CN114111723A - 一种基于动态小视场的天体捕获方法 - Google Patents

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CN114111723A CN202111346919.2A CN202111346919A CN114111723A CN 114111723 A CN114111723 A CN 114111723A CN 202111346919 A CN202111346919 A CN 202111346919A CN 114111723 A CN114111723 A CN 114111723A
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Abstract

本发明提供一种基于动态小视场的天体捕获方法，通过寻星和跟踪两阶段操作，带动光电探测部旋转至目标天体观测位置并做实时调整，为拍摄时刻到来时目标天体依然位于视场观测范围内提供保障，实现了小视场天文测量装置在动态条件下的天体捕获，可为快速、高精度位置或姿态解算提供不间断观测矢量和位置反馈输入，实现了动态条件下基于单目标天体和单伺服主动寻星的跟踪式天文测量，解决了动态条件下先验信息快速更新、天体捕获困难的难题。

Description

一种基于动态小视场的天体捕获方法
技术领域
本发明属于天文测量领域，尤其涉及一种基于动态小视场的天体捕获方法。
背景技术
关于动态小视场天文测量装置的天体捕获方法，尚未有公开专利。
小视场天文测量装置，通常工作于双轴伺服台上，按照一定的寻星策略，对遍布于天空中的特定天体进行搜寻捕获，通过对目标观测矢量和参考矢量之间的关系解算，得到自身在当地地平参考系下的位置或姿态信息，为惯性导航系统提供全天时条件下稳定且精确的校准输入。
传统的小视场天文测量装置大多工作于静态或准静态环境下，即测量装置参考系相对于地平参考系静止不动，或以较低线速度匀速直线运动，角速度小于1°/s。由于视场较小，无法进行星图识别，为能够捕获到目标天体，在生成寻星策略时，常需要先验信息进行辅助观测，先验信息包括粗略姿态、时间、位置等。静态或准静态环境下，先验信息在时间及空间上变化缓慢，由先验信息生成的寻星策略及伺服转角信息在测量周期内基本保持不变，因此载体运动不会对捕获天体目标产生影响。
然而，在某些动态应用场合，如车辆或舰船行驶过程中，远程武器初始入轨、机动及大角度姿态调整过程中，工作于静态或准静态条件下的传统伺服小视场天文测量装置，受自身工作原理限制，已无法适应动态环境使用要求，工作机制失效。
综上所述，如何在动态条件下，根据快速变化的先验信息生成合理的寻星策略，并利用双轴伺服驱动小视场光电探测部精准捕获目标天体，使目标天体始终保持在视场观测范围内，是目前实现动态天文测量的前提，也是天文测量领域亟需解决的难题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于动态小视场的天体捕获方法，能够在动态条件下基于单目标天体和单伺服实现主动寻星的跟踪式天文测量。
一种基于动态小视场的天体捕获方法，应用于天文测量装置，且天文测量装置上设置有双轴伺服转台以及安装于双轴伺服转台上的光电探测部，所述方法包括以下步骤：
S1：获取天文星表中各天体在地平坐标系下的视位置矢量VATMGND，并从天文星表的各天体中选出一个作为目标天体；
S2：基于视位置矢量VATMGND已知的目标天体进入光电探测部视场中心的假设构建目标函数，再利用牛顿法解所述目标函数，得到光电探测部能够观测到目标天体时所需的俯仰角度pitch和方位角度yaw；
S3：按照俯仰角度pitch和方位角度yaw调节双轴伺服转台，拍摄时刻Ts到来后，判断光电探测部是否捕获目标天体质心位置，若捕获，则进入目标天体跟踪阶段，若未捕获，则进入步骤S4；
S4：将当前目标天体记为失效天体，再从天文星表的各天体中重新选取失效天体以外的其他天体作为目标天体，并重复步骤S2～S3，直到捕获目标天体质心位置。
进一步地，所述天文星表中各天体在地平坐标系下的视位置矢量VATMGND的获取方法为：
S11：采用天体自行补偿的方式，将各天体方向矢量的参考系从国际天球参考系ICRS转换至太阳系质心天球参考系BCRS；
S12：采用周年光行差补偿的方式，将各天体方向矢量的参考系从BCRS转换至地球质心天球参考系GCRS；
S13：采用框架系偏差、岁差、章动补偿的方式，将各天体方向矢量的参考系从GCRS转换至赤道坐标系；
S14：采用自转时角补偿的方式，将各天体方向矢量的参考系从赤道坐标系转换至时角坐标系；
S15：采用测点纬度变换的方式，将各天体方向矢量的参考系从时角坐标系转换至地平坐标系；
S16：采用蒙气差补偿的方式，对地平坐标系下的各天体方向矢量进行修正，得到各天体在地平坐标系下的视位置矢量VATMGND。
进一步地，所述采用蒙气差补偿的方式，对地平坐标系下的各天体方向矢量进行修正具体为：
将地平坐标系下的各天体方向矢量记为vGND＝[vGND(1)vGND(2)vGND(3)]，其中，vGND(1)、vGND(2)、vGND(3)分别为天体方向矢量在大地真北、天顶轴向上以及大地真东的位置；
按照如下公式获取各天体方向矢量在地平坐标系下的方位角θD和天顶角θZ：
θD＝arctan(vGND(3)/vGND(1))
θZ＝arcsin(vGND(2))
获取蒙气差作用下各天体方向矢量的天顶角θZ变化量ρ：
ρ＝ρ0(1-A+B)
其中，ρ0为0℃标准大气压下的蒙气差，A为设定的温度修正系数，B为设定的大气压修正系数；
获取蒙气差补偿后的天顶角θ′Z：
θ′Z＝θz-ρ
根据天顶角θ′Z获取视位置矢量VATMGND：
Figure BDA0003354504840000041
进一步地，目标天体的筛选方法如下：
S1a：选取与光电探测部探测谱段一致的天文星表作为导航星表的基本数据库；
S1b：根据光电探测部可发现的极限星等，从基本数据库中筛除星等高于所述极限星等的暗天体、自行量值超过500mas/y的天体以及亮度变化超过0.5Mv的天体后，得到星表历元下的导航星表；
S1c：假定天文测量装置投入使用的历元段为T1至T2，则将中心时刻(T1+T2)/2时的星表历元下的导航星表作为自行补偿导航星表；
S1d：在自行补偿导航星表包含的天体中，筛选出拍摄时刻Ts时在地平坐标系下高度角为30°至70°的天体作为候选星，并将各候选星按照方位角在-175°至175°的区间内依次排序；
S1e：将排序后方位角最小的候选星作为目标天体。
进一步地，如果在拍摄时刻Ts或跟踪阶段任意时刻Tt光电探测部捕获目标天体质心位置失败，则需在自行补偿导航星表中选取失效天体以外的其他天体作为目标天体进行观测，其中，若重新获取的候选星包含上次作为目标天体的失效天体，则选择该失效天体下一方位位置的天体作为新的目标天体；若重新获取的候选星中不包含之前作为目标天体的失效天体，则选用方位角最小的天体作为目标天体。
进一步地，所述目标函数的构建方法如下：
构建将目标天体的视位置矢量VATMGND从地平坐标系转换至光电探测部的相机坐标系的第一转换方程：
Figure BDA0003354504840000051
其中，VCAM目标天体在相机坐标系下的视位置矢量，
Figure BDA0003354504840000052
为转台实时坐标系至相机坐标系的转换矩阵，且
Figure BDA0003354504840000053
为标定的常数矩阵，
Figure BDA0003354504840000054
Figure BDA0003354504840000055
a1～a9为
Figure BDA0003354504840000056
的转换系数，
Figure BDA0003354504840000057
为转台零位坐标系至转台实时坐标系的转换矩阵，且
Figure BDA0003354504840000058
Figure BDA0003354504840000059
为天文测量装置参考系至转台零位坐标系的转换矩阵，且
Figure BDA00033545048400000510
为标定的常数矩阵，
Figure BDA00033545048400000511
为外部提供的地平坐标系至天文测量装置参考系的转换矩阵；
假设视位置矢量VATMGND已知的目标天体进入光电探测部视场中心，则VCAM为(1，0，0)T，其中，T表示转置；
由所述转换方程获取目标天体在转台零位坐标系下的视位置矢量VORI如下：
Figure BDA00033545048400000512
构建将视位置矢量VORI从转台零位坐标系转换至转台实时坐标系的第二转换方程：
Figure BDA00033545048400000513
其中，
Figure BDA00033545048400000514
为相机坐标系至转台实时坐标系的转换矩阵，RY(yaw)表示视位置矢量VORI绕转台实时坐标系Y轴旋转方位角度yaw，Rz(pitch)表示视位置矢量VORI绕转台实时坐标系Z轴旋转俯仰角度pitch；
展开第二转换方程，得到展开关系式如下：
Figure BDA0003354504840000061
其中，vori(0)为视位置矢量VORI的第一个元素，vori(1)为视位置矢量VORI的第二个元素，vori(2)为视位置矢量VORI的第三个元素；
根据展开关系式得到目标函数如下：
f(yaw)＝-sin(yaw)*vori(0)+cos(yaw)*vori(2)-a7＝0
f(pitch)＝coS(pitch)*cos(yaw)*vori(0)+sin(pitch)*vori(1)+
cos(pitch)*sin(yaw)*vori(2)-a1＝0
其中，f(yaw)为方位角度yaw对应的目标函数，f(pitch)为俯仰角度pitch对应的目标函数。
进一步地，所述天文测量装置安装于车辆或舰船上，且在跟踪阶段，光电探测部实时获取目标天体质心位置相对于光电探测部视场中心的偏差，双轴伺服转台根据所述偏差和天文测量装置上的陀螺仪敏感到的载体角速度信息作为跟踪误差进行闭环控制，实现目标天体的跟踪凝视。
有益效果：
1、本发明提供一种基于动态小视场的天体捕获方法，通过寻星和跟踪两阶段操作，带动光电探测部旋转至目标天体观测位置并做实时调整，为拍摄时刻到来时目标天体依然位于视场观测范围内提供保障，实现了小视场天文测量装置在动态条件下的天体捕获，可为快速、高精度位置或姿态解算提供不间断观测矢量和位置反馈输入，实现了动态条件下基于单目标天体和单伺服主动寻星的跟踪式天文测量，解决了动态条件下先验信息快速更新、天体捕获困难的难题。
2、本发明提供一种基于动态小视场的天体捕获方法，给出了将天文星表中各天体方向矢量从国际天球参考系ICRS转换至地平坐标系，最终得到视位置矢量VATMGND，为准确捕获单目标天体进而实现单星定姿提供的技术基础。
3、本发明提供一种基于动态小视场的天体捕获方法，跟踪阶段伺服转台利用光电探测部拍摄到的目标天体质心位置信息和陀螺信息作为控制量，实现对目标天体的跟踪凝视，继而为后续进行位置或姿态解算提供快速、准确、有效的观测矢量和位置反馈输入。
附图说明
图1为动态小视场天文测量装置天体捕获方法实现流程；
图2为天体方向矢量坐标系转换步骤；
图3为目标天体选取过程；
图4为天文测量装置坐标系转换关系。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明旨在为小视场天文测量装置提供一种动态条件下的天体捕获方法，该方法将天体捕获过程分解为两个阶段：寻星和跟踪。寻星阶段利用快速更新的先验信息，生成实时寻星策略，当选定目标观测星体后，双轴伺服台根据寻星策略中的转位信息和陀螺信息，带动光电探测部旋转至目标天体观测位置并做实时调整，为拍摄时刻到来时目标天体依然位于视场观测范围内提供保障；跟踪阶段伺服转台利用光电探测部拍摄到的目标天体质心位置信息和陀螺信息作为控制量，实现对目标天体的跟踪凝视，继而为后续进行位置或姿态解算提供快速、准确、有效的观测矢量和位置反馈输入。
如图1所示，一种基于动态小视场的天体捕获方法，应用于天文测量装置，且天文测量装置上设置有双轴伺服转台以及安装于双轴伺服转台上的光电探测部，所述方法包括以下步骤：
S1：获取天文星表中各天体在地平坐标系下的视位置矢量VATMGND，并从天文星表的各天体中选出一个作为目标天体。
需要说明的是，天文星表中天体的指向信息是相对国际天球参考系ICRS的，在地面观测中，天文测量的参考系是观测点地平坐标系，则天体方向矢量坐标系转换如图2所示。
S11：采用天体自行补偿的方式，将各天体方向矢量的参考系从国际天球参考系ICRS转换至太阳系质心天球参考系BCRS；为减少运算时间，该步骤已在导航星表生成时完成。
S12：采用周年光行差补偿的方式，将各天体方向矢量的参考系从BCRS转换至地球质心天球参考系GCRS。
S13：采用框架系偏差、岁差、章动补偿的方式，将各天体方向矢量的参考系从GCRS转换至赤道坐标系。
S14：采用自转时角补偿的方式，将各天体方向矢量的参考系从赤道坐标系转换至时角坐标系；记自转时角为θLAST，则转换矩阵
Figure BDA0003354504840000081
为：
Figure BDA0003354504840000091
S15：采用测点纬度变换的方式，将各天体方向矢量的参考系从时角坐标系转换至地平坐标系；记观测点的地理纬度为lat，则转换矩阵
Figure BDA0003354504840000092
为：
Figure BDA0003354504840000093
需要说明的是，观测点的地理经纬度可由卫星导航模块提供，一般要求定位精度不劣于50m。
S16：采用蒙气差补偿的方式，对地平坐标系下的各天体方向矢量进行修正，得到各天体在地平坐标系下的视位置矢量VATMGND。
也就是说，考虑到大气折射的影响，对地平坐标系下的天体矢量位置进行蒙气差补偿，得到天体在地平坐标系下的视位置。记地平坐标系下的各天体方向矢量记为vGND＝[vGND(1)vGND(2)vGND(3)]，其中，vGND(1)、vGND(2)、vGND(3)分别为天体方向矢量在大地真北、天顶轴向上以及大地真东的位置，则其对应的方位角θD和天顶角θZ为：
θD＝arctan(vGND(3)/vGND(1)) (3)
θZ＝arcsin(vGND(2)) (4)
在蒙气差的作用下，天体的天顶角发生变化，变化量记为ρ：
ρ＝ρ0(1-A+B) (5)
其中，ρ0是0℃标准大气压下的蒙气差：
ρ0＝60.27tanθZ-0.0669tan3θZ (6)
A是温度修正系数，式中T为环境摄氏温度：
Figure BDA0003354504840000101
B是大气压修正系数，式中P为环境大气压(单位hPa)：
Figure BDA0003354504840000102
蒙气差补偿后的天顶角为θ′Z＝θz-ρ,则天体在地平系下的视位置为：
Figure BDA0003354504840000103
进一步地，如图3所示，目标天体的筛选方法如下：
S1a：选取与光电探测部探测谱段一致的天文星表作为导航星表的基本数据库。
S1b：根据光电探测部可发现的极限星等，从基本数据库中筛除星等高于所述极限星等的暗天体、自行量值超过500mas/y的天体以及亮度变化超过0.5Mv的天体后，得到星表历元下的导航星表。
S1c：假定天文测量装置投入使用的历元段为T1至T2，则将中心时刻(T1+T2)/2时的星表历元下的导航星表作为自行补偿导航星表。
也就是说，选取中心时刻(T1+T2)/2作为天体目标自行补偿的历元时刻，利用星表中自行运动信息，将星表历元下的导航星表补偿至中心时刻，即可得到自行补偿导航星表；此外，由于天体指向运动极为缓慢，因此自行补偿导航星表在天文测量装置出厂前已被固化，从而减小了寻星策略的运算量。
S1d：在自行补偿导航星表包含的天体中，筛选出拍摄时刻Ts时在地平坐标系下高度角为30°至70°的天体作为候选星，并将各候选星按照方位角在-175°至175°的区间内依次排序。
S1e：将排序后方位角最小的候选星作为目标天体。
需要说明的是，时间信息由卫星导航模块提供，时间系统使用世界协调时(UTC)，由卫星导航系统1PPS秒脉冲准确授时，授时精度不劣于10ms。授时完成后，测量装置守时模块以此开始计时，之后按照守时模块时间点作为寻星策略时刻安排的参考点；也就是说，本发明根据守时模块记录的时间，进行寻星策略时间安排，读取守时模块时间，记为T0，从该时刻开始，选取一定时间(一般10s)以后时刻Ts为拍摄时刻，计算导航星表中全部天体在Ts时刻时，所在地平坐标系下的视位置VATMGND，再根据视位置VATMGND选取方位角最小的天体作为目标天体。
需要说明的是，第一轮观星时，采用排序后方位角最小的天体作为目标天体，记录下目标天体在星表中的星体号Hp。当流程来到拍摄时刻Ts，被选定目标天体质心获取成功，则跟踪阶段仍选用此颗恒星作为目标天体进行跟踪拍摄；若拍摄时刻Ts或跟踪阶段某时刻Tt，目标天体质心获取失败，则需在自行补偿星表中选取新的天体作为目标天体进行观测，其中，若重新获取的候选星包含上次目标天体号Hp，则选择该天体下一方位位置的天体作为新的目标天体，记录下新的目标天体在星表中的星体号，仍记作Hp；若候选星中不再包含上次目标天体号Hp，则选用方位角最小的天体作为目标天体，记录下目标天体在星表中的星体号Hp。
S2：基于视位置矢量VATMGND已知的目标天体进入光电探测部视场中心的假设构建目标函数，再利用牛顿法解所述目标函数，得到光电探测部能够观测到目标天体时所需的俯仰角度pitch和方位角度yaw。
也就是说，经过天体方向矢量坐标系转换，目标天体的选取两步骤后，得到了目标天体经蒙气差补偿后在地平坐标系下的视位置矢量VATMGND，以目标天体进入光电探测部视场中心构建目标函数，可解算出目标天体观测伺服所需产生的俯仰角度(pitch)和方位角度(yaw)。
进一步地，天文测量装置坐标系转换关系图如图4所示，目标天体从地平坐标系下视位置矢量VATMGND经坐标系转换至相机坐标系下矢量VCAM，转换过程如公式(10)所示：
Figure BDA0003354504840000121
其中，VCAM目标天体在相机坐标系下的视位置矢量，
Figure BDA0003354504840000122
为转台实时坐标系至相机坐标系的转换矩阵，且
Figure BDA0003354504840000123
为标定的常数矩阵，
Figure BDA0003354504840000124
Figure BDA0003354504840000125
a1～a9为
Figure BDA0003354504840000126
的转换系数，
Figure BDA0003354504840000127
为转台零位坐标系至转台实时坐标系的转换矩阵，且
Figure BDA0003354504840000128
Figure BDA0003354504840000129
为天文测量装置参考系至转台零位坐标系的转换矩阵，
Figure BDA00033545048400001210
b1～b9为
Figure BDA00033545048400001211
的转换系数，且
Figure BDA00033545048400001212
为标定的常数矩阵，
Figure BDA00033545048400001213
为外部提供的地平坐标系至天文测量装置参考系的转换矩阵，也为已知量。
需要说明的是，转换矩阵
Figure BDA00033545048400001214
为粗略姿态，装置参考系特指装置测量的基准，所有目标天体观测矢量均将转换至该坐标系下求解姿态，该坐标系一般与测量装置的光学传递基准的法向重合。观测点地平坐标系由大地真北、天顶轴向上以及大地真东共同定义。粗略姿态允许存在一定误差，但若误差过大则会使寻星过程中目标脱靶量超出视场范围，从而导致观测错误或失败。为此，在动态环境下，寻星过程应快速响应外部粗略姿态变化，避免由于时间滞后过大导致的目标脱离视场问题发生。
假设视位置矢量VATMGND已知的目标天体进入光电探测部视场中心，则VCAM为(1,0,0)T，其中，T表示转置；
由所述转换方程获取目标天体在转台零位坐标系下的视位置矢量VORI如下：
Figure BDA0003354504840000131
构建将视位置矢量VORI从转台零位坐标系转换至转台实时坐标系的第二转换方程：
Figure BDA0003354504840000132
其中，
Figure BDA0003354504840000133
为相机坐标系至转台实时坐标系的转换矩阵，RY(yaw)表示视位置矢量VORI绕转台实时坐标系Y轴旋转方位角度yaw，RZ(pitch)表示视位置矢量VORI绕转台实时坐标系Z轴旋转俯仰角度pitch；
展开第二转换方程，得到展开关系式如下：
Figure BDA0003354504840000134
其中，vori(0)为视位置矢量VORI的第一个元素，vori(1)为视位置矢量VORI的第二个元素，vori(2)为视位置矢量VORI的第三个元素；
根据展开关系式得到目标函数如下：
f(yaw)＝-sin(yaw)*vori(0)+cos(yaw)*vori(2)-a7＝0
f(pitch)＝cos(pitch)*cos(yaw)*vori(0)+sin(pitch)*vori(1)+
cos(pitch)*sin(yaw)*vori(2)-a1＝0
其中，f(yaw)为方位角度yaw对应的目标函数，f(pitch)为俯仰角度pitch对应的目标函数。
进一步地，为了得到伺服转角pitch和yaw值，可利用牛顿法解目标函数的非线性方程，则有：
f′(yaw)＝-cos(yaw)*vori(0)-sin(yaw)*vori(2)
为得到yaw值，可通过下式反复迭代：
yawk+1＝yawk-f(yawk)/f′(yawk)
其中方位角初值为：yaw0＝atan(vori(2),vori(0))，迭代次数限制为1000次，迭代精度限制为10-7。
得到方位角yaw后，同样利用牛顿法解非线性方程，可得到俯仰角pitch值。方程如下：
f′(pitch)＝-sin(pitch)*cos(yaw)*vori(0)+cos(pitch)*vori(1)
-sin(pitch)*sin(yaw)*vori(2)
为得到pitch值，可通过下式反复迭代：
pitchk+1＝pitchk-f(pitchk)/f′(pitchk)
其中俯仰角初值为：pitch0＝asin(vori(1))，迭代次数限制为1000次，迭代精度限制为10-7。
寻星阶段伺服转角随外界载体运动实时变化。
S3：按照俯仰角度pitch和方位角度yaw调节双轴伺服转台，拍摄时刻Ts到来后，判断光电探测部是否捕获目标天体质心位置，若捕获，则进入目标天体跟踪阶段，若未捕获，则进入步骤S4。
需要说明的是，拍摄时刻Ts到来后，光电探测部获取目标天体质心位置，质心有效，则进入跟踪阶段；跟踪过程设置固定曝光时间间隔，间隔时间长度以光电探测部获取质心的时长决定。质心信息代表目标天体相对于光电探测部中心位置的偏差，即脱靶量，将质心信息发送至伺服控制系统，与陀螺信息一起，作为跟踪误差进行闭环控制，实现目标天体的跟踪凝视。
S4：将当前目标天体记为失效天体，再从天文星表的各天体中重新选取失效天体以外的其他天体作为目标天体，并重复步骤S2～S3，直到捕获目标天体质心位置。
综上所述，本发明提供的一种基于动态小视场的天体捕获方法，寻星过程根据外部提供的粗略姿态、时间、位置等先验信息生成寻星策略，依据寻星策略进行初始目标天体的选取，曝光时刻及观测转角的生成。伺服转台在寻星策略的规划下带动光电探测部提前运动至指定观测位置。由于载体实时运动，为确保曝光时刻目标天体锁定在视场范围内，需根据新的先验信息不断生成新的寻星策略，伺服转台依据寻星策略和陀螺信息不断调整双轴转角至指定位置，在拍摄时刻，策略装置触发光电探测部的曝光功能，通过质心提取获取目标天体位置(即目标天体观测矢量)。
当完成目标天体的捕获和质心提取后，需根据得到的质心信息进行下一步操作。若未捕获质心则表示质心信息无效，则需重新计算寻星策略，并重新选取新的天体作为观测目标，再次进行寻星操作；质心信息有效，则进入跟踪过程。
跟踪过程通过设置高频率曝光时间，获取高更新率的目标天体质心位置，利用质心(脱靶量)信息和陀螺仪敏感到的载体角速度信息形成速度环反馈，由双轴伺服系统快速响应，消除载体运动对视准轴指向的影响，使目标天体始终保持在视场观测范围内，实现对目标天体的跟踪凝视。
跟踪过程中，当目标天体被云层、飞行器或建筑物遮挡时，跟踪目标丢失，天体质心获取失败，天体捕获流程重新进入寻星阶段，即选取新的天体作为观测目标，再次进行寻星操作。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于动态小视场的天体捕获方法，应用于天文测量装置，且天文测量装置上设置有双轴伺服转台以及安装于双轴伺服转台上的光电探测部，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：获取天文星表中各天体在地平坐标系下的视位置矢量VATMGND，并从天文星表的各天体中选出一个作为目标天体；
S2：基于视位置矢量VATMGND已知的目标天体进入光电探测部视场中心的假设构建目标函数，再利用牛顿法解所述目标函数，得到光电探测部能够观测到目标天体时所需的俯仰角度pitch和方位角度yaw；
S3：按照俯仰角度pitch和方位角度yaw调节双轴伺服转台，拍摄时刻Ts到来后，判断光电探测部是否捕获目标天体质心位置，若捕获，则进入目标天体跟踪阶段，若未捕获，则进入步骤S4；
S4：将当前目标天体记为失效天体，再从天文星表的各天体中重新选取失效天体以外的其他天体作为目标天体，并重复步骤S2～S3，直到捕获目标天体质心位置。
2.如权利要求1所述的一种基于动态小视场的天体捕获方法，其特征在于，所述天文星表中各天体在地平坐标系下的视位置矢量VATMGND的获取方法为：
S11：采用天体自行补偿的方式，将各天体方向矢量的参考系从国际天球参考系ICRS转换至太阳系质心天球参考系BCRS；
S12：采用周年光行差补偿的方式，将各天体方向矢量的参考系从BCRS转换至地球质心天球参考系GCRS；
S13：采用框架系偏差、岁差、章动补偿的方式，将各天体方向矢量的参考系从GCRS转换至赤道坐标系；
S14：采用自转时角补偿的方式，将各天体方向矢量的参考系从赤道坐标系转换至时角坐标系；
S15：采用测点纬度变换的方式，将各天体方向矢量的参考系从时角坐标系转换至地平坐标系；
S16：采用蒙气差补偿的方式，对地平坐标系下的各天体方向矢量进行修正，得到各天体在地平坐标系下的视位置矢量VATMGND。
3.如权利要求2所述的一种基于动态小视场的天体捕获方法，其特征在于，所述采用蒙气差补偿的方式，对地平坐标系下的各天体方向矢量进行修正具体为：
将地平坐标系下的各天体方向矢量记为vGND＝[vGND(1) vGND(2) vGND(3)]，其中，vGND(1)、vGND(2)、vGND(3)分别为天体方向矢量在大地真北、天顶轴向上以及大地真东的位置；
按照如下公式获取各天体方向矢量在地平坐标系下的方位角θD和天顶角θZ：
θD＝arctan(vGND(3)/vGND(1))
θZ＝arcsin(vGND(2))
获取蒙气差作用下各天体方向矢量的天顶角θZ变化量ρ：
ρ＝ρ0(1-A+B)
其中，ρ0为0℃标准大气压下的蒙气差，A为设定的温度修正系数，B为设定的大气压修正系数；
获取蒙气差补偿后的天顶角θ′Z：
θ′Z＝θz-ρ
根据天顶角θ′Z获取视位置矢量VATMGND：
Figure FDA0003354504830000031
4.如权利要求1所述的一种基于动态小视场的天体捕获方法，其特征在于，目标天体的筛选方法如下：
S1a：选取与光电探测部探测谱段一致的天文星表作为导航星表的基本数据库；
S1b：根据光电探测部可发现的极限星等，从基本数据库中筛除星等高于所述极限星等的暗天体、自行量值超过500mas/y的天体以及亮度变化超过0.5Mv的天体后，得到星表历元下的导航星表；
S1c：假定天文测量装置投入使用的历元段为T1至T2，则将中心时刻(T1+T2)/2时的星表历元下的导航星表作为自行补偿导航星表；
S1d：在自行补偿导航星表包含的天体中，筛选出拍摄时刻Ts时在地平坐标系下高度角为30°至70°的天体作为候选星，并将各候选星按照方位角在-175°至175°的区间内依次排序；
S1e：将排序后方位角最小的候选星作为目标天体。
5.如权利要求4所述的一种基于动态小视场的天体捕获方法，其特征在于，如果在拍摄时刻Ts或跟踪阶段任意时刻Tt光电探测部捕获目标天体质心位置失败，则需在自行补偿导航星表中选取失效天体以外的其他天体作为目标天体进行观测，其中，若重新获取的候选星包含上次作为目标天体的失效天体，则选择该失效天体下一方位位置的天体作为新的目标天体；若重新获取的候选星中不包含之前作为目标天体的失效天体，则选用方位角最小的天体作为目标天体。
6.如权利要求1所述的一种基于动态小视场的天体捕获方法，其特征在于，所述目标函数的构建方法如下：
构建将目标天体的视位置矢量VATMGND从地平坐标系转换至光电探测部的相机坐标系的第一转换方程：
Figure FDA0003354504830000041
其中，VCAM目标天体在相机坐标系下的视位置矢量，
Figure FDA0003354504830000042
为转台实时坐标系至相机坐标系的转换矩阵，且
Figure FDA0003354504830000043
为标定的常数矩阵，
Figure FDA0003354504830000044
Figure FDA0003354504830000045
a1～a9为
Figure FDA0003354504830000046
的转换系数，
Figure FDA0003354504830000047
为转台零位坐标系至转台实时坐标系的转换矩阵，且
Figure FDA0003354504830000048
Figure FDA0003354504830000049
为天文测量装置参考系至转台零位坐标系的转换矩阵，且
Figure FDA00033545048300000410
为标定的常数矩阵，
Figure FDA00033545048300000411
为外部提供的地平坐标系至天文测量装置参考系的转换矩阵；
假设视位置矢量VATMGND已知的目标天体进入光电探测部视场中心，则VCAM为(1，0，0)T，其中，T表示转置；
由所述转换方程获取目标天体在转台零位坐标系下的视位置矢量VORI如下：
Figure FDA00033545048300000412
构建将视位置矢量VORI从转台零位坐标系转换至转台实时坐标系的第二转换方程：
Figure FDA00033545048300000413
其中，
Figure FDA00033545048300000414
为相机坐标系至转台实时坐标系的转换矩阵，RY(yaw)表示视位置矢量VORI绕转台实时坐标系Y轴旋转方位角度yaw，RZ(pitch)表示视位置矢量VORI绕转台实时坐标系Z轴旋转俯仰角度pitch；
展开第二转换方程，得到展开关系式如下：
Figure FDA0003354504830000051
其中，vori(0)为视位置矢量VORI的第一个元素，vori(1)为视位置矢量VORI的第二个元素，vori(2)为视位置矢量VORI的第三个元素；
根据展开关系式得到目标函数如下：
f(yaw)＝-sin(yaw)*vori(0)+cos(yaw)*vori(2)-a7＝0
f(pitch)＝cos(pitch)*cos(yaw)*vori(0)+sin(pitch)*vori(1)+cos(pitch)*sin(yaw)*vori(2)-a1＝0
其中，f(yaw)为方位角度yaw对应的目标函数，f(pitch)为俯仰角度pitch对应的目标函数。
7.如权利要求1所述的一种基于动态小视场的天体捕获方法，其特征在于，所述天文测量装置安装于车辆或舰船上，且在跟踪阶段，光电探测部实时获取目标天体质心位置相对于光电探测部视场中心的偏差，双轴伺服转台根据所述偏差和天文测量装置上的陀螺仪敏感到的载体角速度信息作为跟踪误差进行闭环控制，实现目标天体的跟踪凝视。
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