工程专业发表论文低轨空间碎片角位置测量方法

　　测量也是一门技术，对于不同的需求来说测量技术也不一样。本文是一篇工程专业发表论文范文，主要论述了低轨空间碎片角位置测量方法，更多论文范文可以参考月期刊咨询网科技论文栏目。
　　摘要：本文针对小视场望远镜观测低轨空间碎片的特点，提出基于绝对定位法的空间碎片角位置测量方法，为后续定轨分析提供基础数据。首先根据TLE(Two Line Elements)轨道根数进行过境预报，选择满足晨昏条件和大气条件的观测窗口;其次，在时间窗内使用望远镜对空间碎片进行连续观测，获取FITS图像序列;然后，从图像序列中检测碎片光斑，提取质心，计算其脱靶量;最后，利用观测时的光轴指向，在地平坐标系下计算空间碎片的方位、仰角，生成空间碎片在望远镜视场中的运行轨迹。图像数据处理结果表明，本文方法能够正确提取目标光斑，能够给出准确的角位置测量结果。

　　关键词：测量,角位置测量,绝对定位法,自适应双门限,低轨空间碎片,光电望远镜

　　Abstract：Considering the characteristics of the small-field telescope observing space debris， the paper proposes an angular position measurement scheme for LEO space debris based on the absolute positioning method， which provides subsequent orbit determination and analysis. Firstly， make pass-through forecasting according to the orbital elements of TLE (Two Line Elements)and observing windows which satisfies twilight dark conditions and atmospheric transparent conditions; Secondly， during the time windows， use the telescope to make continuous observation of multiple space debris， obtain Fits image sequences， and record the optical axis direction in header file of Fits image; Then， detect the light spot of debris， extract the center of mass， and calculate the target-missing quality; Finally， take advantage of optic axis direction when observing to calculate the space debris’ azimuth and elevating angles and generate the curve of moving trajectory. The results of image processing denote that the proposed method can correctly extract the targeted bright spot and achieve accurate measurement of angular position.

　　Keywords：measurement; measurement of angular position; adaptive double-threshold; space debris in low earth orbit; optoelectronic telescope

　　1 引言

　　地球外围空间存在大量人造天体，包括活动目标(人造卫星、空间站、航天飞机、宇宙飞船等)和空间碎片 [1]。实际上，空间碎片短期内无法清除，但通过不间断监测，持续进行空间目标定轨、编目和识别[2]，可以建立和维持完整的空间目标数据库，最终实现早预警、早规避。相对于大视场望远镜，小视场望远镜CCD图像读出时间短、伺服跟踪延迟小，更加适合对高速运动的LEO空间碎片的跟踪测量[3][4]。通过高精度的轴系定位，完成对碎片的高精度测量和跟踪，这种方法称为轴系定位法(或者绝对定位法)[5]。

　　地基光电望远镜观测LEO空间碎片的流程包括FITS图像获取、目标提取、角位置测量、分析与识别等内容，本文的主要贡献总结如下：

　　(1)提出基于自适应双门限的图像分析方法，从FITS图像中成功提取LEO空间目标。

　　(2)提出基于灰度加权的LEO空间碎片角位置测量算法，提取LEO空间目标的质心并获取其脱靶量，并使用轴系定位法计算LEO空间碎片的绝对位置，生成LEO空间碎片运动序列，提取角位置。

　　(3)实测数据的分析结果验证了方法的有效性。

　　2 基于自适应双门限的FITS图像目标提取

　　基于小视场望远镜的LEO空间碎片观测处理基本过程如图1所示。本文的研究内容聚焦于第二部分，提出使用自适应双门限方法进行图像分割和目标提取处理，鉴别目标“光斑”。

　　2.1 基于自适应双门限与面积匹配的目标提取与鉴别

　　本节设计了LEO空间碎片的目标提取方案。在图像获取的基础上，要从FITS图像中获取空间碎片光斑，需要对图像依次进行如下处理：分割图像，消除噪声，恢复光斑，获取潜在目标集，最终鉴别目标，如下图所示。

　　如果跟踪丢失，则图像中没有目标，只有背景噪声;当目标在望远镜视场内时，如果成像条件合适，目标“光斑”明亮、饱满，否则就黯淡、发散，如图3所示;当望远镜视场内同时存在背景目标(主要是恒星)，出现多个“光斑”，则需要鉴别哪个属于目标“光斑” [6][7]。这就要求空间目标提取算法具有较好的适应性，既不能把成片的背景噪声误判为LEO空间碎片，还要把LEO空间碎片从多目标背景中鉴别出来。　　3目标角位置测量

　　在小视场望远镜跟踪观测生成的FITS图像序列，采用轴系定位法(绝对定位法)确定LEO空间碎片的角位置，其处理过程分为目标脱靶量计算、相对位置转换和绝对位置测量3个步骤。图4描述了小视场地平式望远镜的观测位置关系，其中，O-XYZ是站心地平坐标系，Oo’是望远镜光轴指向，o’-xy是视场坐标系，P点是目标“光斑”质心。

　　4测量数据分析

　　本文数据基础是中国科学院云南天文台1.3米地平式望远镜跟踪测量LEO空间碎片目标生成的FITS图像数据。该望远镜的视场为，CCD像素数量为，灰度图像，跟踪成像输出间隔为200ms。在Visual Studio.Net 2008开发环境中利用本文算法进行角位置测量分析。

　　由于望远镜观测区域的天光噪声和CCD图像的量化和读出噪声，角位置测量数据存在一定误差，而误差会影响后续的定轨分析精度，因此采用多项式拟合以滤除噪声。图6为利用五阶拟合获得的1号和2号目标的角位置曲线，计算拟合方差，剔除以外的野值数据，剔除结果如表4中的Interfered frames列所示。

　　5结语

　　本文研究了LEO空间碎片FITS图像序列的分析处理方法，实现了自动化的目标提取和角位置测量。具体的，基于自适应双门限的目标提取方法正确地区分了单目标图像、背景噪声图像和多目标图像，而前后帧目标“光斑”的面积匹配保证了LEO目标“光斑”从多目标图像中的正确提取。轴系定位法跟踪测量的LEO空间碎片角位置曲线连续平滑，具有3分钟以上的弧段长度，因此能够满足后续的定轨分析需求。尽管基于地基光电望远镜的LEO空间碎片观测受晨昏条件、天气条件的限制，其仍然是地基远程雷达的有效补充手段，能够实现LEO空间碎片的跟踪监测。

　　参考文献

　　[1]Klinkrad H. Space debris[M]. John Wiley & Sons Ltd， 2010.

　　[2]Huang J， Hu W， Ghogho M， et al. A novel signal processing approach for LEO space debris based on a fence-type space surveillance radar system[J]. Advances in Space Research， 2012， 50(11)： 1462～1472.

　　[3]Jindong Jiang， Jianxia Zhao. Recent advances in related standards of China’s space debris. Aerospace China， 2011， 3： 1～2.

　　蒋晋东，赵剑霞.中国空间碎片相关标准的研究现状[J].中国航天，2011，3：1～2.

　　[4]Xue Dong. Research of space debris laser ranging system with high repetition frequency[D]. Changchun： Institute of optical precision machinery and physics. 2014.1～119.

　　董雪.高重复频率空间碎片激光测距系统研究[D].长春：光学精密机械与物理研究所，2014. 1～119.

　　[5]Chunlai Li， Ziyuan Ouyang， Heng Du. Space debris and space environment[J]. Quaternary Sciences， 2002， 22(6)：1～12.

　　李春来，欧阳自远，都亨.空间碎片与空间环境[J].第四纪研究，2002，22(6)：1～12.

　　[6]Schildknecht T， Musci R， Ploner M， et al. Optical observations of space debris in GEO and in highly-eccentric orbits[J]. Advances in Space Research， 2004， 34(5)： 901～911.
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