态时间规整距离；其中，快速计算当前观测数据的太阳俯仰角序列βSt和第一空间目标数据库Dom1中的第Access次的太阳的俯仰角序列βS[Access]的动态时间规整距离为：
βSFDTW[Access]＝FDTW(βSt,βS[Access])；
其中，βSt中下标大写字母S表示俯仰角序列所属对象为太阳，下标字母t表示当前观测数据；
快速计算当前观测探测器的俯仰角序列βFt和第一空间目标数据库Dom1中的所有Access的探测器的俯仰角序列的动态时间规整距离；其中，快速计算当前观测探测器的俯仰角序列βFt和第一空间目标数据库Dom1中的第Access次的探测器的俯仰角序列βF[Access]的动态时间规整距离为：
βFFDTW[Access]＝FDTW(βFt,βF[Access])；
其中，βFt中下标大写字母F表示俯仰角序列所属对象为探测器，下标字母t表示当前观测数据；
分别依据αSFDTW、αFFDTW、βSFDTW、βFFDTW的大小顺序对第一空间目标数据库Dom1中的Access执行四种排序，组成四个空间目标数据库Dom11、Dom12、Dom13、Dom14，同时抽取Dom11～Dom14中前n(n≤o1)个Access，组成第二空间目标数据库，其中要求第二空间目标数据库中包含o2种Access，每种出现四次，其中o2为输入量，用于控制第二空间目标数据库的Access的数量。
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