基于单站CCD漂移扫描光电设备的同步轨道目标测定轨

地基光电观测在同步轨道目标监测领域具有重要作用.为评估单站光电设备对同步轨道目标的实际测定轨能力,利用上海天文台佘山站1.56 m望远镜,采用CCD漂移扫描光电技术,对3颗北斗同步卫星开展试验观测,基于卫星精密星历评估目标的测定轨外符精度.结果表明:同步轨道目标的天文定位在方位和俯仰方向上的外符精度均好于0.3″;在单圈次观测情况下,尽管轨道预报精度较低,约为数千米量级,但是观测弧段内定轨精度可优于百米;在多圈次观测情况下,轨道改进效果显著,定轨精度优于50 m,外推至4d的轨道预报精度为百米量级.此外,定量评估了每晚不同观测时间跨度下同步轨道目标的测定轨精度,为单站光电设备实际应用提供了参考.

CCD漂移扫描的基本原理及在天文上的应用

简要回顾了CCD在天文观测上的发展历程，介绍了CCD漂移扫描观测模式的基本原理；分析了该技术的优点和不足；综述CCD漂移扫描技术的应用现状；最后简述国内在CCD漂移扫描技术上的应用研究现状及对该技术的展望。

基于CCD漂移扫描技术监测地球同步轨道卫星试验

在地球同步轨道卫星监测领域,利用地基光电望远镜的观测是主要的手段。2014年,通过改造中国科学院国家授时中心一台口径35 cm的望远镜,使其具备针对地球同步轨道目标进行CCD漂移扫描观测的功能。介绍了观测资料处理中的目标星象检测提取和天文定位的方法。利用该望远镜开展了地球同步轨道目标的观测试验。试验结果表明,该设备的同步轨道目标观测精度约为0.5″,其中望远镜指向的不稳定性是影响观测精度的主要因素。轨道改进试验表明,相对于仅用单圈次观测结果,利用多圈次观测结果的轨道改进效果明显,其中轨控发生会影响目标的预报精度,在无轨控发生时,24 h和48 h点位预报精度在方位和俯仰上均好于3″。

漂移扫描CCD星图的星点目标快速提取

在实时同步卫星定轨系统中,为了提高漂移扫描CCD星图目标提取的实时性,提出最简特征融合算法。通过星图背景分割减少噪声影响,提取局部灰度最大值与局部区域对比度作为星点目标特征,通过选取最佳权值融合上述两种特征,突显星点目标。与传统的星点提取算法相比,所选取的两种特征容易提取,运算量小,节省星点目标提取时间,提高了星点提取精度。通过对分辨力为1 528×1 528的漂移扫描CCD星图进行处理,实验结果证明了该算法的有效性。

基于漂移扫描CCD技术的南极时域天文观测阵原型机的设计与实现

大视场快速巡天是时域天文学研究的重要观测手段,南极地区每年数月连续黑夜使其成为短时标时域天文学观测的理想台址.在南极工作的光学望远镜需要应对极低气温、无人值守、供电和网络传输受限等严峻挑战.针对上述情况,设计并研制了基于漂移扫描CCD技术的南极时域天文观测阵原型机,其基本思路是:(1)在大视场光学望远镜上安装具有漂移扫描功能的CCD相机,无需驱动机构也能探测到暗弱天体,系统可靠性高;(2)将整个光学望远镜系统和控制处理计算机放置在一个有封窗玻璃和加热设备的可控温圆顶内,系统无需耐低温元器件,建造成本低;(3)在本地进行图像预处理,只将处理结果通过网络发回国内,无需高速网络;(4)利用CCD相机和计算机工作时的散热作为辅助加热措施,能源利用率接近100%,系统功耗较低.2022年10月,口径18 cm的原型机跟随中国第39次南极科考船前往南极中山站,在南极低温环境下已稳定可靠运行大半年,即使面对南极中山站恶劣天气环境(本观测季最低气温-37.3℃,最高风速38.6 m/s),原型机运行稳定,像质优异,体现了漂移扫描CCD技术在极地天文观测领域应用的巨大优势.原型机的试验观测结果为后续在南极建设时域天文观测阵奠定了坚实基础.

品字形拼接探测器偏流角补偿研究

对遥感卫星TDI-CCD推扫品字形探测器偏流角的补偿进行了研究。根据偏流角产生机理,用轨道要素法推导出一种简单可靠的偏流角计算和补偿方法,将偏流角补偿后重新计算的欧拉角作为控制目标输入闭环进行控制,规避了三轴欧拉角转序的影响。分析了偏流角控制对品字形拼接探测器成像产生的像元错位、调制传递函数(MTF)、通道间配准和幅宽等的影响。结果发现:对偏流角进行控制后穿轨向像元错位可消除,沿轨纵向像元错位不能消除,穿轨和沿轨向MTF均可消除,偏流角可对幅宽无影响;不对偏流角进行控制会严重影响通道间的配准精度。所提方法计算简单,流程清晰,在工程中有一定的应用价值。

基于光学测角数据的风云四号同步轨道卫星精密定轨

针对风云四号同步卫星的精密定轨和精度评估需求,首先利用地面光学测角数据对FY-4A卫星进行精密定轨,定轨后方位角和高度角的残差rms分别为0.25"和0.45"。与基于测距数据的轨道相比,位置精度在有测角数据的弧段内小于50 m。进一步联合测角数据和测距数据对FY-4A卫星进行联合定轨,定轨后轨道重叠精度优于15 m。利用联合定轨结果评估了基于测距数据的实时轨道产品精度,可以明显发现轨道精度随着测距数据的积累而逐步提高。

上海天文台与尼古拉耶夫天文台之间的合作（英文）

回顾了从1996年10月起上海天文台与尼古拉耶夫天文台15年多的合作历程。1996-2003年上海天文台与尼古拉耶夫天文台第一和第二次合作课题是“从射电源光学对应体的CCD观测进一步研究射电和光学参考架的联系”，2004-2011年两台的合作协议包括用中国一乌克兰光学望远镜网观测快速运动的天体，特别是小行星、卫星和空间碎片，以及天文仪器研制、软件和旋转漂移扫描技术的应用等。最近的联合项目是“用CCD旋转漂移扫描照相机联合观测低轨的空间碎片”。本文简述了合作的科学成果，如光学和射电参考架的联系和联合观测小的空间碎片，上海天文台用中国的望远镜测定射电源光学对应体的位置，尼古拉耶夫天文台用轴向子午环编制射电源光学对应体附近的二级参考星星表。之后，此项目扩充为国际合作项目，参加国家有中国、土耳其、俄罗斯和乌克兰。射电和光学参考架联系的计算值表示指向角为零，精度为5mas。如果加入其他观测，则精度为3mas。为了观测低轨小的空间碎片，上海天文台和尼古拉耶夫天文台分别研制了带有CCD旋转漂移扫描照相机的望远镜。根据空间碎片的位置列表，已用这两台望远镜观测到一些碎片。双方正在编写空间碎片的轨道计算软件。在对两个轨道计算结果比较后，将建立一个空间碎片的联合网站。当前上海天文台与尼古拉耶夫天文台的合作正在继续进行中。

敏捷光学卫星多模式推扫成像时的偏流角研究

对运行于太阳同步轨道的以时间延迟积分CCD(TDI-CCD)相机为成像有效载荷的敏捷光学卫星姿态对地指向变化的多模式推扫成像,研究了基于运动学和卫星自身姿态信息的偏流角解算方法。基于线阵TDI-CCD推扫点目标瞬时成像、区域扫描成像和立体成像模式,分析了动态成像过程中的偏流原理。综合运动学和速度矢量方法,推导出了星下点速度矢量在敏感器坐标系中的表达式。数值仿真表明:当相机推扫方向与航迹方向平行时,偏流源于地球自转;当相机推扫方向与航迹方向不平行时,偏流角主要受地表的牵连速度影响。采用姿态偏航控制对偏流角进行调整,可实现敏捷光学卫星执行多模式推扫成像技术。

基于DSP的漂移扫描CCD星图快速识别

为了提高漂移扫描CCD的识别速度,实现同步卫星实时定轨,提出基于数字信号处理器(DSP,digital signal processor)的星图快速识别算法。在嵌入式DSP数据处理平台上优化传统的三角形识别算法,采用二次匹配识别算法,即分区间筛选子星表中参考星参与初匹配,利用初匹配结果推算CCD底片模型,根据背景恒星与子星表参考星的对应关系将所有恒星进行二次匹配。对分辨率为1 528×1 528实拍星图的实验处理结果表明,由于引入了DSP与改进了识别算法,在很大程度上加快了漂移扫描CCD星图识别速度,所耗时间仅为传统星图识别算法的50%,且识别成功率达到98.4%。