专利名称：近地和中高轨空间目标实时全自动捕获方法
技术领域：
本发明是一种利用装备有CCD相机的光学望远镜在观测时能实时全自动捕获已知轨道近地和中高轨空间目标的方法，它利用光学望远镜获取的CCD图像，无需人工干预即可识别近地和中高轨空间目标，并自动捕获，对其进行精密跟踪。
背景技术：
自第一台伽利略光学望远镜问世以来，光学望远镜一直是人类探索空间的最重要工具，400年来它推动了天文学的发展。近半个世纪，随着人造卫星上天，它又被广泛地用于空间目标观测，成为了获得空间目标信息的主要途径。望远镜发展日新月异，为适应不同的任务各种光学观测系统层出不穷，口径越来越大，特别是上世纪80年代开始，随着CCD相机、计算机控制技术的应用，对空间目标探测产生了更为深远的影响。对空间目标的观测也经历了相同的发展过程，从最初通过观测员目视、手绘记录，到采用人卫照相机实现照相观测，发展至今普遍装备了以CXD成像为主的观测方式，望远镜的机械转台性能也越来越好。 近年观测设备的进步几乎是革命性的，“十五”、“十一五”期间，我国在空间目标监视设备上加大投入，建成了我国空间目标监视网。相对于设备发展的重视程度，在提高观测效率方面却未得到足够的重视。观测方式的改变却并不大，只是通过观测员对目镜的目视转变为对显示器的目视，手工记录方式转变为计算机记录方式。观测的主要工作还是由观测员来完成，需要观测员通过对显示器的持续监视，人工识别运动的空间目标后，通过计算机引导望远镜实施跟踪。这种依然通过人眼识别，不能发挥CCD相机探测暗弱空间目标的优势。同时由于依赖于观测员的手动操作，使得观测设备的机械能力不能得到充分发挥，观测效率受到观测员个人熟练程度、疲劳程度等的影响。为了能够降低观测员的劳动强度，目前设备均实现了半自动化，观测员只需识别目标，捕获后跟踪系统会自动引导完成跟踪，尽管如此目前最优秀的观测员一个观测晴夜的有效观测时间最高仅占观测时间的60%左右。因此如何实现对于空间目标的自动识别与捕获，使得观测可以基本脱离观测员的操作成为光电跟踪领域的热点发展方向。为配合如今光机电一体性能先进的望远镜，提高空间目标跟踪效率，迫切需要研制一种无需人工干预，自动识别空间目标，自动切入跟踪模式的全自动跟踪方法。同时对于光学望远镜来说，组网观测，数据共享，优化观测任务，可以大幅度提高设备对目标的管理能力，通过网络将多台设备连接成为大型系统，同时各台设备相互独立具有灵活性。这就要求望远镜具备快速反应能力，其关键就是设备必须具备全自动观测能力，减少人工干预，快速及时对联网设备作出响应。另一方面满足光学观测条件的台站大多处于相对偏僻，生活工作保障条件较差的地方，这和需要广布观测站点来获取观测资料的天文观测需求来说是个极其严重的矛盾，对需要长期驻扎的观测人员而言是个无奈的选择，也限制了选址的范围。研制全自动观测模式光学望远镜，实现无人值守功能势在必行， 可以尽可能减少驻站人员，减轻后勤负担，降低运行成本。
发明内容
本发明提供一种近地和中高轨空间目标的实时全自动捕获方法。该方法的主要过程在对空间目标进行光学观测时，正常情况下获得的CCD图像上所有星像(恒星和空间目标)长宽比皆接近1 (星像成圆点形)，但使用本发明时，在空间目标到达预定位置前采用合理措施适当加大恒星在CXD图像上的星像的长宽比(即成长条形星像)，并使空间目标在 CXD图像上的星像的长宽比接近1 (即保持圆点形星像)，利用目标星像和恒星星像的形状区别，对CCD相机采集到的图像，进行实时全视场星像扫描，然后在星像中区分恒星和空间目标得到疑似空间目标，再利用已知轨道的先验信息在疑似目标中筛选出正确空间目标， 计算出空间目标的运动状态量(速度、位置)，实时识别空间目标，通过望远镜的机电配合， 实现对空间目标的全自动捕获并实时精密跟踪。完成上述发明任务的技术方案是一种近地和中高轨空间目标实时全自动捕获方法，包
括以下几个工作步骤
(1).根据已知轨道空间目标得到预报的运动信息，使望远镜到达预定位置等待；
(2).在空间目标到来之前，望远镜提前沿着空间目标的运动速度方向运动，在运动的同时获取CXD图像，并突出恒星和空间目标星像在CXD图像上的区分度；
(3).对获取的图像进行实时全视场扫描得到疑似空间目标；
(4).用已知轨道的先验信息来甄别得到正确空间目标；
(5).自动捕获空间目标并精密跟踪。更优化和更具体描述以上各步骤如下
(1).根据已知轨道空间目标得到预报的运动信息，使望远镜到达预定位置等待；
(2).在空间目标到来之前，望远镜提前沿着空间目标的运动速度方向运动，在运动的同时获取CXD图像，并突出恒星和空间目标星像在CXD图像上的区分度；
在空间目标到来之前，望远镜提前沿着空间目标的运动速度方向运动。提前量计算空间目标到达CXD视场边缘，还没有出现在CXD视场中时。望远镜提前运动是由于空间目标的预报运动信息可能误差过大，空间目标没有按照预定时间到达，而是提前到达，因此提前量可尽量减少因预报误差而错过空间目标，对于运动速度绝对值小于某个阈值速度的空间目标，提前量为0，该阈值速度经验值为50角秒/秒，可根据恒星和空间目标的运动方向的锐角夹角略做调整，对夹角小于等于30度的空间目标可将速度略调大10角秒/秒。望远镜速度略小于空间目标运动速度，望远镜速度根据空间目标的运动速度大小来决定，准则是空间目标从后方追赶望远镜，出现在CCD视场中的时间尽量早；由于两者间有相对速度存在，因此空间目标会慢慢穿过整个CCD视场，最少要获取三帧含有空间目标星像的CCD图像。对于提前量为0的空间目标，望远镜速度和空间目标速度相同；根据望远镜的运动速度设置CCD相机的曝光时间，目的是拉长恒星星像，根据实际成像效果来确定长宽比，恒星星像长宽比的经验值约为3 ；同时使空间目标星像的长宽比约为1。因此CXD图像上恒星星像一般成长条形，空间目标星像一般成圆点形。恒星星像和空间目标星像在形状上有明显的区分度。(3).对获取的图像进行实时全视场扫描得到疑似空间目标
获取图像进行实时全视场扫描，扫描出CCD图像上所有的星像，每个星像获得四个参数星像质心在C⑶图像上的两个方向上的坐标，星像的长宽比，星像所占的像素数量。根据恒星星像和空间目标星像长宽比的区别设置一个长宽比门限，长宽比门限经验值为1.5， 根据星像的像素数量设置一个门限(即星像所占的最小像素数量，以剔除虚警)；星像所占的最小像素数量门限经验值为4。可根据点光源在CCD靶面上成像所占像素数量来确定。 由这两个门限筛选出疑似空间目标并保存。(4).用已知轨道的先验信息来甄别得到正确空间目标
当获得三帧CCD图像的疑似空间目标后，利用空间目标的已知轨道的先验信息对疑似空间目标进行甄别，如果能得到正确的空间目标信息则转入第ω步骤，若无法得到正确的空间目标信息则将三组数据根据先验信息进行两辆甄别，将不符合先验信息的数据删除，转入第⑶步骤。(5).自动捕获空间目标并精密跟踪；
根据第四步获得的空间目标信息实时捕获空间目标，对其进行精密跟踪测量。本发明的近地和中高轨空间目标实时全自动捕获方法，能够使光学观测望远镜在无人工干预的情况下对近地和中高轨空间目标实时自动捕获并实时跟踪测量。该方法的实际处理效果好，能够广泛地应用到近地和中高轨空间目标监测中。
图1为本发明系统的工作流程示意图。
具体实施例方式实施例1，近地和中高轨空间目标实时全自动捕获方法，参照图1 按照以下步骤进行
(1).根据已知轨道空间目标得到预报的运动信息，使望远镜到达预定位置等待；
(2).在空间目标到来之前，望远镜提前沿着空间目标的运动速度方向运动，在运动的同时获取CXD图像。提前量计算空间目标到达CXD视场边缘，还没有出现在CXD视场中时，由于空间目标的预报运动信息可能误差过大，空间目标没有按照预定时间到达，而是提前到达，因此提前量可尽量减少因预报误差而错过空间目标。对于运动速度绝对值小于某个阈值速度的空间目标，提前量为0，该阈值速度经验值为50角秒/秒，该阈值可根据恒星和空间目标的运动方向的锐角夹角略做调整，对夹角小于等于30度的空间目标可将速度略调大10角秒/秒。望远镜速度略小于空间目标运动速度，望远镜速度根据空间目标的运动速度大小来决定，准则是空间目标从后方追赶望远镜，出现在CCD视场中的时间尽量早；由于两者间有相对速度存在，因此空间目标会慢慢穿过整个CXD视场，最少要获取三帧含有空间目标星像的CCD图像。对于提前量为0的空间目标，望远镜速度和空间目标速度相同；根据望远镜的运动速度设置CCD相机的曝光时间，目的是拉长恒星星像，根据实际成像效果来确定长宽比，长宽比的经验值约为3 ；同时使空间目标星像的长宽比约为1。因此 C⑶图像上恒星星像一般成长条形，空间目标星像一般成圆点形。恒星星像和空间目标星像在形状上有明显的区分度。(3).对获取的图像进行实时全视场扫描得到疑似空间目标
获取图像进行实时全视场扫描，扫描出CCD图像上所有的星像，每个星像获得四个参数星像质心在C⑶图像上的两个方向上的坐标，星像的长宽比，星像所占的像素数量。根据恒星星像和空间目标星像长宽比的区别设置一个长宽比门限，长宽比门限经验值为1.5 ； 根据星像的像素数量设置一个门限(即星像所占的最小像素数量，以剔除虚警)，星像所占的最小像素数量门限经验值为4。可根据点光源在CCD靶面上成像所占像素数量来确定。 由这两个门限筛选出疑似空间目标并保存。(4).用已知轨道的先验信息来甄别得到正确空间目标
当获得三帧CCD图像的疑似空间目标后，利用空间目标的已知轨道的先验信息对疑似空间目标进行甄别，如果能得到正确的空间目标信息则转入第ω步骤，若无法得到正确的空间目标信息则将三组数据根据先验信息进行两辆甄别，将不符合先验信息的数据删除，转入第⑶步骤。(5).自动捕获空间目标并精密跟踪；
根据第四步获得的空间目标信息实时捕获空间目标，对其进行精密跟踪测量。
权利要求
1.一种近地和中高轨空间目标实时全自动捕获方法，其特征在于，步骤如下(1).根据已知轨道空间目标得到预报的运动信息，使望远镜到达预定位置等待；(2).在空间目标到来之前，望远镜提前沿着空间目标的运动速度方向运动，在运动的同时获取CXD图像，以突出恒星和空间目标星像在CXD图像上的区分度；(3).对获取的图像进行实时全视场扫描得到疑似空间目标；(4).用已知轨道的先验信息来甄别得到正确空间目标；(5).自动捕获空间目标并精密跟踪。
2.根据权利要求1所述的近地和中高轨空间目标实时全自动捕获方法，其特征在于， 步骤⑵所述的“望远镜提前沿着空间目标的运动速度方向运动”，提前量计算空间目标到达CCD视场边缘，还没有出现在CCD视场中时；对于运动速度绝对值小于某个阈值速度的空间目标，提前量为0，该阈值速度经验值为50角秒/秒，该阈值可根据恒星和空间目标的运动方向的锐角夹角略做调整，对夹角小于等于30度的空间目标可将速度略调大10角秒/ 秒；望远镜速度略小于空间目标运动速度，望远镜速度根据空间目标的运动速度大小来决定，准则是空间目标出现在CCD视场中的时间尽量早，且能够使望远镜在空间目标通过视场的时间中，最少获取三帧含有空间目标星像的CCD图像；对于提前量为0的空间目标，望远镜速度和空间目标速度相同。
3.根据权利要求1所述的近地和中高轨空间目标实时全自动捕获方法，其特征在于， 步骤⑵所述的“在运动的同时获取CCD图像”，在获取图像时要根据望远镜的运动速度设置 CCD相机的曝光时间，以拉长恒星星像，使恒星星像长宽比约为3 ；同时使空间目标星像的长宽比约为1。
4.根据权利要求1所述的近地和中高轨空间目标实时全自动捕获方法，其特征在于， 步骤⑶所述的“获取图像进行实时全视场扫描”时，根据星像的像素数量设置星像所占的最小像素数量，以剔除虚警。
5.根据权利要求1所述的近地和中高轨空间目标实时全自动捕获方法，其特征在于， 步骤⑶所述的“得到疑似空间目标”，是根据恒星星像和空间目标星像长宽比门限，及星像的像素数量的门限，筛选出疑似空间目标并保存。
6.根据权利要求1-5之一所述的近地和中高轨空间目标实时全自动捕获方法，其特征在于，步骤⑷所述的“用已知轨道的先验信息来甄别得到正确空间目标”，其操作方法是如果能得到正确的空间目标信息则转入第ω步骤，若无法得到正确的空间目标信息则将三组数据根据先验信息进行两辆甄别，将不符合先验信息的数据删除，转入第⑶步骤。
全文摘要
近地和中高轨空间目标实时全自动捕获方法⑴根据已知轨道空间目标得到预报的运动信息，使望远镜到达预定位置等待；⑵在空间目标到来之前，望远镜提前沿着空间目标的运动速度方向运动，在运动的同时获取CCD图像，以突出恒星和空间目标星像在CCD图像上的区分度；⑶对获取的图像进行实时全视场扫描得到疑似空间目标；⑷用已知轨道的先验信息来甄别得到正确空间目标；⑸自动捕获空间目标并精密跟踪。本发明的近地和中高轨空间目标实时全自动捕获方法，能够使光学观测望远镜在无人工干预的情况下对近地和中高轨空间目标自动捕获并实时跟踪测量。该方法的实际处理效果好，能够广泛地应用到近地和中高轨空间目标监测中。
文档编号G01C11/34GK102538759SQ20111044936
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者吴连大, 王歆, 许占伟 申请人:中国科学院紫金山天文台