CN114998423B - 一种望远镜自主定向方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间目标观测技术领域，具体涉及一种望远镜自主定向方法。本发明通过获取天空图像、剔除非恒星目标、选取定标星、匹配标准星、望远镜视轴中心指向解算实现望远镜的自主定向。在剔除非恒星目标环节，通过长短曝光图像结合的方式，剔除了图像中的卫星、撞星和其他假目标情况，提高了匹配效率和准确性；采用“回”形区域分区的方式确保了定标星之间的角距尽量大，以减少匹配冗余；通过角距进行第一轮匹配，有匹配冗余时，继续通过星等匹配进一步消除冗余。在望远镜视轴中心指向解算环节，通过已知标准星的理想坐标和像面坐标建立望远镜测量模型，在望远镜站址精确天文坐标未知的情况下，依然可以解算出望远镜视轴中心指向。

Description

一种望远镜自主定向方法

技术领域

本发明属于空间目标观测技术领域，具体涉及一种望远镜自主定向方法。

背景技术

望远镜在进行精密观测之前，必须进行方位方向基准的标定，确定方位零位，也就是定向。通常的做法是在望远镜周边架设多个方位标，通过测量已知大地坐标的方位标实现定向。在夜间利用北极星进行定向也是一种方案。但以上两种方案都具有一定的局限性，

对于地面机动望远镜，随着机动站布站位置的变化，跟随望远镜布设方位标的方案不能完全实现，给望远镜的使用带来了很多的不便，使观测无法顺利进行。在低纬度地区因不易观察到北极星也会导致定向失败。同时，对于望远镜精确站址不能提前得知的情况，以上两种方法均不能实现精确定向。

发明名称为《一种光电经纬仪快速自主定向的方法》提供了一种通过多颗恒星进行标定的方法，但该方法没有提供星图匹配的具体方法，同时该专利仅适用于观测站天文经纬度精确已知的情况，对于船载或运动测站等站址坐标不能精确得知的望远镜，无法使用该定向方法。

发明内容

本发明提供了一种可以全自动实现的望远镜自主定向方法，即使在机动望远镜天文经纬度未知的情况下也可实现。本方法通过获取天空图像、剔除非恒星目标、选取定标星、匹配标准星、望远镜视轴中心指向解算等步骤，可快速实现望远镜的自主定向。在剔除非恒星目标环节，通过长短曝光图像结合的方式，剔除了图像中的卫星、撞星和其他假目标情况，提高了匹配效率和准确性；在定标星选取环节，采用“回”形区域分区的方式确保了定标星之间的角距尽量大，以减少匹配冗余；在恒星匹配环节，通过角距进行第一轮匹配，有匹配冗余时，继续通过星等匹配进一步消除冗余。在望远镜视轴中心指向解算环节，在将定标星和标准星匹配后，通过已知定标星的理想坐标和像面坐标建立望远镜测量模型，在望远镜站址精确天文坐标未知的情况下，依然可以解算出望远镜视轴中心指向。

本发明的技术方案是：

一种望远镜自主定向方法，包括以下步骤：

S1、获取天空图像：望远镜指向一个天区静止不动，连续获取长曝光天空背景图像和短曝光天空背景图像，分别统计两张图像上所有目标的像元数、像面坐标、灰度值，并记录曝光中心时刻；

S2、剔除非恒星目标：

统计长曝光图像中像元数大于阈值的目标的像面坐标，在短曝光图像中扣除以上目标，可剔除图像中的卫星、撞星等目标，剩下恒星目标；

对比长曝光图像和短曝光图像，若短曝光图像中有目标的位置，但长曝光图像中该位置没有目标，在短曝光图像中扣除该目标，可剔除图像中的假目标；

S3、将短曝光图像分割成“回”形区域，按照星像的平均灰度从大到小在四个“一”字型区域中的三个区域各选择一颗星作为定标星，分别记为N1、N2、N3，三个定标星俯仰角从高到低依次为ξ₁、ξ₂、ξ₃，根据定标星的像面坐标计算出三颗星两两之间的角距，为σ₁₂、σ₂₃、σ₁₃；

S4、检索恒星星库中对应赤纬从高到低分别为ξ₁′、ξ₂′、ξ₃′的恒星作为标准星，构建出三个顶点分别位于纬度ξ₁′、ξ₂′、ξ₃′上的所有三角形，计算出三角形的角距，形成配对用标准数据库，设用于配对的恒星编号分别为M1、M2、M3，三颗星的理论角距依次排列为γ₁₂、γ₂₃、γ₁₃；所述恒星星库的构建方式为：将设定纬度范围内的恒星，按照纬度区域增加的方式进行分区，在各纬度区域，按星等增加的方式排列，其中可以根据望远镜的视场调节星等，视场越大，星库中保留的恒星星等就越低，可以提高匹配效率；

对定标星和标准星进行按以下条件进行匹配，确定出三颗定标星对应的标准星：

条件1：

min(σ₁₂、σ₂₃、σ₁₃)≥min(γ₁₂、γ₂₃、γ₁₃)+∈₁

max(σ₁₂、σ₂₃、σ₁₃)≤max(γ₁₂、γ₂₃、γ₁₃)+∈₁

条件2：

其中，∈₁是设定误差门限1，∈₂是设定误差门限2；

当符合要求的标准星超过一组时，根据星等进行再次匹配，将每组标准星按照星等从亮到暗排序，对应的赤纬分别为ξ_Mmax′、ξ_Mmid′、ξ_Mmin′，对其两两做差，记录差值的正负性；对应的定标星按照星象平均灰度从高到低排序，对应的俯仰角分别为ξ_Mmax、ξ_Mmid、ξ_Mmin，对其两两做差，记录差值的正负性，两组记录正负性的数组完全一致时，认为匹配成功；匹配成功后，通过查询定标星对应标准星在星库中的数据，得出定标星的赤经、赤纬。

S5、对于已知站点天文经纬度的测站，直接根据第i颗定标星的赤经、赤纬和地方时t求出定标星相对测站的理论方位角，再根据理论方位角和实测方位角之间的偏差ΔA_i对方位编码器进行置数，实现定向；对于站点精确天文经纬度未知的测站，先根据站址的地理经纬度粗略估算出一个零位，再根据望远镜的误差模型进行修正，得出望远镜的精确零位，具体为：

根据测站粗略地理经纬度站址和第i颗定标星的赤经、赤纬(α_i，δ_i)和地方时t粗略估算出测站中心点相对正北的偏差，为了提高精度，对多颗定标星的偏差值求平均值：

ΔA_i＝A_i-A_i＇

式中：A_i＇、A_i为第i颗定标星相对测站的理论方位角和实测方位角；

计算得出定标星的理想坐标(X_i，Y_i)：

式中：(α_i，δ_i)为第i颗定标星的赤经、赤纬，(α₀，δ₀)为视轴中心指向的赤经、赤纬，(A₀、E₀)为视轴中心对应的方位俯仰值，(A_i、E_i)为第i颗定标星对应的方位俯仰值；

将定标星的理想坐标(X_i，Y_i)代入六常数模型求出望远镜的测量模型，通过最小二乘法，求出望远镜中心偏差等误差：

式中：(x_i，y_i)为匹配成功的定标星的像面坐标，

修正望远镜中心指向，实现精确定向A_0z：

A_0z＝A₀+ΔA_i+a

A₀为视轴中心对应的方位，a为六常数模型系数a

本发明的有益效果是：提供了一种可以全自动实现的机动望远镜自主定向的方法，即使在机动望远镜精确天文经纬度坐标未知的情况下也可实现，解决了船载、地面机动等机动布站望远镜的自主定向问题。

具体实施方式

发明内容部分的方案即是本发明的最佳实施方式。

本发明提供了一种可以全自动实现的望远镜自主定向方法，即使在机动望远镜天文经纬度未知的情况下也可实现。

在剔除非恒星目标环节，通过长短曝光图像结合的方式，剔除了图像中的卫星、撞星和其他假目标情况，提高了匹配效率和准确性；

在定标星选取环节，采用“回”形区域分区的方式确保了定标星之间的角距尽量大，以减少匹配冗余；

在恒星匹配环节，根据地面站的特点，将定标星的纬度排列作为匹配的输入条件之一，提高了匹配效率。通过角距与星等结合两轮匹配方案，解决了匹配冗余的难题。

在望远镜视轴中心指向解算环节，通过已知标准星的理想坐标和像面坐标建立望远镜测量模型，在望远镜站址精确天文坐标未知的情况下，依然可以解算出望远镜视轴中心指向。

Claims (1)

1.一种望远镜自主定向方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取天空图像：望远镜指向一个天区静止不动，连续获取长曝光天空背景图像和短曝光天空背景图像，分别统计两张图像上所有目标的像元数、像面坐标、灰度值，并记录曝光中心时刻；

S2、剔除非恒星目标：

统计长曝光图像中像元数大于阈值的目标的像面坐标，在短曝光图像中扣除以上目标；

对比长曝光图像和短曝光图像，若短曝光图像中有目标的位置，但长曝光图像中该位置没有目标，在短曝光图像中扣除该目标；

S3、将短曝光图像分割成“回”形区域，按照星像的平均灰度从大到小在四个“一”字型区域中的三个区域各选择一颗星作为定标星，分别记为N1、N2、N3，三个定标星俯仰角从高到低依次为ξ₁、ξ₂、ξ₃，根据定标星的像面坐标计算出三颗星两两之间的角距，为σ₁₂、σ₂₃、σ₁₃；

S4、检索恒星星库中对应赤纬从高到低分别为ξ₁′、ξ₂′、ξ₃′的恒星作为标准星，构建出三个顶点分别位于纬度ξ₁′、ξ₂′、ξ₃′上的所有三角形，计算出三角形的角距，形成配对用标准数据库，设用于配对的恒星编号分别为M1、M2、M3，三颗星的理论角距依次排列为γ₁₂、γ₂₃、γ₁₃；所述恒星星库的构建方式为：将设定纬度范围内的恒星，按照纬度区域增加的方式进行分区，在各纬度区域，按星等增加的方式排列；

对定标星和标准星进行按以下条件进行匹配，确定出三颗定标星对应的标准星：

条件1：

min(σ₁₂、σ₂₃、σ₁₃)≥min(γ₁₂、γ₂₃、γ₁₃)+∈₁

max(σ₁₂、σ₂₃、σ₁₃)≤max(γ₁₂、γ₂₃、γ₁₃)+∈₁

条件2：

其中，∈₁是设定误差门限1，∈₂是设定误差门限2；

当符合要求的标准星超过一组时，根据星等进行再次匹配，将每组标准星按照星等从亮到暗排序，对应的赤纬分别为ξ_Mmax′、ξ_Mmid′、ξ_Mmin′，对其两两做差，记录差值的正负性；对应的定标星按照星象平均灰度从高到低排序，对应的俯仰角分别为ξ_Mmax、ξ_Mmid、ξ_Mmin，对其两两做差，记录差值的正负性，两组记录正负性的数组完全一致时，认为匹配成功，匹配成功后，通过查询定标星对应标准星在星库中的数据，得出定标星的赤经、赤纬；

S5、对于已知站点天文经纬度的测站，直接根据第i颗定标星的赤经、赤纬和地方时t求出定标星相对测站的理论方位角，再根据理论方位角和实测方位角之间的偏差ΔA_i对方位编码器进行置数，实现定向；对于站点精确天文经纬度未知的测站，先根据站址的地理经纬度粗略估算出一个零位，再根据望远镜的误差模型进行修正，得出望远镜的精确零位，具体为：

根据测站粗略地理经纬度站址和第i颗定标星的赤经、赤纬(α_i，δ_i)和地方时t粗略估算出测站中心点相对正北的偏差，为了提高精度，对多颗定标星的偏差值求平均值：

ΔA_i＝A_i-A_i＇

式中：A_i＇、A_i为第i颗定标星相对测站的理论方位角和实测方位角；

计算得出定标星的理想坐标(X_i，Y_i)：

式中：(α_i，δ_i)为第i颗定标星的赤经、赤纬，(α₀，δ₀)为视轴中心指向的赤经、赤纬，(A₀、E₀)为视轴中心对应的方位俯仰值，(A_i、E_i)为第i颗定标星对应的方位俯仰值；

将定标星的理想坐标(X_i，Y_i)代入六常数模型求出望远镜的测量模型，通过最小二乘法，求出望远镜中心偏差等误差：

式中：(x_i，y_i)为匹配成功的定标星的像面坐标，

修正望远镜中心指向，实现精确定向A_0z：

A_0z＝A₀+ΔA_i+a

其中，A₀为视轴中心对应的方位，a为六常数模型系数a。