專利名稱：近地和中高軌空間目標(biāo)實(shí)時(shí)全自動(dòng)捕獲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種利用裝備有CCD相機(jī)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在觀測時(shí)能實(shí)時(shí)全自動(dòng)捕獲已知軌道近地和中高軌空間目標(biāo)的方法，它利用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡獲取的CCD圖像，無需人工干預(yù)即可識別近地和中高軌空間目標(biāo)，并自動(dòng)捕獲，對其進(jìn)行精密跟蹤。
背景技術(shù)：
自第一臺伽利略光學(xué)望遠(yuǎn)鏡問世以來，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一直是人類探索空間的最重要工具，400年來它推動(dòng)了天文學(xué)的發(fā)展。近半個(gè)世紀(jì)，隨著人造衛(wèi)星上天，它又被廣泛地用于空間目標(biāo)觀測，成為了獲得空間目標(biāo)信息的主要途徑。望遠(yuǎn)鏡發(fā)展日新月異，為適應(yīng)不同的任務(wù)各種光學(xué)觀測系統(tǒng)層出不窮，口徑越來越大，特別是上世紀(jì)80年代開始，隨著CCD相機(jī)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，對空間目標(biāo)探測產(chǎn)生了更為深遠(yuǎn)的影響。對空間目標(biāo)的觀測也經(jīng)歷了相同的發(fā)展過程，從最初通過觀測員目視、手繪記錄，到采用人衛(wèi)照相機(jī)實(shí)現(xiàn)照相觀測，發(fā)展至今普遍裝備了以CXD成像為主的觀測方式，望遠(yuǎn)鏡的機(jī)械轉(zhuǎn)臺性能也越來越好。 近年觀測設(shè)備的進(jìn)步幾乎是革命性的，“十五”、“十一五”期間，我國在空間目標(biāo)監(jiān)視設(shè)備上加大投入，建成了我國空間目標(biāo)監(jiān)視網(wǎng)。相對于設(shè)備發(fā)展的重視程度，在提高觀測效率方面卻未得到足夠的重視。觀測方式的改變卻并不大，只是通過觀測員對目鏡的目視轉(zhuǎn)變?yōu)閷︼@示器的目視，手工記錄方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)記錄方式。觀測的主要工作還是由觀測員來完成，需要觀測員通過對顯示器的持續(xù)監(jiān)視，人工識別運(yùn)動(dòng)的空間目標(biāo)后，通過計(jì)算機(jī)引導(dǎo)望遠(yuǎn)鏡實(shí)施跟蹤。這種依然通過人眼識別，不能發(fā)揮CCD相機(jī)探測暗弱空間目標(biāo)的優(yōu)勢。同時(shí)由于依賴于觀測員的手動(dòng)操作，使得觀測設(shè)備的機(jī)械能力不能得到充分發(fā)揮，觀測效率受到觀測員個(gè)人熟練程度、疲勞程度等的影響。為了能夠降低觀測員的勞動(dòng)強(qiáng)度，目前設(shè)備均實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化，觀測員只需識別目標(biāo)，捕獲后跟蹤系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)引導(dǎo)完成跟蹤，盡管如此目前最優(yōu)秀的觀測員一個(gè)觀測晴夜的有效觀測時(shí)間最高僅占觀測時(shí)間的60%左右。因此如何實(shí)現(xiàn)對于空間目標(biāo)的自動(dòng)識別與捕獲，使得觀測可以基本脫離觀測員的操作成為光電跟蹤領(lǐng)域的熱點(diǎn)發(fā)展方向。為配合如今光機(jī)電一體性能先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，提高空間目標(biāo)跟蹤效率，迫切需要研制一種無需人工干預(yù)，自動(dòng)識別空間目標(biāo)，自動(dòng)切入跟蹤模式的全自動(dòng)跟蹤方法。同時(shí)對于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡來說，組網(wǎng)觀測，數(shù)據(jù)共享，優(yōu)化觀測任務(wù)，可以大幅度提高設(shè)備對目標(biāo)的管理能力，通過網(wǎng)絡(luò)將多臺設(shè)備連接成為大型系統(tǒng)，同時(shí)各臺設(shè)備相互獨(dú)立具有靈活性。這就要求望遠(yuǎn)鏡具備快速反應(yīng)能力，其關(guān)鍵就是設(shè)備必須具備全自動(dòng)觀測能力，減少人工干預(yù)，快速及時(shí)對聯(lián)網(wǎng)設(shè)備作出響應(yīng)。另一方面滿足光學(xué)觀測條件的臺站大多處于相對偏僻，生活工作保障條件較差的地方，這和需要廣布觀測站點(diǎn)來獲取觀測資料的天文觀測需求來說是個(gè)極其嚴(yán)重的矛盾，對需要長期駐扎的觀測人員而言是個(gè)無奈的選擇，也限制了選址的范圍。研制全自動(dòng)觀測模式光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，實(shí)現(xiàn)無人值守功能勢在必行， 可以盡可能減少駐站人員，減輕后勤負(fù)擔(dān)，降低運(yùn)行成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種近地和中高軌空間目標(biāo)的實(shí)時(shí)全自動(dòng)捕獲方法。該方法的主要過程在對空間目標(biāo)進(jìn)行光學(xué)觀測時(shí)，正常情況下獲得的CCD圖像上所有星像(恒星和空間目標(biāo))長寬比皆接近1 (星像成圓點(diǎn)形)，但使用本發(fā)明時(shí)，在空間目標(biāo)到達(dá)預(yù)定位置前采用合理措施適當(dāng)加大恒星在CXD圖像上的星像的長寬比(即成長條形星像)，并使空間目標(biāo)在 CXD圖像上的星像的長寬比接近1 (即保持圓點(diǎn)形星像)，利用目標(biāo)星像和恒星星像的形狀區(qū)別，對CCD相機(jī)采集到的圖像，進(jìn)行實(shí)時(shí)全視場星像掃描，然后在星像中區(qū)分恒星和空間目標(biāo)得到疑似空間目標(biāo)，再利用已知軌道的先驗(yàn)信息在疑似目標(biāo)中篩選出正確空間目標(biāo)， 計(jì)算出空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量(速度、位置)，實(shí)時(shí)識別空間目標(biāo)，通過望遠(yuǎn)鏡的機(jī)電配合， 實(shí)現(xiàn)對空間目標(biāo)的全自動(dòng)捕獲并實(shí)時(shí)精密跟蹤。完成上述發(fā)明任務(wù)的技術(shù)方案是一種近地和中高軌空間目標(biāo)實(shí)時(shí)全自動(dòng)捕獲方法，包
括以下幾個(gè)工作步驟
(1).根據(jù)已知軌道空間目標(biāo)得到預(yù)報(bào)的運(yùn)動(dòng)信息，使望遠(yuǎn)鏡到達(dá)預(yù)定位置等待；
(2).在空間目標(biāo)到來之前，望遠(yuǎn)鏡提前沿著空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度方向運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)獲取CXD圖像，并突出恒星和空間目標(biāo)星像在CXD圖像上的區(qū)分度；
(3).對獲取的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)全視場掃描得到疑似空間目標(biāo)；
(4).用已知軌道的先驗(yàn)信息來甄別得到正確空間目標(biāo)；
(5).自動(dòng)捕獲空間目標(biāo)并精密跟蹤。更優(yōu)化和更具體描述以上各步驟如下
(1).根據(jù)已知軌道空間目標(biāo)得到預(yù)報(bào)的運(yùn)動(dòng)信息，使望遠(yuǎn)鏡到達(dá)預(yù)定位置等待；
(2).在空間目標(biāo)到來之前，望遠(yuǎn)鏡提前沿著空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度方向運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)獲取CXD圖像，并突出恒星和空間目標(biāo)星像在CXD圖像上的區(qū)分度；
在空間目標(biāo)到來之前，望遠(yuǎn)鏡提前沿著空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度方向運(yùn)動(dòng)。提前量計(jì)算空間目標(biāo)到達(dá)CXD視場邊緣，還沒有出現(xiàn)在CXD視場中時(shí)。望遠(yuǎn)鏡提前運(yùn)動(dòng)是由于空間目標(biāo)的預(yù)報(bào)運(yùn)動(dòng)信息可能誤差過大，空間目標(biāo)沒有按照預(yù)定時(shí)間到達(dá)，而是提前到達(dá)，因此提前量可盡量減少因預(yù)報(bào)誤差而錯(cuò)過空間目標(biāo)，對于運(yùn)動(dòng)速度絕對值小于某個(gè)閾值速度的空間目標(biāo)，提前量為0，該閾值速度經(jīng)驗(yàn)值為50角秒/秒，可根據(jù)恒星和空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向的銳角夾角略做調(diào)整，對夾角小于等于30度的空間目標(biāo)可將速度略調(diào)大10角秒/秒。望遠(yuǎn)鏡速度略小于空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，望遠(yuǎn)鏡速度根據(jù)空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度大小來決定，準(zhǔn)則是空間目標(biāo)從后方追趕望遠(yuǎn)鏡，出現(xiàn)在CCD視場中的時(shí)間盡量早；由于兩者間有相對速度存在，因此空間目標(biāo)會(huì)慢慢穿過整個(gè)CCD視場，最少要獲取三幀含有空間目標(biāo)星像的CCD圖像。對于提前量為0的空間目標(biāo)，望遠(yuǎn)鏡速度和空間目標(biāo)速度相同；根據(jù)望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置CCD相機(jī)的曝光時(shí)間，目的是拉長恒星星像，根據(jù)實(shí)際成像效果來確定長寬比，恒星星像長寬比的經(jīng)驗(yàn)值約為3 ；同時(shí)使空間目標(biāo)星像的長寬比約為1。因此CXD圖像上恒星星像一般成長條形，空間目標(biāo)星像一般成圓點(diǎn)形。恒星星像和空間目標(biāo)星像在形狀上有明顯的區(qū)分度。(3).對獲取的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)全視場掃描得到疑似空間目標(biāo)
獲取圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)全視場掃描，掃描出CCD圖像上所有的星像，每個(gè)星像獲得四個(gè)參數(shù)星像質(zhì)心在C⑶圖像上的兩個(gè)方向上的坐標(biāo)，星像的長寬比，星像所占的像素?cái)?shù)量。根據(jù)恒星星像和空間目標(biāo)星像長寬比的區(qū)別設(shè)置一個(gè)長寬比門限，長寬比門限經(jīng)驗(yàn)值為1.5， 根據(jù)星像的像素?cái)?shù)量設(shè)置一個(gè)門限(即星像所占的最小像素?cái)?shù)量，以剔除虛警)；星像所占的最小像素?cái)?shù)量門限經(jīng)驗(yàn)值為4?？筛鶕?jù)點(diǎn)光源在CCD靶面上成像所占像素?cái)?shù)量來確定。 由這兩個(gè)門限篩選出疑似空間目標(biāo)并保存。(4).用已知軌道的先驗(yàn)信息來甄別得到正確空間目標(biāo)
當(dāng)獲得三幀CCD圖像的疑似空間目標(biāo)后，利用空間目標(biāo)的已知軌道的先驗(yàn)信息對疑似空間目標(biāo)進(jìn)行甄別，如果能得到正確的空間目標(biāo)信息則轉(zhuǎn)入第ω步驟，若無法得到正確的空間目標(biāo)信息則將三組數(shù)據(jù)根據(jù)先驗(yàn)信息進(jìn)行兩輛甄別，將不符合先驗(yàn)信息的數(shù)據(jù)刪除，轉(zhuǎn)入第⑶步驟。(5).自動(dòng)捕獲空間目標(biāo)并精密跟蹤；
根據(jù)第四步獲得的空間目標(biāo)信息實(shí)時(shí)捕獲空間目標(biāo)，對其進(jìn)行精密跟蹤測量。本發(fā)明的近地和中高軌空間目標(biāo)實(shí)時(shí)全自動(dòng)捕獲方法，能夠使光學(xué)觀測望遠(yuǎn)鏡在無人工干預(yù)的情況下對近地和中高軌空間目標(biāo)實(shí)時(shí)自動(dòng)捕獲并實(shí)時(shí)跟蹤測量。該方法的實(shí)際處理效果好，能夠廣泛地應(yīng)用到近地和中高軌空間目標(biāo)監(jiān)測中。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的工作流程示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1，近地和中高軌空間目標(biāo)實(shí)時(shí)全自動(dòng)捕獲方法，參照圖1 按照以下步驟進(jìn)行
(1).根據(jù)已知軌道空間目標(biāo)得到預(yù)報(bào)的運(yùn)動(dòng)信息，使望遠(yuǎn)鏡到達(dá)預(yù)定位置等待；
(2).在空間目標(biāo)到來之前，望遠(yuǎn)鏡提前沿著空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度方向運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)獲取CXD圖像。提前量計(jì)算空間目標(biāo)到達(dá)CXD視場邊緣，還沒有出現(xiàn)在CXD視場中時(shí)，由于空間目標(biāo)的預(yù)報(bào)運(yùn)動(dòng)信息可能誤差過大，空間目標(biāo)沒有按照預(yù)定時(shí)間到達(dá)，而是提前到達(dá)，因此提前量可盡量減少因預(yù)報(bào)誤差而錯(cuò)過空間目標(biāo)。對于運(yùn)動(dòng)速度絕對值小于某個(gè)閾值速度的空間目標(biāo)，提前量為0，該閾值速度經(jīng)驗(yàn)值為50角秒/秒，該閾值可根據(jù)恒星和空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向的銳角夾角略做調(diào)整，對夾角小于等于30度的空間目標(biāo)可將速度略調(diào)大10角秒/秒。望遠(yuǎn)鏡速度略小于空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，望遠(yuǎn)鏡速度根據(jù)空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度大小來決定，準(zhǔn)則是空間目標(biāo)從后方追趕望遠(yuǎn)鏡，出現(xiàn)在CCD視場中的時(shí)間盡量早；由于兩者間有相對速度存在，因此空間目標(biāo)會(huì)慢慢穿過整個(gè)CXD視場，最少要獲取三幀含有空間目標(biāo)星像的CCD圖像。對于提前量為0的空間目標(biāo)，望遠(yuǎn)鏡速度和空間目標(biāo)速度相同；根據(jù)望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置CCD相機(jī)的曝光時(shí)間，目的是拉長恒星星像，根據(jù)實(shí)際成像效果來確定長寬比，長寬比的經(jīng)驗(yàn)值約為3 ；同時(shí)使空間目標(biāo)星像的長寬比約為1。因此 C⑶圖像上恒星星像一般成長條形，空間目標(biāo)星像一般成圓點(diǎn)形。恒星星像和空間目標(biāo)星像在形狀上有明顯的區(qū)分度。(3).對獲取的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)全視場掃描得到疑似空間目標(biāo)
獲取圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)全視場掃描，掃描出CCD圖像上所有的星像，每個(gè)星像獲得四個(gè)參數(shù)星像質(zhì)心在C⑶圖像上的兩個(gè)方向上的坐標(biāo)，星像的長寬比，星像所占的像素?cái)?shù)量。根據(jù)恒星星像和空間目標(biāo)星像長寬比的區(qū)別設(shè)置一個(gè)長寬比門限，長寬比門限經(jīng)驗(yàn)值為1.5 ； 根據(jù)星像的像素?cái)?shù)量設(shè)置一個(gè)門限(即星像所占的最小像素?cái)?shù)量，以剔除虛警)，星像所占的最小像素?cái)?shù)量門限經(jīng)驗(yàn)值為4。可根據(jù)點(diǎn)光源在CCD靶面上成像所占像素?cái)?shù)量來確定。 由這兩個(gè)門限篩選出疑似空間目標(biāo)并保存。(4).用已知軌道的先驗(yàn)信息來甄別得到正確空間目標(biāo)
當(dāng)獲得三幀CCD圖像的疑似空間目標(biāo)后，利用空間目標(biāo)的已知軌道的先驗(yàn)信息對疑似空間目標(biāo)進(jìn)行甄別，如果能得到正確的空間目標(biāo)信息則轉(zhuǎn)入第ω步驟，若無法得到正確的空間目標(biāo)信息則將三組數(shù)據(jù)根據(jù)先驗(yàn)信息進(jìn)行兩輛甄別，將不符合先驗(yàn)信息的數(shù)據(jù)刪除，轉(zhuǎn)入第⑶步驟。(5).自動(dòng)捕獲空間目標(biāo)并精密跟蹤；
根據(jù)第四步獲得的空間目標(biāo)信息實(shí)時(shí)捕獲空間目標(biāo)，對其進(jìn)行精密跟蹤測量。
權(quán)利要求
1.一種近地和中高軌空間目標(biāo)實(shí)時(shí)全自動(dòng)捕獲方法，其特征在于，步驟如下(1).根據(jù)已知軌道空間目標(biāo)得到預(yù)報(bào)的運(yùn)動(dòng)信息，使望遠(yuǎn)鏡到達(dá)預(yù)定位置等待；(2).在空間目標(biāo)到來之前，望遠(yuǎn)鏡提前沿著空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度方向運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)獲取CXD圖像，以突出恒星和空間目標(biāo)星像在CXD圖像上的區(qū)分度；(3).對獲取的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)全視場掃描得到疑似空間目標(biāo)；(4).用已知軌道的先驗(yàn)信息來甄別得到正確空間目標(biāo)；(5).自動(dòng)捕獲空間目標(biāo)并精密跟蹤。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近地和中高軌空間目標(biāo)實(shí)時(shí)全自動(dòng)捕獲方法，其特征在于， 步驟⑵所述的“望遠(yuǎn)鏡提前沿著空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度方向運(yùn)動(dòng)”，提前量計(jì)算空間目標(biāo)到達(dá)CCD視場邊緣，還沒有出現(xiàn)在CCD視場中時(shí)；對于運(yùn)動(dòng)速度絕對值小于某個(gè)閾值速度的空間目標(biāo)，提前量為0，該閾值速度經(jīng)驗(yàn)值為50角秒/秒，該閾值可根據(jù)恒星和空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向的銳角夾角略做調(diào)整，對夾角小于等于30度的空間目標(biāo)可將速度略調(diào)大10角秒/ 秒；望遠(yuǎn)鏡速度略小于空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，望遠(yuǎn)鏡速度根據(jù)空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度大小來決定，準(zhǔn)則是空間目標(biāo)出現(xiàn)在CCD視場中的時(shí)間盡量早，且能夠使望遠(yuǎn)鏡在空間目標(biāo)通過視場的時(shí)間中，最少獲取三幀含有空間目標(biāo)星像的CCD圖像；對于提前量為0的空間目標(biāo)，望遠(yuǎn)鏡速度和空間目標(biāo)速度相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近地和中高軌空間目標(biāo)實(shí)時(shí)全自動(dòng)捕獲方法，其特征在于， 步驟⑵所述的“在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)獲取CCD圖像”，在獲取圖像時(shí)要根據(jù)望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置 CCD相機(jī)的曝光時(shí)間，以拉長恒星星像，使恒星星像長寬比約為3 ；同時(shí)使空間目標(biāo)星像的長寬比約為1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近地和中高軌空間目標(biāo)實(shí)時(shí)全自動(dòng)捕獲方法，其特征在于， 步驟⑶所述的“獲取圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)全視場掃描”時(shí)，根據(jù)星像的像素?cái)?shù)量設(shè)置星像所占的最小像素?cái)?shù)量，以剔除虛警。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近地和中高軌空間目標(biāo)實(shí)時(shí)全自動(dòng)捕獲方法，其特征在于， 步驟⑶所述的“得到疑似空間目標(biāo)”，是根據(jù)恒星星像和空間目標(biāo)星像長寬比門限，及星像的像素?cái)?shù)量的門限，篩選出疑似空間目標(biāo)并保存。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的近地和中高軌空間目標(biāo)實(shí)時(shí)全自動(dòng)捕獲方法，其特征在于，步驟⑷所述的“用已知軌道的先驗(yàn)信息來甄別得到正確空間目標(biāo)”，其操作方法是如果能得到正確的空間目標(biāo)信息則轉(zhuǎn)入第ω步驟，若無法得到正確的空間目標(biāo)信息則將三組數(shù)據(jù)根據(jù)先驗(yàn)信息進(jìn)行兩輛甄別，將不符合先驗(yàn)信息的數(shù)據(jù)刪除，轉(zhuǎn)入第⑶步驟。
全文摘要
近地和中高軌空間目標(biāo)實(shí)時(shí)全自動(dòng)捕獲方法⑴根據(jù)已知軌道空間目標(biāo)得到預(yù)報(bào)的運(yùn)動(dòng)信息，使望遠(yuǎn)鏡到達(dá)預(yù)定位置等待；⑵在空間目標(biāo)到來之前，望遠(yuǎn)鏡提前沿著空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度方向運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)獲取CCD圖像，以突出恒星和空間目標(biāo)星像在CCD圖像上的區(qū)分度；⑶對獲取的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)全視場掃描得到疑似空間目標(biāo)；⑷用已知軌道的先驗(yàn)信息來甄別得到正確空間目標(biāo)；⑸自動(dòng)捕獲空間目標(biāo)并精密跟蹤。本發(fā)明的近地和中高軌空間目標(biāo)實(shí)時(shí)全自動(dòng)捕獲方法，能夠使光學(xué)觀測望遠(yuǎn)鏡在無人工干預(yù)的情況下對近地和中高軌空間目標(biāo)自動(dòng)捕獲并實(shí)時(shí)跟蹤測量。該方法的實(shí)際處理效果好，能夠廣泛地應(yīng)用到近地和中高軌空間目標(biāo)監(jiān)測中。
文檔編號G01C11/34GK102538759SQ20111044936
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者吳連大, 王歆, 許占偉 申請人:中國科學(xué)院紫金山天文臺