一种基于光电观测的空间物体尺度获取方法
【专利摘要】本发明属于地基光电观测领域，公开了一种基于光电观测的空间物体尺度获取方法，方法包括以下步骤：观测获取高精度的空间物体光度信息；轨道计算获取光度校正参量；空间物体光度校正处理；空间物体尺度计算。本方法克服了雷达手段对中高轨空间物体观测能力的不足，提出了利用光学望远镜观测系统获取中高轨空间物体光学尺寸的方法，获取表征其尺寸大小的参数－光学散射截面（Opticalcrosssection），由于光学波段比无线电波段长短，且对边角不敏感，该方法相对无线电手段可以精确获取空间物体的尺度。本发明能够快速推广应用至我国现有的地基光电探测设备上，无需硬件改动即可形成一定的空间物体尺度确定能力。
【专利说明】-种基于光电观测的空间物体尺度获取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于地基光电观测领域，涉及一种空间物体尺度获取方法。
【背景技术】
[0002] 尺度大小是空间物体的一个重要物理特征，国际上现在一般用雷达散射截面 (Radar cross section, RCS)来表征空间物体的大小。但雷达观测的波段较长，雷达散射 截面与目标结构、雷达的工作频率、入射场极化形式、接收天线极化形式、空间物体的姿态 等许多因素有关，且对边角敏感，容易在空间物体的边角处形成大值，不能很好表征空间物 体的真实尺度。同时，由于雷达的探测信号强度与距离的四次方成正比，要受到地面杂波和 大气损耗的影响，以及自身功率和工作波长的限制，一般很难使用雷达实现中高轨空间物 体的测量。因此可以利用光学观测波段短、被动接受、探测距离远的特点，更加精确的获取 表征空间物体尺度的特征参量。
【发明内容】
[0003] 本方法克服了雷达探测中高轨空间物体的不足，提出了利用光学望远镜探测系 统获取中高轨空间物体光学尺寸的方法，获取表征其尺寸大小的参数一光学散射截面 (Optical cross section),由于光学波段比无线电波段长短，且对边角不敏感，该方法相 对无线电手段可以精确获取空间物体的尺度。
[0004] 所述方法包括以下步骤：
[0005] 步骤一：观测获取高精度的空间物体的光度信息
[0006] (1)拍摄光度标定辅助图像：本底图像、平场图像、标准星图像；
[0007] (2)拍摄空间物体的光度信息；
[0008] (3)对图像进行校正（本底改正和平场改正），提高信噪比；
[0009] (4)孔径测光，证认图像中的观测目标，计算目标的半高全宽；
[0010] (5)计算空间物体的仪器星等，根据其半高全宽，选择天光孔径大小，去除天光背 景对空间物体测光的影响，得到空间物体的仪器星等；
[0011] (6)选择LAND0LT星作为较差测光的标准星，计算转换得到空间物体的视星等，进 行流量定标，得到空间物体的视星等。
[0012] 步骤二：轨道计算获取光度校正参量
[0013] (1)利用SGP4或SDP4模型进行空间物体Tie轨道根数的外推预报计算，获取当前 历元轨道坐标系下的坐标矢量；
[0014] (2)空间物体在当前历元轨道坐标系下矢量转换至J2000历元天球坐标系下矢 量；
[0015] (3)利用太阳平根数计算太阳在J2000历元天球坐标系下坐标矢量；
[0016] (4)将空间物体和太阳的J2000历元天球坐标系下的坐标矢量转换至站心赤道坐 标系下，计算空间物体至站心的距离一斜距R ;
[0017] (5)计算站心赤道坐标系下的空间物体和太阳两者矢量之间的夹角一相位角Φ。
[0018] 步骤三：空间物体的光度校正处理
[0019] (1)采用距离平方反比算法进行斜距量R的修正；
[0020] (2)采用球状卫星照射模型进行相位角Φ的修正。
[0021] 步骤四：空间物体尺度计算
[0022] (1)大样本观测数据的统计处理处理掉姿态变化的影响；
[0023] (2)根据太阳辐射密度、反照率来计算光学散射截面。
[0024] 本发明的技术方案与现有技术相比具有如下技术效果：
[0025] (1)具有被动式无源接收特性，由于利用太阳作为照射源，探测行为不易被发现， 隐蔽性强。
[0026] (2)具有灵敏度高、精度高，光学波段比无线电波段短，且对边角不敏感，可以比现 在常用的雷达手段确定的尺度更加精确。
[0027] (3)相比现阶段的雷达探测能力而言，探测距离远，可探测到距离地球表面40000 公里的20星等的空间物体，目前雷达探测只能探测到几千公里。
[0028] (4)本发明能够快速推广应用至我国现有的空间物体光电探测设备上，无需硬件 改动即可形成空间物体的尺度确定能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 图1为本发明的光学散射截面计算流程图；
[0030] 图2为本发明的空间物体观测示意图；
[0031] 图3为本发明的球状卫星照射模型示意图。
【具体实施方式】
[0032] 本发明所述的基于光电探测的空间物体光变特性获取方法，分成数据获取和数据 处理两部分，首先进行数据获取，主要在步骤一中实现。
[0033] 步骤一：观测获取高精度的空间物体的光度信息
[0034] (1)拍摄光度标定辅助图像：本底图像、平场图像、标准星图像>观测测试并拍摄 本底图像和平场图像
[0035] 选取已知亮恒星进行观测测试，确认望远镜指向正常、C⑶工作正常后，拍摄本底 图像和平场图像。
[0036] >拍摄标准星图像
[0037] 选取在空间物体天区附近的LAND0LT星，拍摄标准星图像。
[0038] (2)拍摄空间物体图像
[0039] 将观测目标的精密星历表输入望远镜系统，根据精密星历表引导望远镜跟踪锁定 空间物体进入视场中心，望远镜跟踪锁定观测目标，（XD (Charge Coupled Device)开始连 续曝光。由天光背景亮度调整合适的曝光时间长度和延时，由观测目标亮度确定设置CCD 合适的增益（Gain)值，由观测需求和观测弧段长度确定合适的读出速度后CCD连续曝光， 进行时序测光。
[0040] (3)对图像进行校正（本底改正和平场改正），提高信噪比
[0041] 本底改正：在空间物体图像中，要分析的是直接来自可能观测目标（经过A/D转 换）的光电子。但图像中的光电子，实际上是以下几项来源之和：
[0042] 本底噪声：(XD本身电路的电流。
[0043] 天光噪声：大气层反射、散射和发射到(XD的光电子。
[0044] 读出噪声：在读出过程中，线缆中产生和A/D转换的电子噪声。
[0045] 观测目标源：来自观测目标的光电子。
[0046] 平场图像、标准星图像和含有观测目标的原始图像，分别减去本底图像，以进行本 底改正。
[0047] 平场改正：使用标准光源或者天光背景获得平场图像，平场图像能够体现光学系 统、快门效应和CCD的大尺度不均匀性。标准星图像和原始图像分别除去改正后的平场，可 以消除上述因素造成的大尺度不均匀性。
[0048] (4)孔径测光，证认图像中的观测目标，计算目标的半高全宽
[0049] 孔径的选择一般都依赖于FWHM，即星象的半高全宽。又星象的轮廓理论上为高斯 轮廓，FWHM与高斯函数中Sigma的关系为
[0050] FlV/?Μ = 2χ^2χ\η(2) x即 FWHM = 2· 35482XSigma
[0051] 根据一维高斯函数的性质，若测光孔径为1倍Sigma包含68. 26%的能量，3倍 Sigma包含99. 73 %能量，5倍Sigma包含99. 9999 %的能量。
[0052] (5)计算空间物体的仪器星等；
[0053] 根据空间物体的半高全宽，选择天光孔径大小，去除天光背景对空间物体测光的 影响，得到空间物体的仪器星等。
[0054] 一般如果观测目标足够亮，测光孔径可取2倍FWHM，若观测目标较暗可适当减小 测光孔径，以便获得更高的信噪比。
[0055] (6)流量定标
[0056] 将拍摄的LAND0LT星作为较差测光的标准星，计算转换得到空间物体的视星等， 进行流量定标，得到空间物体的视星等。
[0057] 流量定标的过程为：首先从星表库中选择标准星，在观测中测量标准星在大气层 内的亮度，然后利用较差测光的方法计算空间物体在大气层外的亮度。
[0058] LandoIt标准星的精度达到0. 01星等，因此观测的标准星一般都在LandoIt标准 星表里选取。
[0059] 较差测光的关系式如下：
[0060] u = U+C u+ β u (U-B) + κ ' uXu+ κ /7u (U~B)
[0061 ] b = B+C b+β b (B_V) + κ，bXb+κ " b (B_V)
[0062] v = V+C v+ β v (B-V) + κ ' vXv+ κ " v (B-V) (1)
[0063] r = R+C r+ β r (V-R) + κ，rXr+ κ " r (V-R)
[0064] i = I+Cj+β j (V_I) + κ " jXj+κ " j (V_I)
[0065] u，b，v，r，i为仪器星等（即大气层内光学系统测得的亮度），U，B，V，R，I为视星等， Cu-Ci为各波段的常数项，Xu-Xi为各波段大气质量，Pu-l为系统转换系数，K' u-K' i 为各波段大气主消光系数，κ" u-K" i为大气二次消光系数，一般很小，拟和时通常将其 置为零。
[0066] 较差测光的过程为：首先利用标准星的仪器星等（大气层内光学系统测得的标准 星亮度）和视星等（从Landolt标准星表中读取）计算出式（1)中相关的常系数项，然后 利用该关系式和空间物体的仪器星等（大气层内光学系统测得的空间物体亮度）计算空间 物体的视星等（即空间物体在大气层外的亮度）。
[0067] 步骤二：轨道计算获取光度校正参量
[0068] (1)利用SGP4或SDP4模型进行空间物体Tie轨道根数的外推预报计算，获取当前 历元轨道坐标系下的坐标矢量
[0069] 利用 SGP4(Simplified General Perturbations Satellite Orbit Model4) 或 SDP4(Simplified Deep Space Perturbations Satellite Orbit Model4)进行 Tie (Two-Line Element)数据的预报计算
[0070] 根据空间物体的Tie根数，根据空间物体的周期不同，分别调用SGP4或是SDP4模 型进行计算，得到在Tie坐标系（当前历元轨道坐标系）下的空间物体的位置和速度信息。
[0071] (2)空间物体在当前历元轨道坐标系下矢量转换至J2000历元天球坐标系下矢量
[0072] Tie数据的坐标系是其数据时刻历元的轨道坐标系，计算出来的位置和速度信息 也是当前历元轨道坐标下的，需要转换到J2000历元（即2000年1月1日0时）时的轨道 坐标系，这样即为历元转换，可以通过一下公式进行：
【权利要求】
1. 一种基于光电观测的空间物体尺度获取方法，所述方法利用光学望远镜探测以获取 中高轨空间物体表征其尺寸大小的光学散射截面，其特征在于，所述方法包括如下步骤： 步骤一：观测获取高精度的空间物体的光度信息； 步骤二：轨道计算获取光度校正参量； 步骤三：空间物体的光度校正处理； 步骤四：空间物体尺度计算。
2. 根据权利要求1所述的获取方法，其特征在于，所述步骤一具体包括： (1) 拍摄光度标定辅助图像：本底图像、平场图像、标准星图像； (2) 拍摄空间物体图像； (3) 对图像进行校正（本底改正和平场改正），提高信噪比； (4) 证认图像中的观测目标，计算目标的半高全宽； (5) 计算空间物体的仪器星等，根据空间物体的半高全宽，选择天光孔径大小，去除天 光背景对空间物体测光的影响，得到空间物体的仪器星等； (6) 选择LANDOLT星作为较差测光的标准星，计算转换得到空间物体的视星等，进行流 量定标，得到空间物体的视星等。
3. 根据权利要求1所述的获取方法，其特征在于，所述步骤二具体包括： (1) 利用SGP4或SDP4模型进行空间物体Tie轨道根数的外推预报计算，获取当前历元 轨道坐标系下的坐标矢量； (2) 空间物体在当前历元轨道坐标系下矢量转换至J2000历元天球坐标系下矢量； (3) 利用太阳平根数计算太阳在J2000历元天球坐标系下坐标矢量； (4) 将空间物体和太阳的坐标矢量转换至站心赤道坐标系下，计算空间物体至站心的 距离一斜距R; (5) 计算站心赤道坐标系下的空间物体和太阳两者矢量之间的夹角一相位角Φ。
4. 根据权利要求1所述的获取方法，其特征在于，所述步骤三具体包括： (1) 采用距离平方反比算法进行斜距量R的修正； (2) 采用球状卫星照射模型进行相位角Φ的修正。
5. 根据权利要求1所述的获取方法，其特征在于，所述步骤四具体包括： (1) 根据太阳辐射密度、反照率来计算光学散射截面； (2) 采用大样本观测数据的统计处理方法处理掉姿态变化的影响。
6. 根据权利要求2所述的获取方法，其特征在于，所述流量定标是先从星表库中选择 标准星，在观测中测量标准星在大气层内的亮度，然后利用较差测光的方法计算空间物体 在大气层外的亮度。
7. 根据权利要求5所述的获取方法，其特征在于，光学散射截面的计算如下：
其中Magsun = +26. 74, Mag即为步骤一中获取的空间物体的视星等；R和PA为步骤二 中计算获取的光度校正参量：斜距和相位角；R。是归算距离；PA。是归算相位角；u为地面 测定的反照率。
8.根据权利要求5所述的获取方法，其特征在于，采用多次测量取平均值的方法可以 有效去除由于空间物体姿态变化的影响。
【文档编号】G01B11/00GK104101297SQ201410350320
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】王建峰 申请人:中国科学院国家天文台