CN110849353A - 一种嵌入式空间目标天文定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种嵌入式空间目标天文定位方法，具体包括以下步骤：(1)初始化星表数据以及星表索引数据，根据实际观测所用望远镜设置焦距和视场以及相机靶面大小和像元尺寸；(2)使用望远镜进行观测，将观测图像进行处理并将图像处理数据读入核处理器；(3)利用实测天文图像数据对实测恒星图像进行精确的中心指向和像旋的测定；(4)利用精确的中心指向重新搜索视场内的理论恒星N2颗；(5)进行空间目标的天文定位及测光计算，从而完成空间目标的天文定位。本发明利用底片模型对图像中观测到空间目标的图像坐标及灰度信息进行解算从而获得空间目标的实际天文位置及光度信息，降低了数据传输的带宽需求。

Description

一种嵌入式空间目标天文定位方法
技术领域
本发明涉及定位技术领域，具体涉及一种嵌入式空间目标天文定位方法。
背景技术
航天科技的发展，使人类可从大气层外俯瞰地球、探索广阔的宇宙空间。自1957年第一颗人造地球卫星上天，至今已过了60多年的时间，在此期间，空间科学技术取得了飞速的发展和巨大的成就。但是伴随着一次又一次的航天发射活动，大量的空间碎片被遗留在地球轨道空间。目前的监测能力仅能记录少量危险碎片的轨道，尚无法准确测量大多数危险碎片以及所有小空间碎片的轨道信息，航天器机动躲避危险碎片和小空间碎片的技术目前难以实现，因此，小空间碎片和危险碎片是航天器防护结构设计关注的重点。就当前掌握的情况来看，空间碎片已经对人类正常的航天活动造成了较大影响，因此需要对空间碎片进行实时监测。由于我国地域限制、海外建站存在很大不确定风险、空间碎片监测的时效性等原因，天基观测是我国空间碎片监测非常重要的手段。另外由于星上硬件平台能力限制及星地数传能力的限制，就不可能采用观测图像下传的观测模式，就必须在星上按照一定的工作频率完成图像全视场扫描、动目标检测与天文定位，最终将数量很小的天文定位处理结果下传，这样的监测耗时长、效率不高、且需要处理的数据较复杂盒庞大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种嵌入式空间目标天文定位方法来解决现有技术中对空间目标的监测耗时长、效率低以及数据处理过程复杂的问题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：提供一种嵌入式空间目标天文定位方法，其创新点在于：具体包括以下步骤：
(1)初始化星表的数据以及星表索引数据，初始化的星表中包括经过实际精确测量的标准恒星，即理论恒星，所述理论恒星的位置及光度信息在天文测量中作为标准值；根据实际观测所用望远镜设置焦距和视场以及相机靶面大小和像元尺寸；
(2)使用望远镜进行观测，将望远镜观测到的实测天文图像使用图像处理软件处理形成实测恒星及空间目标图像处理数据，并将该数据读入核处理器内存，同时核处理器内存还读入理论星表数据；
(3)利用核处理器读取的实测恒星图像数据及精确的理论星表数据对图像进行精确的中心指向和像旋的测定；
(4)根据步骤(1)设置的望远镜视场及步骤(3)所测定的图像中心指向重新搜索视场内的理论恒星N2颗；
(5)根据步骤(3)所得的实测恒星图像的精确中心指向和像旋，将被核处理器读取的实测恒星图像和步骤(4)搜索到的N2颗理论恒星的数据进行恒星匹配，并完成空间目标的天文定位及测光计算，从而完成空间目标的天文定位。
进一步的，所述步骤(1)中的星表为GAIA星表。
进一步的，所述步骤(2)中的图像处理结果数据包括每个恒星及空间目标的图像坐标信息、灰度和、像素数、信噪比、图像拍摄的具体时刻、曝光时间长度和望远镜中心的指向信息。
进一步的，所述步骤(2)中的核处理器为8核DSP处理器。
进一步的，所述步骤(3)中对实测恒星图像进行精确的指向和像旋的测定的具体步骤如下：
A.根据望远镜的指向信息和视场，在星表内搜索该望远镜视场内的所有理论恒星；
B.对理论恒星和实测恒星的图像按光度及灰度和进行降序排序，将前N1颗理论恒星和前M1颗实测恒星均分别生成数个三角星图，理论星图边长为角距，其单位为角秒，由于实测恒星为图像上的恒星，两颗恒星之间直接计算边长值为像素差，所以需要根据望远镜的焦距及探测器像元尺寸将实测星图单位转换成与理论星图同样的角距，单位也为角秒，转换公式为：
La＝Lp*Sp/F
其中，La为实测星图边长角距值，Lp为实测星图边长的像素差值，Sp为探测器的像元尺寸，F为望远镜角距；
C.对步骤B生成的理论星图和实测星图进行匹配，其中，理论恒星的赤经,赤纬位置已知，将匹配成功的理论星图和实测星图用最小二乘拟合的方法拟合出实测恒星图像的中心指向的赤经和赤纬值，同时利用理论星图和实测星图的相同边的夹角拟合出实测恒星图像的旋转角度信息。
进一步的，所述步骤C中将理论星图和实测星图进行匹配的方法为：通过步骤B获得的相同边长单位的理论星图和实测星图的三边进行比较，三边长都相同的理论星图和实测星图即匹配成功，匹配成功的理论星图和实测星图的顶点恒星也匹配成功。
进一步的，所述步骤(5)中进行空间目标的天文定位及测光计算的具体步骤如下：
A.在步骤(2)中的望远镜视场内选取均匀分布的M2颗实测恒星与步骤(4)获得的N2颗理论恒星进行匹配，获得匹配成功的理论恒星及实测恒星组合为Mn组；
B.将获得的Mn组恒星与底片模型进行最小二乘参数拟合获取底片模型的参数，即利用步骤A中匹配成功的理论恒星位置信息和光度信息分别带入底片模型的对应公式中，用最小二乘拟合的方法拟合出方程中的未知参数，从而得到对应实测恒星图像的底片模型方程；
C.底片模型的参数拟合成功后，将实测恒星图像中的空间目标位置和光度信息分别代入底片模型中的对应方程即可分别获取空间目标对应的空间位置信息以及光度信息。
进一步的，所述步骤A中将M2颗实测恒星与N2颗理论恒星进行匹配的方法为：由于实测恒星图像的中心指向和旋转角度已经测定，则实测恒星图像和星表中的理论恒星生成的伪图像在误差范围内是重合的，设定一个阈值Rn，用实测恒星的位置与星表中该视场内的理论恒星逐一比较，小于阈值Rn的恒星即为匹配成功的恒星。
进一步的，所述步骤B中的底片模型为：
其中，ξ，ζ分别代表恒星或空间目标的理想坐标的两个分量，x，y分别代表恒星或空间目标的图像坐标的两个分量，a1，b1，c1，d1，e1，f1，a2，b2，c2，d2，e2，f2，g，h分别为实测恒星图像坐标与理论恒星坐标之间建立一一映射关系的系数，mp为恒星或空间目标的光度，m0为探测器光度常数，c为光度与图像恒星或目标灰度比例系数。
和现有技术相比，本发明产生的有益效果为：
本发明对一种嵌入式空间目标天文定位方法使得天文观测数据在嵌入式系统中进行高效的数据处理，利用在图像中获取到的恒星图像坐标及灰度信息与标准星表进行匹配，通过最小二乘拟合的方法解算出底片模型方程中的参数。再利用底片模型对图像中观测到空间目标的图像坐标及灰度信息进行解算从而获得空间目标的实际天文位置及光度信息，进而获得了有效的数据信息，丢掉大量无效的恒星噪声等信息，相当于将原始图像信息压缩了几个数量级。大大降低了数据传输的带宽需求，从而对与空间观测的数据链路及连续观测数据处理能力提供了技术支持。
附图说明
为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种嵌入式空间目标天文定位方法的流程图。
图2为本发明的一种嵌入式空间目标天文定位方法中的实测恒星和理论恒星的三角星图。
图3为本发明的一种嵌入式空间目标天文定位方法中的实测恒星和理论恒星的匹配示意图。
具体实施方式
下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供一种嵌入式空间目标天文定位方法，其具体流程如图1所示，具体包括以下步骤：
(1)初始化星表的数据以及星表索引数据，初始化的星表中包括经过实际精确测量的标准恒星，即理论恒星，所述理论恒星的位置及光度信息在天文测量中作为标准值；根据实际观测所用望远镜设置焦距和视场以及相机靶面大小和像元尺寸，其中，本发明的天文定位方法所使用的星表为GAIA星表。
(2)使用望远镜进行观测，将望远镜观测到的实测天文图像使用图像处理软件处理形成实测恒星及空间目标图像数据，其中，图像处理结果数据包括每个恒星及空间目标的图像坐标信息、灰度和、像素数、信噪比、图像拍摄的具体时刻、曝光时间长度和望远镜中心的指向信息，指向信息为该恒星的赤经和赤纬信息。使用核处理器读入望远镜观测的实测恒星图像处理数据，同时核处理器内存还读入理论星表数据，本发明使用的核处理器为8核DSP处理器，使用该处理器可进行高效的数据处理，高效率获得有效的数据信息。
(3)利用核处理器读取的实测恒星图像处理数据和理论星表数据对实测恒星图像进行精确的指向和像旋的测定，对实测恒星图像进行精确的指向和像旋的测定的具体步骤如下：
A.根据望远镜的指向信息和视场，在星表内搜索该望远镜视场内的所有理论恒星；
B.对理论恒星和实测恒星的图像按光度及灰度和进行降序排序，将前N1颗理论恒星和前M1颗实测恒星均分别生成数个三角星图，如图2所示，实线三角形为理论恒星的三角星图，虚线三角形为实测恒星的三角星图，理论恒星和实测恒星生成的三角星图数量大于1000个，且这些三角星图可共边。图理论星图边长为角距，即从观测者观测两颗恒星之间的角度，其单位为角秒，由于实测恒星为图像上的恒星，两颗恒星之间直接计算边长值为像素差，所以根据望远镜的焦距及探测器像元尺寸将实测星图单位转换成与理论星图同样的角距，单位也为角秒，转换公式为：
La＝Lp*Sp/F
其中，La为实测星图边长角距值，Lp为实测星图边长的像素差值，Sp为探测器的像元尺寸，F为望远镜角距；
C.对步骤B生成的理论星图和实测星图进行匹配，将理论星图和实测星图进行匹配的方法为：通过步骤B获得的相同边长单位的理论星图和实测星图的三边进行比较，三边长都相同的理论星图和实测星图即匹配成功，匹配成功的理论星图和实测星图的顶点恒星也匹配成功。
由于理论恒星的赤经,赤纬位置已知，将匹配成功的理论星图和实测星图用最小二乘拟合的方法拟合出实测恒星图像的中心指向的赤经和赤纬值，同时利用理论星图和实测星图的相同边的夹角拟合出实测恒星图像的旋转角度信息。
(4)根据步骤(1)设置的望远镜视场及步骤(3)所测定的图像中心指向重新搜索视场内的理论恒星N2颗；
(5)根据步骤(3)所得的实测恒星图像的精确中心指向和像旋，被核处理器读取的实测恒星图像和步骤(4)搜索到的N2颗理论恒星的数据进行恒星匹配，并完成空间目标的天文定位及测光计算，进行空间目标的天文定位及测光计算的具体步骤如下：
A.在步骤(2)中的望远镜视场内选取均匀分布的M2颗实测恒星与步骤(4)获得的N2颗理论恒星进行匹配，匹配方法为：由于实测恒星图像的中心指向和旋转角度已经测定，则实测恒星图像和星表中的理论恒星生成的伪图像在误差范围内是重合的，如图3所示，虚线圆为理论恒星，实线圆为实测恒星，设定一个阈值Rn，用实测恒星的位置与星表中该视场内的理论恒星逐一比较，小于阈值Rn的恒星即为匹配成功的恒星，获得匹配成功的理论恒星及实测恒星组合为Mn组；
B.将获得的Mn组恒星与底片模型进行最小二乘参数拟合获取底片模型的参数，即利用步骤A中匹配成功的理论恒星位置信息和光度信息分别带入底片模型的对应公式中，用最小二乘拟合的方法拟合出方程中的未知参数，从而得到对应实测恒星图像的底片模型方程，所述底片模型为：
Figure BDA0002207070320000091
其中，ξ，ζ分别代表恒星或空间目标的理想坐标的两个分量，x，y分别代表恒星或空间目标的图像坐标的两个分量，a1，b1，c1，d1，e1，f1，a2，b2，c2，d2，e2，f2，g，h分别为实测恒星图像坐标与理论恒星坐标之间建立一一映射关系的系数，mp为恒星或空间目标的光度，m0为探测器光度常数，c为光度与图像恒星或目标灰度比例系数。
在光学系统比较理想的情况下图像坐标和理想坐标之间是简单的线性关系，而实际的光学系统并非线性系统，光学视场比较大时在边缘会产生一定的畸变，所以需要增加二次项和畸变项的修正，其中d1，e1，f1，d2，e2，f2为二次项系数，g，h是畸变项系数。
C.底片模型的参数拟合成功后，将实测恒星图像中的空间目标位置和光度信息分别代入底片模型中的对应方程，即可分别获取空间目标对应的空间位置信息以及光度信息，从而完成空间目标的天文定位。
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。

Claims (9)

1.一种嵌入式空间目标天文定位方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)初始化星表数据以及星表索引数据，初始化的星表中包括经过实际精确测量的标准恒星，即理论恒星，所述理论恒星的位置及光度信息在天文测量中作为标准值；根据实际观测所用望远镜设置焦距和视场以及相机靶面大小和像元尺寸；
(2)使用望远镜进行观测，将望远镜观测到的实测天文图像使用图像处理软件处理形成实测恒星及空间目标图像处理数据，并将该数据读入核处理器内存，同时核处理器内存还读入理论星表数据；
(3)利用核处理器读取的图像数据及精确的理论星表数据对图像进行精确的中心指向和像旋的测定；
(4)根据步骤(1)设置的望远镜视场及步骤(3)所测定的图像中心指向重新搜索视场内的理论恒星N2颗；
(5)根据步骤(3)所得的实测恒星图像的精确中心指向和像旋，将被核处理器读取的实测恒星图像和步骤(4)搜索到的N2颗理论恒星的数据进行恒星匹配，并完成空间目标的天文定位及测光计算，从而完成空间目标的天文定位。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入式空间目标天文定位方法，其特征在于：所述步骤(1)中的星表为GAIA星表。
3.根据权利要求1所述的一种嵌入式空间目标天文定位方法，其特征在于：所述步骤(2)中的图像处理结果数据包括每个恒星及空间目标的图像坐标信息、灰度和、像素数、信噪比、图像拍摄的具体时刻、曝光时间长度和望远镜中心的指向信息。
4.根据权利要求1所述的一种嵌入式空间目标天文定位方法，其特征在于：所述步骤(2)中的核处理器为8核DSP处理器。
5.根据权利要求1所述的一种嵌入式空间目标天文定位方法，其特征在于：所述步骤(3)中对实测恒星图像进行精确的指向和像旋的测定的具体步骤如下：
A.根据望远镜的指向信息和视场，在星表内搜索该望远镜视场内的所有理论恒星；
B.对理论恒星和实测恒星的图像按光度及灰度和进行降序排序，将前N1颗理论恒星和前M1颗实测恒星均分别生成数个三角星图，理论星图边长为角距，其单位为角秒，由于实测恒星为图像上的恒星，两颗恒星之间直接计算边长值为像素差，所以需要根据望远镜的焦距及探测器像元尺寸将实测星图单位转换成与理论星图同样的角距，单位也为角秒，转换公式为：
La＝Lp*Sp/F
其中，La为实测星图边长角距值，Lp为实测星图边长的像素差值，Sp为探测器的像元尺寸，F为望远镜角距；
C.对步骤B生成的理论星图和实测星图进行匹配，其中，理论恒星的赤经，赤纬位置已知，将匹配成功的理论星图和实测星图用最小二乘拟合的方法拟合出实测恒星图像的中心指向的赤经和赤纬值，同时利用理论星图和实测星图的相同边的夹角拟合出实测恒星图像的旋转角度信息。
6.根据权利要求5所述的一种嵌入式空间目标天文定位方法，其特征在于：所述步骤C中将理论星图和实测星图进行匹配的方法为：通过步骤B获得的相同边长单位的理论星图和实测星图的三边进行比较，三边长都相同的理论星图和实测星图即匹配成功，匹配成功的理论星图和实测星图的顶点恒星也匹配成功。
7.根据权利要求1所述的一种嵌入式空间目标天文定位方法，其特征在于：所述步骤(5)中进行空间目标的天文定位及测光计算的具体步骤如下：
A.在步骤(2)中的望远镜视场内选取均匀分布的M2颗实测恒星与步骤(4)获得的N2颗理论恒星进行匹配，获得匹配成功的理论恒星及实测恒星组合为Mn组；
B.将获得的Mn组恒星与底片模型进行最小二乘参数拟合获取底片模型的参数，即利用步骤A中匹配成功的理论恒星位置信息和光度信息分别带入底片模型的对应公式中，用最小二乘拟合的方法拟合出方程中的未知参数，从而得到对应实测恒星图像的底片模型方程；
C.底片模型的参数拟合成功后，将实测恒星图像中的空间目标位置和光度信息分别代入底片模型中的对应方程即可分别获取空间目标对应的空间位置信息以及光度信息。
8.根据权利要求7所述的一种嵌入式空间目标天文定位方法，其特征在于：所述步骤A中将M2颗实测恒星与N2颗理论恒星进行匹配的方法为：由于实测恒星图像的中心指向和旋转角度已经测定，则实测恒星图像和星表中的理论恒星生成的伪图像在误差范围内是重合的，设定一个阈值Rn，用实测恒星的位置与星表中该视场内的理论恒星逐一比较，小于阈值Rn的恒星即为匹配成功的恒星。
9.根据权利要求7所述的一种嵌入式空间目标天文定位方法，其特征在于：所述步骤B中的底片模型为：
Figure FDA0002207070310000041
其中，ξ，ζ分别代表恒星或空间目标的理想坐标的两个分量，x，y分别代表恒星或空间目标的图像坐标的两个分量，a1，b1，c1，d1，e1，f1，a2，b2，c2，d2，e2，f2，g，h分别为实测恒星图像坐标与理论恒星坐标之间建立一一映射关系的系数，mp为恒星或空间目标的光度，m0为探测器光度常数，c为光度与图像恒星或目标灰度比例系数。
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