窄视场天文定位技术研究

doi:3E5461D2253C8142CC46EDE434B21298

	窄视场天文定位技术研究
	高扬
学位类型	博士
导师	陈涛 ; 赵金宇
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	空间目标天文定位导航星表星图识别
摘要	近年来,随着人类对空间探索的不断深入,空间信息的高效获取和深度挖掘已经成为各国空间探索领域的重要研究方向。天文定位技术作为天文导航技术的研究基础,在军事以及民用领域都有着广泛的实用价值。天文定位技术是一种把自然天体作为参照标准,并通过地基光电测量设备对空间目标进行高精度位置动态标定的天文定位技术。天文定位技术面向的空间目标主要分为人造航天器和空间碎片两大类。随着各国航天发射等航天任务活动日趋频繁,地球外层空间正逐步发展为新的军事斗争领地。在这种形势下,针对人造航天器的天文定位技术已经成为各国重点发展的航天测控系统关键技术之一,并在侦察识别、探测跟踪、定位预报等领域有着广泛的应用。日趋频繁的空间活动造成了空间碎片数量规模的指数性增长,空间碎片威胁人造卫星、空间站正常运行的情况日趋严重,大量未被编目的空间碎片足以引起灾难性的危害,因此作为重新规划空间长期有效利用的问题,天文定位技术为其提供了重要的数据依据。因此,如何提供一种成本低、精度高、不与外界交换信息、不受其他系统干扰的天文定位技术已成为各国学者面临的现实问题。窄视场天文定位技术作为天文定位技术的重要分支之一,具有视场角小(通常在4°×4°左右)的特点,此时由于恒星自身的分布规律所限,易于出现某一光轴方向天区上观测不到导航星或能观测到的导航星数量不足,并最终导致天文定位失败的情况。对此,本论文基于上述窄视场天文定位技术研究的现实意义和应用前景,通过星库选择、星图识别、地基光电监视三个方面入手,对天文定位技术进行了较为深入的理论研究与实践应用,其中完成的主要研究成果与创新性工作如下:(1)针对传统的星库构建方法在窄视场(4°×4°)条件下,构建的导航星库均匀性差、易出现“空洞”的问题,论文提出了一种结合玻尔兹曼熵与支持向量机的导航星库构建方法。为了降低原星库中每颗星邻域内的星密度,提高导航星库的均匀性与可靠性,论文将原星库中每颗星的星等、其邻域内的星点数以及玻尔兹曼熵值共同引入到星点的特征向量中,并以支持向量机的方法完成了最小结构风险下的导航星分类。最终构建了适用于窄视场的导航星库,并对其性能进行了仿真实验分析。实验结果表明,在窄视场的条件下,论文结合玻尔兹曼熵与支持向量机的导航星库构建方法相较于传统的视星等阈值过滤法(VMT),其星库容量减小到原来的66.85%,标准差减小到原来的78.16%,并且导航星库中的“空洞”也得到了较好的抑制。(2)针对传统的基于星模式的星图识别算法在构建星模式的过程中由于位置噪声的干扰导致识别率较低的问题,论文提出一种添加补偿码的快速径向伴星星图识别算法。该算法以比特向量的形式构建基于径向伴星特征的特征向量,同时将伴星间的角距信息以及位置噪声的补偿信息添加到特征向量中,从而有效的减小了导航星库的容量,提高了星图识别算法的稳定性和识别率。最后论文根据比特向量的特点采用最小相似差的方法快速完成观测星与导航星之间的初匹配,再根据同一视场内星点位置信息的相关性完成对观测星的唯一识别。实验仿真结果表明,在位置噪声为1像素的情况下星图识别成功率达到97.8%;在星等噪声为0.46Mv的情况下星图识别成功率达到96.4%。当以真实星图为实验对象时,星图识别的成功率达到94.2%。与传统的三角形算法以及未添加补偿码的径向特征星图识别算法相比,论文算法在识别成功率和识别时间上均有着不同程度的提高。(3)针对轨道卫星和碎片的显著增多,大量未被编目的碎片足以引起灾难性危害,并且需要重新考虑空间长期利用的问题。论文通过详细分析在轨目标的光学反射特性,比较不同模式下的信噪比,并给出了光电监视的最优设计考虑;同时结合目标运动特性、观测条件等因素,设计了适合窄视场的地基GEO目标的观测模式;针对窄视场暗弱目标图像识别难题,提出了基于最优化原理的低信噪比目标识别图像处理的新方法。实验仿真结果表明,与传统差帧法相比,可在目标信噪比大于3.09的条件下识别出目标。(4)针对窄视场条件下,易于出现某一光轴方向天区上观测不到导航星或能观测到的导航星数量不足的情况,论文提出了一种引入先验信息的窄视场天文定位方法,该方法利用关联帧获取星图坐标与天文坐标的映射关系,并引入到当前帧的天文定位当中。实验结果表明,这种方法可以在仅有一颗导航星的条件下较低测量误差地获取空间目标的位置信息。对于低轨道空间目标的赤经和赤纬的测量误差低于5角秒,对于高轨道空间目标的赤经和赤纬的测量误差低于2角秒。
页数	118
DOI	3E5461D2253C8142CC46EDE434B21298
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63876
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	高扬. 窄视场天文定位技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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窄视场天文定位技术研究.caj（3673KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文