云南天文台的精密定轨系统

概述了精密定轨轮廓及其重要性,重点介绍了云南天文台的精密定轨系统,包括处理流程、所采用的动力学模型及其参考系的选取,并介绍了残差分析方法,用以剔除"野值"以及分析测站数据质量。运用该精密定轨系统,分析处理了LAGEOS从2004年1月1日到2004年10月26日的全球SLR数据以及AJISAI从2008年5月3日到2009年2月26日全球SLR数据,每3天一个弧段,LAGEOS的测站总RMS不超过3cm,主要集中在1.5cm附近,AJISAI的测站总RMS不超过6cm,主要集中在3.5cm附近,与同期空间研究中心CSR的RMS相当,表明云南天文台用于精密定轨的系统运算结果是可信的。

利用双行根数计算太阳相位角的精度评估

光度特性测量是获取空间目标的物理特性的重要技术手段之一,无论是光变曲线的事后分析还是建立光度变化的仿真模型,都离不开一个重要的参数——太阳相位角(太阳-空间目标-测站的空间夹角)。目前空间目标的位置通常是通过双行根数(TLE)外推获得,存在一定误差,且随外推时间的延长而变大,因而有必要对其计算所得的太阳相位角的精度进行评估。以典型的不同高度的激光测距卫星LAGEOS1、AJISAI、STELLA为研究对象,以全球激光测距资料解算所得的高精度轨道作为参考轨道,对2012年全年利用双行根数计算所得的太阳相位角数据进行了比对分析,结果表明对于LAGEOS1、AJISAI这样的中高轨卫星,由于轨道较高,表征阻力的B*恒定,计算所得的太阳相位角偏差较小,角分量级,且随外推时间的延长不会导致偏差明显增大;而对于STELLA这样的低轨卫星,因轨道较低、受变化的大气的影响显著,计算所得的太阳相位角偏差较大,尤其是当B*比较大、变化较快时,偏差显著变大,且随外推时间的延长显著增大,在最差情况下:外推1 d约为13',外推3 d约为50',外推7 d约为251',已超出目前的精度要求。因此,在事后分析中应尽可能使用1 d之内的TLE计算太阳相位角,对于B*较大且变化较快情况尤其需要注意。另外,针对UTC闰秒的情况,提出了一种处理方法,即在双行根数外推时判断外推时段是否跨越了闰秒时刻,若跨越了则进行修正:增加或减少1 s,相应地需要修改结果对应的时间戳计算方法。

空间碎片激光测距应用研究

空间碎片的存在使空间环境日益恶化,已影响到空间活动的安全。国际上很多国家开展了空间碎片探测技术的研究,空间碎片激光测距技术成为一种新的探测手段。首先,概述了国内外空间碎片激光测距技术的发展趋势和现状。其次,在成功获得空间碎片激光测距回波的基础上,研究了激光测距数据联合测角数据单站定轨的方法,仿真计算结果表明,该方法的定轨精度优于单纯光学测角数据定轨的精度。最后,提出一种利用空间碎片激光测距误差来初步测定空间碎片尺度的方法,并分别通过地面靶激光测距实验和空间碎片激光测距实验验证了该方法的可行性,为空间碎片尺度测定提供了一种参考依据。

阵列探测技术在激光测距中的应用

高精度的空间碎片观测数据对航天器碰撞预警具有重要意义,激光测距技术是目前空间目标距离测量中精度最高的一种技术,但大多数空间碎片上并未携带角反射器装置,激光测距回波信号较弱。阵列探测技术可以提高回波信号较弱的空间碎片激光测距探测成功概率,中国科学院云南天文台2015年开始开展基于阵列探测技术的激光测距试验,2017年成功将阵列超导纳米线单光子探测器和多通道事件计时器等阵列探测技术应用于激光测距试验系统中,分别在2017年3月和2018年3月的激光测距试验中,成功采集2×2和4×4阵列激光测距数据。其中探测到最小目标为轨道高度约1 000 km、大小为雷达截面(Radar Cross Section,RCS) 0.045 m^2的空间碎片;探测到最远目标为斜距约5 000 km、大小为RCS 18.25 m^2的空间碎片。

基于超导探测器的白天卫星激光测距试验与研究

超导纳米线单光子探测器是一种新型的单光子探测器,灵敏度高、暗计数低且可工作于恒流模式,对1064 nm波长激光具有较高的探测效率。将该探测器应用于夜间卫星和空间碎片激光测距试验,获得了较好的观测结果。为了使超导探测器的优点在空间目标激光测距中得到充分的应用,通过卫星白天激光测距观测试验以及对白天天空背景光实际响应输出测量等方法,研究分析了超导探测器应用于白天激光测距的可行性。在日落前测到了约20000 km距离的导航卫星glonass134以及低轨卫星hy2a;实际白天天空背景光测量时,单光子超导探测器最高计数输出可达到约2 MHz。结果表明,使用超导单光子探测器作为回波探测器可实现高性能和高效率的白天激光测距系统。

FY-2自旋稳定气象卫星动态月球观测与图像配准

为满足基于月球辐射校正的内黑体绝对辐射定标对月球观测数据的需求,设计了FY-2卫星的动态月球观测模式,在新的工作模式下观测到了高质量的月球图像。为获取高质量的月球图像,根据FY-2卫星自旋稳定平台的特点,以及灵活的观域调整和区域扫描功能,重新设计了卫星工作时序,并更改了卫星地面控制系统软件,在卫星常规20°×20°视场外,拓展出了10°×20°的月球观测区域,实现了月球的动态追踪观测,实践证明,观测模型精度优于30 s;根据月球图像特点,设计了伪目标剔除算法,通过对目标位置、形态特性等条件自动判断实现了从卫星云图中自动、准确提取出月球图像的功能;根据月球在卫星视场里的动目标特性,以FY-2卫星自旋扫描成像的工作原理和具体的性能参数,计算得到了动目标的相对角速度,据此发展了动目标配准算法、消除了月球运动造成的变形和位移,实现了月球图像配准。工作获得了常规观测3倍数量的月球图像,有力地保障了FY-2卫星辐射定标性能,促进了遥感数据定量化应用。

一发两收卫星激光测距系统中目标距离测量试验

一发两收激光测距技术可提高卫星激光测距系统的探测能力,因此,一发两收测距模式在空间碎片激光测距中得到了很好的应用。实测获得的合距离可用于解算目标位置等参数,然而解算过程中存在精密定轨法方程复杂的困难,而将合距离归算到目标到各站点的距离能够简化法方程。结合中国科学院云南天文台1.2 m望远镜10 Hz共光路激光测距接收系统和53 cm双筒望远镜千赫兹常规卫星激光测距系统,建立了一个一发两收高精度激光测距试验平台,并对过境的多圈卫星开展了激光测距试验,直接测量获得了目标的合距离以及目标至各站点的距离。试验结果表明:卫星到1.2m望远镜的距离与到53 cm双筒望远镜的距离之差符合预期,距离测量精度达到厘米量级,获得的卫星测量数据可用于异地收发空间碎片激光测距系统的距离归算方法研究。

非合作目标分光路激光测距中距离值的确定方法

卫星激光测距是目前空间大地测量的主要手段之一,在地球动力学和大地测量学等领域有广泛的应用。云南天文台即将开展非合作目标分光路激光测距试验,即激光接收和发射光路系统分别由相邻较近的两台望远镜完成。针对分光路非合作目标激光测距系统,提出了一种非合作目标分光路激光测距中测距值的确定方法,并给出了相应的计算公式,为分光路激光测距数据处理提供参考。

自适应光学应用于月球激光测距中视场旋转对大气波前倾斜量提取的影响

自适应光学技术应用于月球激光测距试验中需要实时针对月面扩展源进行大气波前倾斜量的提取,望远镜在跟踪月亮的过程中存在月面本身相对望远镜的物方视场的旋转以及望远镜自身的运动所引起的像方视场的旋转,本文讨论了望远镜物方视场及像方视场旋转的规律以及其对大气波前倾斜量提取的影响。

云南天文台1.2米望远镜的圆顶自动化控制系统

圆顶的自动化控制对提高观测数据质量和减轻观测人员工作量具有重要意义。针对云南天文台1.2 m望远镜的圆顶特殊结构——两个半球向两侧平移打开、胶轮摩擦驱动旋转,采用嵌入式控制板现场控制、有线以太网远程通讯的架构,研制了圆顶自动化控制系统,嵌入式控制板采用运行Linux系统的FL2440,圆顶位置检测采用8个霍尔探头、3个磁钢相结合的方式,达到了15°的位置分辨率,列出较详细的控制指令集。经过两个月的试运行,结果表明:系统安全、稳定、可靠,满足日常观测的需求。

云南天文台1.2米望远镜测光性能研究

利用云南天文台1.2 m望远镜多色测光系统,选取一批Landolt标准星,利用较差测量的方法对该系统进行了大气消光系数和仪器转换系数的测定,分析了这套新的测光系统的性能。计算结果表明本系统与Johnson标准测光系统非常接近。同时也对该系统的测光精度进行了测定,在标准测光夜下测量亮于13.5等的星时,其V波段测光精度可达到0.041星等。

天文成像数值仿真的相位屏模拟方法

通过利用Monte-Carlo方法对湍流相位屏模拟进行验证和分析。给出加入次谐低频补偿相位屏与直接谱反演相位屏的对比结果,并分析了在考虑内外尺度时次谐低频补偿方法的有效性。此外,给出了基于天文观测的多相位屏的湍流分层模型。在此基础上对天文成像进行数值仿真,并给出了仿真结果。

共光路百赫兹激光测月系统主回波重叠的研究

高重频激光测月技术是月球激光测距的一个重要发展趋势,对获得更多的激光测月数据具有重要意义。在之前的10 Hz测月频率基础上,中国科学院云南天文台开发了共光路百赫兹激光测月系统。然而在共光路系统中,存在发射激光光子的主波时刻与接收激光光子的回波时刻相重叠的现象,影响了对回波光子的探测。文中从信号时序角度对主回波重叠现象进行了分析,研究了光子飞行时间与重叠现象间的关联性。利用某天的月面反射器的轨道预报对系统的重叠发生比率进行了模拟,得出了当天观测时段内整体的重叠发生率约为8%。同时开展了基于每个发射时刻的分段模拟,结果与前者吻合。对微调转镜转速以避开主回波重叠的方法进行了分析,开展了对应的转镜转速调整试验,结果表明当重叠发生时,对转速进行适量调整可以避开主回波重叠。

鹊桥卫星激光测距时间窗口及测距成功概率分析

首先通过对鹊桥卫星任务轨道进行分析,用数值方法模拟出一条近似鹊桥卫星探测任务的轨道,然后计算了2019年下半年云南天文台鹊桥卫星激光测距观测时间窗口,给出了鹊桥卫星到云南天文台的激光测距距离范围和鹊桥卫星运行轨道与月球的最小距离。基于模拟的晕轨道计算了鹊桥卫星激光测距单脉冲理论回波光子数和测距成功概率。根据月球激光测距积累的经验,结合影响测距的因素给出了提高激光测距回波光子数和测距成功率的改善方法。最后设计了等效试验方案,通过实测结果来验证理论计算,为实现鹊桥卫星激光测距提供依据。

非合作目标激光测距预报的实时修正方法研究

非合作目标的激光测距预报一般是基于双行根数(TLE)外推出来的,往往有较大偏差,对激光测距的成功率有较大影响。结合空间目标的轨道理论和实测的数据分析,预报的偏差主要是预测模型外推的空间目标在运行轨道上的平近点角与实际平近点角存在偏差。根据非合作目标在望远镜跟踪视场中的脱靶量,利用相关算法可以找到一个最佳的时间根数偏差量修正空间目标的平近点角。经过修正,空间目标的视位置偏差得到改善,距离偏差能够从几百米减小到几十米,提升了预期回波到达时刻的准确度,可以给单光子探测器提供更高精度的距离门控,提高测距成功率。

基于月面图像的大气波前倾斜量提取算法的性能分析

为了提高月球激光测距试验中的回波光子数,考虑将自适应光学技术应用于云南天文台1.2 m光学望远镜,以实时校正望远镜跟踪误差和由于大气湍流的影响而造成的到达月球表面的激光束的扩展与漂移效应。针对月面为低对比度扩展源的特点,利用互相关函数法及绝对差分算法对采集的月面图像进行了大气波前倾斜量的提取。模拟了未去除和去除大气波前倾斜量的月面长曝光图像,发现去除大气波前倾斜量后的图像对比度较未去除有了相应提高。研究表明:月球激光测距试验中,绝对差分算法更适合用来提取大气波前倾斜量。

GEO暗弱空间碎片目标搜索策略分析

在地球同步轨道特征的基础上,介绍了地球同步轨道空间碎片的运动特征。针对地球同步轨道暗弱空间碎片进行观测的搜索方案,考虑目标的预报误差以及视场的大小,用数学方法分别计算了同心圆搜索与爬楼梯搜索的成功概率,并由计算结果分析了两者的特征,认为在一般情况下,同心圆搜索方案具有更高的搜索效率。

空间碎片激光测距研究进展

激光测距技术作为空间目标距离测量精度最高的手段,在空间碎片测量与监测领域发挥了重要作用。本文介绍了国内外空间碎片激光测距技术的发展历程与目前的技术水平,总结了空间碎片激光测距技术在空间目标轨道确定、空间环境研究以及空间目标特征分析领域的应用研究,提出了空间碎片激光测距技术在多站联合测量、红外波段测量技术以及白天激光测距几个方向的发展趋势。

利用光变曲线估计猎鹰九号火箭末级的旋转状态研究

光度观测是地基观测空间目标的主要手段之一,利用光度信息能够估计空间目标的相关特征信息。为了更好地了解空间目标的旋转状态,选取具有代表性的猎鹰九号火箭末级作为研究对象,由其光变信息研究旋转状态。首先利用云南天文台1.2 m光学望远镜获取猎鹰九号火箭末级的光度数据,再对目标星等进行斜距归一化,得到目标光变信息并分析目标星等随时间变化的曲线,估计大致的旋转周期,再由相位离散最小化方法计算会合周期。根据太阳、目标和测站之间的位置关系、惯性主轴指向、旋转轴指向、初始相位等因素,采用姿态旋转矩阵计算理论星等,利用最小二乘原则确定惯性主轴方向及初相角度、旋转轴指向。最后给出了猎鹰九号火箭末级的旋转周期、会合周期以及旋转轴指向等参数,为后续开展其他空间目标光度信息研究提供参考。

基于边缘检测的空间目标激光测距数据预处理方法

边缘检测是图像处理和计算机视觉中的基本问题,目的是标识数字图像中亮度变化明显的点。激光测距是测距领域精度最高的重要技术手段之一,测距数据能够应用于科学研究之前,需要对原始数据进行一系列的预处理。根据目标信号和噪声信号在图像上的分布特点,提出了一种基于边缘检测提取目标信号的方法,将原始数据转化成测距残差图像,对其进行边缘检测后识别信号位置。实测数据处理结果表明,本文提出的算法具有一定的可行性和通用性。