CN111879298B - 一种用于月球无人值守望远镜的自动指星方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于月球无人值守望远镜的自动指星方法，包括：将望远镜固定到月球表面；采集星体观测图像，记录望远镜轴系本体读数坐标值和星体图像数据；识别各个区域观测图像中已知星体，根据已知星体像素量度坐标和天球坐标，得望远镜光轴指向的天球坐标；将天球坐标转换为月固坐标；计算月固坐标系到望远镜轴系本体坐标系间的转换矩阵；将待观测星体天球坐标转换为月固坐标，将该月固坐标与转换矩阵相乘得望远镜指向参数；控制望远镜执行该指向参数，即实现对待测目标的精准指向。本发明能有效解决现有望远镜指向定标需要测定望远镜所在地的经纬度或天文经纬度坐标、需人为精调望远镜轴系方位差和水平差，操作复杂且难以精准实施的问题。

Description

一种用于月球无人值守望远镜的自动指星方法

技术领域

本发明涉及望远镜指向跟踪技术领域，具体涉及一种用于月球无人值守望远镜的自动指星方法。

背景技术

目前望远镜的指向定标，均需要测定或获取望远镜所在台站的大地经纬度坐标或天文经纬度坐标，并且需要人为的精调望远镜机架两个轴系相对台站处正北方向的方位差以及相对当地水平面的水平差，长期以来这是新台站部署望远镜必须的操作，限于其复杂性通常需要较长的时间，需要较多的人力时间才可完成。对于月球上的望远镜，派人专门调整望远镜指向是一项费时费力且难以精准实施的工作。因此亟需设计一种新的技术方案，以综合解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于月球无人值守望远镜的自动指星方法，能有效解决现有望远镜指向定标需要测定望远镜所在地的经纬度或天文经纬度坐标、需要人为精调望远镜轴系方位差和水平差，操作复杂、难以精准实施且费时费力的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种用于月球无人值守望远镜的自动指星方法，包括以下步骤：

(1)将望远镜固定到月球表面；

(2)通过望远镜采集不同区域的星体观测图像，并记录望远镜轴系的本体读数坐标值和星体观测图像的星体图像数据；

(3)识别出各个区域星体观测图像中的已知星体，根据已知星体的像素量度坐标和与其对应的恒星星表中的天球坐标，得到与中心像素量度坐标对应的天球坐标，即望远镜光轴指向的天球坐标；

(4)将望远镜光轴指向的天球坐标转换为月固坐标系中的月固坐标；

(5)计算出月固坐标系到望远镜轴系本体坐标系间的转换矩阵；

(6)将待观测星体天球坐标转换为月固坐标系中的月固坐标，将该月固坐标与转换矩阵相乘，即得望远镜轴系本体指向参数；

(7)控制望远镜轴系执行本体指向参数，即实现对待测目标的精准指向。

步骤(2)中望远镜在其两个轴系的可动范围内至少指向9个区域，且每个轴系的运动步长相同，记录各个步长处望远镜两个轴系本体读数坐标值和所观测的星体图像数据。

步骤(3)的具体步骤为：由星体的像素量度坐标和与其匹配的恒星星表中天球坐标，通过最小二乘拟合出从像素量度坐标转换到天球坐标的函数，进而得到与中心像素量度坐标相对应的星表中的天球坐标。

步骤(4)中望远镜光轴指向的天球坐标经过光轴指向视差、光线引力偏折和月球光行差改正转换为月固坐标。

步骤(5)中先由月固坐标系中的月固坐标和望远镜轴系的本体读数坐标构建观测方程，之后基于最小二乘方法计算出从月固坐标系到望远镜轴系本体坐标系间的转换矩阵。

上述技术方案中提供的用于月球无人值守望远镜的自动指星方法，突破现有方法需要将望远镜本体轴系与望远镜的台站所在处地平坐标系建立固定联系的限制，直接建立望远镜本体轴系与月固坐标系的联系，通过望远镜观测已知星体，将星体坐标转换为月固坐标系下的坐标，进而解算出望远镜本体系与月固坐标系间的转换矩阵，实现望远镜对任意已知星体的准确指向；对于月基且配备有照相机的望远镜，均可在无人值守情况下自动精准(像素级)地实现望远镜对星体的自动指向。

本发明的用于月球无人值守望远镜的自动指星方法，解决了现有方法需要人为参与调节望远镜方位差、水平差以及由此引起的时效性差和精准度难保证的问题，提出了直接建立望远镜本体轴系与月固坐标系间联系的途径和机制，可高时效且精准的实现无人值守情况下月基望远镜对星体的指向和跟踪。

附图说明

图1为本发明用于月球无人值守望远镜的自动指星方法流程图；

图2为月固坐标系[M]和望远镜两个轴系本体坐标系[T]。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

本发明采取的技术方案如图1所示，一种用于月球无人值守望远镜的自动指星方法，包括以下步骤：

(1)将望远镜发射并自动部署到月面任意位置，望远镜相对月面台站处地平面的姿态和指向可随意摆放，位置和姿态均可未知；

(2)控制望远镜在其两个轴系的可动范围内指向不同的天区，这里指向区域数量不少于9个，每个轴系的运动步长尽量均匀，在每一个步长处观测星体，记录望远镜两个轴系的本体读数坐标值(ω,θ)和所观测的星体图像数据。

(3)对星体观测图像数据进行处理，识别出每块区域图像中所有已知星体，利用经典的三角弧长匹配法，实现星像在图像上的像素量度坐标(x,y)与恒星星表中天球坐标(α,δ)的匹配，由每块区域内所有恒星星像量度坐标和天球坐标，通过最小二乘拟合出从量度坐标(x,y)转换到天球坐标(α,δ)的函数，进而由此中心像素坐标(x₀,y₀)解算出其对应的天球坐标(α₀,δ₀)，这样就实现了对每个区域望远镜光轴指向的天球坐标的解算；

(4)将望远镜光轴指向在天球坐标系[N]的星表天球坐标(α₀,δ₀)，以及月球历表中的月球空间姿态数据(月球天平动参数)，将光轴指向的天球坐标转换为月固坐标系中的月固坐标

从望远镜光轴指向在天球坐标系[N]的星表天球坐标(α₀,δ₀)，换为月固坐标系[M]中的坐标

需要对光轴指向进行视差、光线引力偏折和月球光行差改正，经过以上修正后某颗天体的月球质心处的方向矢量为

设其在月固坐标系[M]中的球面坐标为

则

其中[M]'[N]为星表所体现的天球赤道坐标系[N]到月固坐标系的转换矩阵，是由月球的三个天平动参数构建起来的，这里

[M]'[N]＝R₃(Ψ)R₁(Θ)R₃(Φ) (3)

这里的联系参数Φ,Θ,Ψ为月球的天平动数据，可从美国JPL发布的DE405历表中读取。其中Φ是[N]的平春分点到月球赤道和[N]的平赤道的交点的角度(沿着平赤道度量)；Θ是月球赤道和[N]平赤道的交角(升点角)；Ψ是从月球赤道和[N]平赤道的升交点到月固坐标系零子午圈和月球赤道交点间的角度(沿着月球赤道度量)；

将(3)式带入(2)式，则光轴指向在月固坐标系[M]中的方向矢量和球面坐标

可表示为

(5)由光轴指向的月固坐标和望远镜两个轴系的本体读数坐标，构建观测方程，基于最小二乘方法解算出从月固坐标系[M]到望远镜两个轴系本体坐标系[T]间的转换矩阵(观测方程参见公式5，两个参考系[M]与[T]间的几何关系如图2所示(其中xyz轴构成望远镜两个轴系本体坐标系[T]，XYZ轴构成月固坐标系[M])，这一转换关系可以由三个欧拉角完全确定，其相互转换关系等效于一个矩阵)；

本实施例约定笛卡尔坐标系绕某一个坐标轴的旋转矩阵用R_n(θ)表示。其中n＝1，2，3分别表示绕第一、二、三轴(即，X、Y、Z轴)旋转。这里θ为旋转的角度，右手系，逆时针为正，顺时针为负。笛卡尔坐标系绕第一、第二和第三轴旋转如下角度θ₁,θ₂,θ₃，对应的旋转矩阵形式分别如下：

(6)对于有待观测的星体，先由其星表中天球坐标转换(α_c,δ_c)为月固坐标系中的月固坐标

再与上述步骤的转换矩阵相乘，即可得到望远镜两个轴系的指向的本体坐标(ω_c,θ_c)；

(7)通过上述步骤建立完成整个指向参数模型的定标，由任意待测星体的本体坐标(ω_c,θ_c)，即可控制望远镜执行这组望远镜本体系中的指向参数，实现对待测目标的精准指向。

上面结合实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于月球无人值守望远镜的自动指星方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将望远镜固定到月球表面；

(2)通过望远镜采集不同区域的星体观测图像，并记录望远镜轴系的本体读数坐标值和星体观测图像的星体图像数据；

(3)识别出各个区域星体观测图像中的已知星体，将星像在图像上的像素量度坐标(x,y)与恒星星表中天球坐标(α,δ)相匹配，由每块区域内所有恒星星像量度坐标和天球坐标，通过最小二乘拟合出从像素量度坐标(x,y)转换到天球坐标(α,δ)的函数，进而由此中心像素坐标(x₀,y₀)解算出其对应的天球坐标(α₀,δ₀)，即望远镜光轴指向的天球坐标；

(4)将望远镜光轴指向在天球坐标系[N]的星表天球坐标(α₀,δ₀)，转为月固坐标系[M]中的坐标；

首先对望远镜光轴指向进行视差、光线引力偏折和月球光行差改正，经过修正后某颗天体的月球质心处的方向矢量为

设其在月固坐标系[M]中的球面坐标为

则

其中[M]'[N]为星表所体现的天球赤道坐标系[N]到月固坐标系的转换矩阵，是由月球的三个天平动参数构建起来的，式中

[M]'[N]＝R₃(Ψ)R₁(Θ)R₃(Φ) (3)

式中：联系参数Φ,Θ,Ψ为月球的天平动数据，其中Φ是天球赤道坐标系[N]的平春分点到月球赤道和天球赤道坐标系[N]的平赤道的交点的角度；Θ是月球赤道和天球赤道坐标系[N]平赤道的交角；Ψ是从月球赤道和天球赤道坐标系[N]平赤道的升交点到月固坐标系零子午圈和月球赤道交点间的角度；

将(3)式带入(2)式，则光轴指向在月固坐标系[M]中的方向矢量和球面坐标

表示为

(5)先由月固坐标系中的月固坐标和望远镜轴系的本体读数坐标构建观测方程，之后基于最小二乘方法计算出从月固坐标系[M]到望远镜轴系本体坐标系[T]间的转换矩阵；

观测方程为

转换矩阵为

式中：R_n(θ)表示笛卡尔坐标系绕某一个坐标轴的旋转矩阵，其中n＝1，2，3分别表示绕X、Y、Z轴旋转；θ₁,θ₂,θ₃为笛卡尔坐标系绕X、Y和Z旋转的角度；

(6)将待观测星体天球坐标(α_c,δ_c)转换为月固坐标系中的月固坐标

将该月固坐标与转换矩阵相乘，即得望远镜两个轴系的指向的本体坐标(ω_c,θ_c)；

(7)由任意待测星体的本体坐标(ω_c,θ_c)，即控制望远镜执行该组望远镜本体系中的指向参数，实现对待测目标的精准指向。

2.根据权利要求1所述的用于月球无人值守望远镜的自动指星方法，其特征在于：步骤(2)中望远镜在其两个轴系的可动范围内至少指向9个区域，且每个轴系的运动步长相同，记录各个步长处望远镜两个轴系本体读数坐标值和所观测的星体图像数据。

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