空间目标TLE天基光学混合状态SPKF拟合方法

针对天基光学监视应用中空间目标两行轨道根数拟合估计问题,通过引入UT变换和混合状态空间,将简化的常规摄动预测模型嵌入跟踪滤波过程,提出两行轨道根数拟合估计的天基光学混合状态Sigma点卡尔曼滤波方法.仿真结果表明,该方法可利用仅测角观测资料实现对空间碎片等非合作目标的两行轨道根数序贯滤波拟合估计.     

空间目标TLE天基光学混合状态SPKF拟合方法

针对天基光学监视应用中空间目标两行轨道根数拟合估计问题,通过引入UT变换和混合状态空间,将简化的常规摄动预测模型嵌入跟踪滤波过程,提出两行轨道根数拟合估计的天基光学混合状态Sigma点卡尔曼滤波方法.仿真结果表明,该方法可利用仅测角观测资料实现对空间碎片等非合作目标的两行轨道根数序贯滤波拟合估计.     

天基光学传感器网络目标定位精度分析

针对天基光学传感器网络对目标的定位精度分析难题,提出一种基于多因素分析的目标定位精度分析方法.首先,根据目标到光学传感器像平面的转换关系,建立目标观测模型.其次,分析目标定位过程中的各种误差源,通过引入地惯坐标系下的目标视线矢量作为中间变量,推导出目标三维位置、目标视线矢量以及目标像平面位置三者之间的误差传递矩阵.在此...     

在轨空间目标光学特性宏观表征模型的反演重构

为了在天基远距离条件下反演三轴稳定空间目标表面的光学特性参数,提出了基于可见光时序光度信号分析的光学特性宏观表征模型的反演重构方法.首先,综合考虑空间目标的结构特性、表面材料特性、帆板的对日指向运动特性、光照观测几何以及光学系统特性,完善了面向在轨观测的空间目标可见光时序光度建模方法;其次,将光度模型等效为双面模型,并利用双向反射分布函数(BRDF)的多级融合模型表征复杂材料表面的光学反射特性,将BRDF对应的面积反射率乘积作为待反演参数;最后,以时序光度信号的测量值与模型值之间的差异最小为优化目标,建立线性优化方法,实现模型参数的反演.仿真实验表明,提出的模型在轨重构方法对于近轨观测条件下的本体、帆板信号的重构精度达到97%以上,验证了方法的正确性.     

基于天基光学测角的高轨空间目标轨道确定

受到距离和观测条件等因素的影响,地基设施对高轨空间目标的观测能力有限,但天基观测设施可以有效突破地基设施的观测局限,从而提高对高轨空间目标的观测效率和精度.基于此,结合当前天基测量技术的现状,研究基于天基光学测角的高轨空间目标轨道确定方法,包括初始轨道确定方法和轨道改进方法.针对观测量类型对轨道确定结果的影响,推导直接利用天基观测角度的轨道改进方法,以及基于天基观测方向矢量的轨道改进方法.利用仿真数据和实测数据对两种改进方法进行比较.研究结果表明,基于天基观测方向矢量解算得到的高轨目标轨道精度相对较高,可为我国空间态势感知体系的建设提供有益借鉴.     

基于双星双目跟踪方式的空间目标定轨技术研究

以天基监视为背景,主要研究了一种基于双星双目跟踪方式的空间目标定轨技术,其物理思想为:利用星载光学测量系统获得目标的相对方位指向与角度传感器测量系统获得卫星的姿态角变化和光电跟踪架的随动角信息,通过坐标变换和数据处理解算出目标在地心惯性坐标系中的绝对运动信息。依次从物理模型、坐标体系、定轨原理方面进行了描述和推导,获得了目标在地球坐标系下的测量方程,并且通过对天基监视卫星轨道模型、星载光电跟踪控制模型、光学成像模型分析后,进行了数学建模仿真,计算结果表明该定轨方法的可行性。     

空间目标天基光学观测的序列图像仿真方法

利用STK和OpenGL,提出了一种能体现空间目标天基光学观测系统真实成像距离和系统性能的序列图像仿真方法。首先建立空间目标的三维模型和轨道模型,利用STK预测目标卫星和观测卫星的相对几何关系,然后在分析相机针孔成像和OpenGL透视投影成像模型关系的基础上,通过设置OpenGL的有关参数生成了包含目标和成像系统信息在内的目标仿真图像,最后生成运动空间目标近距离光学观测的二维图像序列,可为天基空间目标识别研究提供数据基础。     

基于光度观测的空间目标姿态与角速度估计

基于目标形状反射以及太阳、地球和空间目标三者的运动关系建立了空间目标的光度量测模型,分析了姿态角、角速度和目标形状对光度观测数据的影响。建立了目标姿态角与角速度的运动学模型,实现了对姿态和角速度的联合估计,并探讨了算法的自适应估计能力。仿真结果表明,该光度观测方案可实现未知姿态角与自旋角速度的估计,姿态角和角速度缓慢变化时算法具备自适应估计能力,但随着目标侧面数的增加,姿态和角速度估计误差增大且算法收敛速度变慢。     

天基合成孔径激光雷达成像理论初步

合成孔径激光雷达(SAL)具有成像距离远、分辨率高、速度快等特点,在天基空间目标成像领域有重要的应用前景。针对天基SAL成像中回波信号弱、噪声大、成像质量差等问题,提出在交会点附近连续长时间观测的思路。基于简单假设,建立采用光学外差探测的天基SAL成像理论数学模型,获得回波数据方程,给出成像处理流程、成像分辨率和图像信噪比,数学仿真了不同信噪比下的天基SAL空间目标成像。理论分析和仿真成像结果表明:当回波数据信噪比高时,任何子段数据均可形成空间目标的高分辨率图像;当回波信号微弱、数据信噪比低时,采用连续长时间观测数据形成目标子图像,将所有子图像进行叠加,提升了目标图像信噪比,改善了成像质量。     

天基光学传感器视线指向确定与校正

高精度的传感器视线指向确定与校正是天基光学监视系统高精度跟踪和定位目标的重要保障,而高帧频、窄视场的凝视相机的视线指向确定和校正是这一问题的难点所在。在研究凝视相机的成像模型及其观测特点的基础上,提出了基于地标控制点的视线指向实时确定与校正算法。将影响凝视相机视线指向的误差因素(热变形误差、安装误差等)等效为视线指向偏移角,通过建立地标控制点的观测方程和偏移角的状态转移模型,采用扩展卡尔曼滤波器,实现了对偏移角的实时估计和视线指向的高精度确定与校正。仿真结果表明所提算法的精度、时效性均能够满足天基光学红外监视系统目标跟踪与定位处理的需求。     

空间目标天基光学监视平台的参数仿真分析

利用天基光学系统对空间目标进行监视是重要而有效的手段之一。以在轨运行的低轨卫星为研究对象,对天基光学平台的观察方向、升交点赤经和真近点角等参数进行了优化设置。通过分析可知,观察方向指向左和指向右时可以监视更多的目标,升交点赤经选取在0°、270°和315°对空间目标的监视效果较好,而卫星被截获的概率与真近点角的变化关系并不密切,因此真近点角可以任意选取。根据参数优化结果,以卫星仿真工具包STK(Satellite Tool Kit)为平台,对空间目标天基光学监视平台的轨道参数进行了仿真。     

国外地球同步轨道目标天基光学监视策略

空间目标观测策略是决定天基光学监视系统性能的关键因素之一,本文对国外已服役和在研的GEO目标天基光学监视系统及其观测策略进行了讨论。首先,概述了GEO目标天基光学监视技术的发展历程;然后,简要分析了GEO目标的轨道特性,并在此基础上讨论了主流的GEO目标监视策略;最后,针对近年来呈现出的监视系统小型化和自主运行的发展趋势,对SBO载荷与3U CubeSat星座的目标监视性能进行了仿真评估。实验结果表明:SBO载荷和CubeSat卫星均可探测1 m直径的GEO目标,单颗SBO载荷探测GEO目标比例大于51%,观测弧长和重访周期分别约1.2°和1.5天,CubeSat星座则可探测超过90%的GEO目标,平均观测弧长和重访周期分别大于67.1°和小于0.4天。由此可见微小卫星通过组网能实现对GEO目标的独立自主监视。     

Infrared imaging characteristics of space-based targets based on bidirectional reflection distribution function

A modeling method of infrared imaging characteristics of a space-based target was presented. Background radiation environment of a space-based target was analyzed and the background radiation mainly consists of direct radiation of the sun, thermal radiation and reflected radiation of the earth. The target surface was divided into regions based on geometrical shape and surface material characteristics and a surface equation of each region was built based on its body coordinate system. Each region was divided into meshes supposing that each mesh is a micro-plane. A bidirectional reflection distribution function (BRDF) model considering the characteristics of surface Gauss statistics and self-shadow was introduced to describe reflected infrared of each mesh of the target surface. The emitted infrared radiation of each mesh of the target surface was described according to its thermal equilibrium temperature. Then a mathematical model on infrared radiation imaging characteristics of the space-based target was built in terms of the given infrared detector. The relative positions of the space-based target, the background radiation sources and the detector are determined by orbital parameters based on coordinate conversion. Visual surfaces of the target to observation system were determined by vector coordinate method. Simulation of optical imaging characteristics of the target in orbit was achieved according to its given geometrical dimensions and physical parameters. The results show the method is feasible and robust for infrared characteristics of the space-based target when single reflection is considered and its surface is regular and can be described in a surface equation. It can provide a facility to real-time analysis of infrared imaging characteristics of the space-based targets.     

基于中波红外光谱遥测的温度估计算法

高于绝对零度的物体满足Plank定律,因此红外辐射在一定程度上反映温度。红外辐射测温具有响应速度快,分辨率高,能较好的实现对微小、高速移动等不可接触测量目标的温度测量。用一种先进的双波段红外遥感光谱系统采集不同温度金属的红外发射光谱,分析和研究这些不同温度的光谱数据所具有的不同特征。在此基础上,对样本提取重心位置、波峰位置、波长λ₁的值、波长λ₂的值四种光谱特征,寻找温度与其之间的函数关系;并建立多元线性回归模型,通过光谱反推温度值。实验结果表明,该方法可以有效的分辨有明显温差的高温物体,在实验所测温度范围内的测温绝对误差小于30 ℃,在测量误差小于20 ℃的置信区间内有98%正确率,优于一般系统需要保证目标发射率、大气透射率、环境等效辐射温度等复杂参数高精度的情况下2%的测温精度。该方法可以简单有效的对远距离目标测温,从而进一步拓展红外光谱遥测温度的应用领域。     

半导体粒子CdS的光学性质研究

采用DDA(discrete dipole approximation)方法对用于光催化制氢的半导体粒子的光学性质进行了研究,讨论了形状、尺寸等因素对放置在水中的CdS吸收效率的影响,选取的粒子形状有球形,圆柱形,正四面体,正三棱柱,长方体,正六角棱柱,发现粒子形状对局部表面等离子体共振峰的数目和共振波长有重要影响,而...     

High-fidelity image reproduction using angular distribution of reflected spectral intensity

A method to reproduce images of an object under various observation conditions is presented. In this method, a series of multispectral images is captured by rotating the object under a point light source of which spectral power distribution and the position are known. The captured images are decomposed into diffuse and specular reflection component images based on the dichromatic reflection and the Lambertian models. Next, the incident angle of the illumination light and the angle between viewing direction and regular reflection are calculated based on observation geometry. Finally, the image under observation geometry is synthesized using the light-ray rearrangement technique. The experiments are carried out using two-dimensional objects, leather and fabric. Most of the synthesized images are shown to be the same as the images actually captured under the assumed illumination geometry, even if the object has complex reflection like fabric for which it is difficult to apply the reflection model used in computer graphics.     

二元光学在光学观测轰炸瞄准中的应用研究

光学观测瞄准是大中型轰炸机主要的对地攻击瞄准方式,其光学系统一般采用望远式光学系统,这就要求光学系统能满足可见光和近红外光两个光谱波段。根据国内大中型轰炸机光学观测瞄准系统的主要缺陷,结合光学观测瞄准的实际,探讨了基于二元光学的光学观测系统的组成结构和瞄准原理,分析了可见光波段混合目镜的光学性能、谐衍射物镜的衍射效率以及近红外光波段光学系统的像质,推导了横偏棱镜调平误差引起的瞄准误差的数学表达式,并对设计的合理性进行了验证。     

地球同步轨道碎片观测图像分级检测方法

为了快速检测出地球同步轨道带光学观测图像中的空间碎片,提出了一种基于信噪比的分级检测方法.首先分析实测数据,得出观测图像中不同信噪比碎片运动相似的特性.对于高信噪比碎片,采取帧差法快速检测,并利用多帧图像计算速度信息;对于低信噪比碎片,根据高信噪比碎片检测结果得到的速度信息,采用改进的动态规划检测方法.实际图像检测结果表明:当递归方程的搜索窗口为5pixel×5pixel时,分级检测方法检测性能最好;当累积帧数大于5帧时,检测时间比传统动态规划方法减少了87%以上.分级检测方法具有检测率高、虚警率低、计算量小的优势,适合地球同步轨道带光学观测图像中空间碎片的检测.     

基于Kalman滤波算法的陀螺仪动态漂移补偿研究

应用MEMS陀螺仪测量人体手臂运动姿态时,针对陀螺仪受线加速度干扰导致测量姿态发散的问题,提出基于Kalman滤波算法的姿态误差补偿方法;该方法首先将陀螺仪采集到的角速度通过方向余弦算法解算得到姿态角,并将陀螺仪动态漂移造成的姿态角误差视为时变信号,通过建立姿态角漂移误差的状态方程及观测方程,应用卡尔曼滤波算法,实现对姿态角漂移误差的估计,最终达到对陀螺仪动态漂移误差的补偿;实验与仿真结果表明,应用该算法能够有效的抑制线加速度干扰导致的陀螺仪测量的姿态发散,适用于陀螺仪对人体手臂运动姿态的测量。