星敏感器恒星成像模型迭代估计方法

针对现有描述星点能量分布的高斯模型的局限性,基于恒星辐射特性和星敏感器的成像特性,提出了改进的偏正态分布恒星成像模型,并确定其关键参数向量.根据星敏感器对恒星成像为平稳随机过程的特点,设计了Kalman滤波器迭代估计星点像斑特征,提取四个星点像斑特征量,建立状态空间,得到特征量在最小二乘意义下的最优估计值,以此作为参考基准,利用查表法实现星点成像模型参数寻优求解.地面观星实验结果表明,基于Kalman滤波可以快速有效地对实测星点像斑特征量进行估计,相对于高斯模型,改进的偏高斯模型对星点像斑能量分布的仿真精度更高.

星光成像的大气影响研究(Ⅰ):天空偏振

工作于近地空间的星敏感器,其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之一,研究了如何利用偏振滤波技术降低天空背景辐射对恒星成像的影响。基于激光雷达实测数据,计算得到了典型地区整层大气粒子的分布特性及散射特性,结合大气矢量辐射传输模型,研究了天空背景在近红外波段的偏振特性,获得了不同大气条件及观测条件下的天空偏振特性,分析了观测与太阳位置对不同波长天空背景偏振分布的影响。研究表明:使用波长较长且位于吸收带的近红外光进行观测或提升星敏感器的观测高度,可采用偏振滤波技术一定程度上抑制天空背景光。当观测方位角一定时,选取合适的观测角度可以保证在较低太阳高度时能使用偏振滤波技术降低天空背景辐射对星光成像的影响。

星光成像的大气影响研究(Ⅲ):大气折射

工作于近地空间的星敏感器,其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之三,选取最佳星光大气折射模型,研究了星光成像的大气折射影响。利用美国标准大气的参数廓线数据,计算了平面平行大气、整层球面大气以及多层球面大气情况下的折射特性,从计算精度、迭代次数以及算法速度三个方面对比和分析了不同折射计算模型的优缺点,选取了精度和速度最佳的折射计算模型。基于该模型和我国典型地区不同时段实测的大气参数廓线数据,计算了不同观测条件及波长下大气折射引起的折射角、色散、横向位移和路径延长的分布情况,评估了不同大气参数由于输入参数的不确定性对折射计算的影响。研究表明:使用Cassini模型或等折射光线追迹法计算得到的折射角最为准确。提升星敏感器的观测高度或减小星敏感器的观测天顶角,相比于改变观测波长而言能极大程度上减轻星光成像的大气折射影响。除此之外,当输入参数存在噪声和不确定性时,提高温度的测量精度比抑制其他参数的噪声更能有效地减小折射计算的误差。

星光成像的大气影响研究(Ⅱ):大气湍流

工作于近地空间的星敏感器,其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之二,建立了湍流大气星光传输模型,研究了恒星成像的大气湍流影响。基于ERA5数据和光学湍流预报方法得到大气湍流参数廓线,计算了典型地区不同时刻及观测条件下星光的闪烁指数,对比星光闪烁的理论值,验证了数值计算的可靠性。研究了湍流大气中星光传输的闪烁效应及星像质心的抖动特性,得到了典型观测高度及观测天顶角情况下的恒星抖动量。研究表明:恒星抖动的到达角和到达角起伏与星光的闪烁指数呈正相关关系,提升星敏感器的观测高度、减小星敏感器的观测天顶角,能一定程度上减轻星光成像的大气湍流影响。

高动态条件下星点像斑建模与补偿

高动态条件下星点提取有两个难点:一是暗弱星点目标湮没在噪声中不易识别,质心定位精度较差;二是星点像斑可能断裂,无法用常用的连通域算法提取。针对上述难点,建立了高动态条件下星点像斑模型,提出了基于该模型的像斑补偿与质心定位提取算法。该方法分为四步:第一,利用卡尔曼滤波实现星点像斑静态模板的实时迭代;第二,基于静态模型与星点运动模糊模型建立星点像斑动态模型;第三,以动态模型作为模板在恒星跟踪窗口内进行相关性匹配以确定星点像斑位置;第四,基于动态模型补偿星点像斑,并计算质心位置。实验结果表明,该方法能有效解决高动态条件下暗弱星点提取与断裂残损星点修复问题。相比传统算法,姿态精度误差均值减少了40.9%,最大误差减少了81.2%;星点提取率达到100%,提高174.5%,提取星数相比阈值分割与连通域法提高了173%。

数字天顶摄影定位系统测量精度的探究

恒星定位定向技术具有主动测量、抗干扰性强的特点,被广泛应用于国民经济建设等领域。随着摄影测量技术、CCD成像技术、全球导航卫星系统定位技术和计算机技术的飞速发展,我国已逐步实现自动化天文测量设备的自主研发和制造。简要阐述数字天顶摄影定位系统的基本原理及数学模型,并将其测量成果与Y/JGT-01天文测量系统的测量成果进行对比分析,通过实测数据验证数字天顶摄影定位系统的稳定性及可靠性。结果表明,数字天顶摄影定位系统的实测结果与早期天文基本点成果差异性较小,内符合精度满足规范要求,外符合精度与现有稳定可靠的天文测量系统成果的一致性较好。

天基空间目标成像仿真系统设计与实现

设计了一个基于可见光成像并针对空间点目标的天基空间目标成像仿真系统。分析了天基空间目标探测成像的过程,据此将成像仿真过程分为轨道仿真、恒星背景成像仿真、目标成像仿真及电荷耦合器件(CCD)传感器系统仿真四个部分。在空间目标仿真部分将卫星主体简化为长方体、圆柱体及球体三种结构,借鉴雷达截面积提出了目标的光学截面积,利用目标光学截面积可以简单快速地得到目标在成像平面上的亮度大小。该系统实现了基于可见光成像的远距离天基空间点目标成像仿真,可以获取任意观测时段、任意轨道下不同主体结构的空间目标观测仿真图像。