空间目标共视观测定位的误差分析

通过两台光电望远镜对空间目标共视观测能够定位空间目标,并且能够解决光电望远镜短弧测角数据的初轨确定问题,但其定位精度与空间目标和两台光电望远镜所形成的观测几何有关。首先对空间目标共视观测定位误差进行分析,然后推导其均方根误差的解析表达式,最后基于长春站和上海佘山站并结合不同轨道高度的低轨激光星CPF(Consolidated Prediction Format)星历生成仿真共视观测数据,用来对空间目标共视观测定位以及定轨精度进行分析。结果表明,两台光电望远镜对低轨空间目标的定位精度能够达到100 m,利用定位数据进行初轨确定可以得到轨道的半长轴误差小于10 km。     

空间目标共视观测定位的误差分析

合成孔径激光雷达具有成像分辨率与探测距离无关的特点。与微波相比,激光波长至少小3个数量级,因此能实现更高分辨率的成像,但是波长更短时成像更容易受系统自身引入的相位误差的影响,从而导致成像模糊。为了消除该误差对成像的影响,提出采用光学锁相环(OPLL)技术抑制编码合成孔径激光雷达的系统随机相位噪声。在发射端,激光信号经编码信号驱动的电光调制器调制后用于探测目标;在接收端,对接收到的回波信号与本振光进行正交解调。所提出的基于OPLL的编码合成孔径激光雷达工作在1550 nm波段,调制带宽为1.25 GHz,脉冲重复频率最高可达1.2 MHz/s。实验结果表明,在没有OPLL时,系统随机相位波动大于100 rad,采用OPLL后,系统内部相位稳定度优于0.1 rad,大幅度提高了系统自身的相位稳定度和方位向合成成像精度。     

一种适用于相机阵列的空间目标初轨确定方法

结合单位矢量法的优点,提出一种适用于相机阵列的空间目标初轨确定(IOD)方法,并给出新的条件方程和具体流程。使用实验室搭建的相机阵列系统对某空间目标进行跟踪,并对帧频为25Hz、时长为5min的实测数据进行处理和分析,得到该空间目标在不同观测时长下的IOD结果,并以轨道半长轴的测定精度为主要指标进行精度分析。实验结果表明,在同一观测时长下,所提方法能有效减小IOD误差,提高IOD的可靠性。     

相机阵列在空间目标初轨确定中的应用

将由商业相机组成的相机阵列应用于空间目标的初轨确定。介绍了相机阵列的系统概况,结合相机阵列的技术特点,从空间目标探测能力、定位精度、初轨确定算法改进三方面分析了将相机阵列应用于空间目标初轨确定的可行性,提供了主要流程,进行了实验验证。实验结果初步展示了相机阵列系统在提高极限探测星等和初轨确定精度方面的能力。     

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.     

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。     

多站观测空间目标可见光散射特性及相关性分析

鉴于空间目标的光散射特性对目标的探测、跟踪与识别等空间突防技术具有十分重要的应用价值,利用双向反射分布函数(BRDF)将光辐射的入射照度和目标的散射亮度联系起来,结合目标的几何建模与轨道理论,计算出某时刻在东北3站观测风云卫星可见光散射亮度变化情况, 其峰值随时间依次达到或接近于75×10-3 W/cm2·sr,而新疆阿勒泰散射亮度在东北3站达到峰值时只有375×10-3 W/cm2·sr,得出东北3站点卫星光散射亮度趋势相似,只是由于纬度差异使变化趋势在时间上有所延迟,而在与之经度有很大差别的新疆地区的阿勒泰站点的亮度变化趋势则有很大不同。该方法已经在获取空间目标更多信息选择多站观测中取得应用。     

多站观测空间目标可见光散射特性及相关性分析

鉴于空间目标的光散射特性对目标的探测、跟踪与识别等空间突防技术具有十分重要的应用价值,利用双向反射分布函数（BRDF）将光辐射的入射照度和目标的散射亮度联系起来,结合目标的几何建模与轨道理论,计算出某时刻在东北3站观测风云卫星可见光散射亮度变化情况, 其峰值随时间依次达到或接近于7.510-3 W/cm2sr,而新疆阿勒泰散射亮度在东北3站达到峰值时只有3.7510-3 W/cm2sr,得出东北3站点卫星光散射亮度趋势相似,只是由于纬度差异使变化趋势在时间上有所延迟,而在与之经度有很大差别的新疆地区的阿勒泰站点的亮度变化趋势则有很大不同。该方法已经在获取空间目标更多信息选择多站观测中取得应用。     

基于卫星共视法的电网时频测量及同步技术

时间同步对电网的安全和管理有着重要影响,如何准确可靠地同步电网时间值得研究。为此,提出利用卫星共视技术进行电网时间频率的远程校准、进而实现电网时间同步的方法。首先,提出电力系统的四级时间频率溯源体系,明确了电网时间频率溯源关系。其次,研究建立了可以满足卫星共视要求的时间频率计量标准装置,依托标准装置,将卫星共视技术应用于电力系统时间频率远程校准中,利用卡尔曼滤波算法去除干扰,并分析了基于卫星共视技术的电网时间频率同步方法。为定量评价提出方法的有效性,研究了采用提出的方法进行溯源时的时间不确定度和频率不确定度。实验及分析结果表明,提出的方法可以实现时间频率量值的高精度远程传递,从而保障电力系统中的时间同步。     

空间目标天文定位方法及观测分析

研究并分析了一种加权最小二乘曲面法,将其用于空间目标天文观测,该方法不仅简单方便,而且还能够用于高准确度、大数据量的天文定位.通过实际星空观测,对连续拍摄的星图进行分析计算,结果表明,拟合均方误差在赤经和赤纬方向均优于4″.赤纬的定位准确度高于赤经的定位准确度,在赤经与赤纬方向上的最大定位误差分别为5.13″和1.74″.该方法降低了恒星位置误差对观测结果的影响,剔除了定标星的偶然匹配误差,提高了观测数据的利用率以及天文定位准确度,在实际工作中有较高的应用价值.     

基于TOF相机的空间非合作目标位姿测量方法

针对空间非合作目标近距离交会对接时较难获取精确位姿的问题,提出一种高效可靠的基于TOF(time-of-flight)相机的空间非合作目标位姿测量方法.利用TOF相机灰度图可存储光强的特点,用回光反射材质圆点标定板,提高了相机标定精度;基于边缘弧段组合的椭圆检测法计算目标表面对接环内外侧椭圆参数;基于局部阈值的区域生长法对深度图像进行连通域分析,通过面积、长宽比等约束提取出目标表面接插件;利用对接环与接插件建立目标坐标系并解算其在相机坐标系下的三轴位置与姿态角.搭建地面验证系统,通过对比本文方法与ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)方法4组100帧图像的实验结果,验证了该方法的鲁棒性与测量精度的准确性,说明TOF相机在非合作目标位姿测量领域具有广阔的前景.     

Stratification of the Generalized Gauge Orbit Space

Different versions for defining Ashtekar's generalized connections are investigated depending on the chosen smoothness category for the paths and graphs – the label set for the projective limit. Our definition covers the analytic case as well as the case of webs. Then the action of Ashtekar's generalized gauge group on the space of generalized connections is investigated for compact structure groups G. Here, first, the orbit types of the generalized connections are determined. The stabilizer of a connection is homeomorphic to the holonomy centralizer, i.e. the centralizer of its holonomy group. It is proven that the gauge orbit type of a connection can be defined by the G-conjugacy class of its holonomy centralizer equivalently to the standard definition via -stabilizers. The connections of one and the same gauge orbit type form a so-called stratum. As the main result of this article a slice theorem is proven on . This yields the openness of the strata. Afterwards, a denseness theorem is proven for the strata. Hence, is topologically regularly stratified by . These results coincide with those of Kondracki and Rogulski for Sobolev connections. Furthermore, the set of all gauge orbit types equals the set of all (conjugacy classes of) Howe subgroups of G. Finally, it is shown that the set of all gauge orbits with maximal type has the full induced Haar measure 1. Received: 12 January 2000 / Accepted: 8 May 2000     

空间目标光谱特性研究进展

空间目标光谱是空间目标光学特性的本质体现,能够反映空间目标的材质属性,通过将实验室测量的材质光谱与实测空间目标光谱进行匹配处理,可以识别目标的材质类型,有助于分析空间目标的类型及工作状态。针对空间目标光谱测量及材质信息反演问题,研究空间目标光谱形成原理、反演方法及红化效应等问题。结合空间目标的固体光谱特点,分析了振动光谱、电子光谱对350~2 500 nm谱段的贡献。对基于空间目标光谱开展目标材质识别的三种常用方法进行了概括,即人工神经网络法、粒子群优化法和频谱解混法,对常用的反射率及其导数、中心位移等特征参数进行了分析。研究了空间目标光谱的红化效应,指出红化效应是由部分氧化物进入空间后出现脱氧效应所致。部分含氧元素的空间目标材质进入空间后会出现氧元素从材质表面脱离的现象,脱氧后的材质会与空间环境中的污染物结合形成松散的化学键,此类化学键更易吸收长波波段的光能量,且波长越长越易被吸收,从而导致反射率斜率随波长增加而上升的红化效应。在极端空间环境的持续作用下,空间目标表面材质会出现化学变化、物理变化等老化问题,通过光谱观测能够对材质的老化情况进行分析,为及时修复现有卫星、补发替换卫星提供依据。     

空间点目标光谱探测与特征识别研究进展

光学观测是空间目标识别的重要手段,由于探测距离远,视场中的空间目标多呈现为非分辨的点目标。相比于传统的定轨测量和光度测量,光谱探测提供了波长维的可分辨信息,极大的提升了目标表面材质判别能力,并为目标状态反演提供了更可靠的依据,极具应用潜力。介绍了近年来国内外学者在空间点目标光谱探测及特征识别方面的典型研究进展,依据主要研究方法,分为多通道测光探测、高光谱探测、实验室光谱特性测量、目标特性建模仿真四个方向。其中,多通道测光获得了低光谱分辨率的测量数据,是常用的广域空间目标分类判别手段;高光谱探测研究反射能量在波长维的精细分布,有助于反演重点目标的材质组成;实验室光谱特性测量可在受控条件下模拟目标探测的物理过程,提供材质光谱特性数据库;目标特性建模仿真则对物理属性抽象特征化,研究目标光谱变化过程。通过分析国内外研究成果,总结当前研究的能力与不足,提出几点研究思路,为后续研究开展提供参考。     

Experimental Determination of the Useful Reflection Coefficient of Non-Cooperative Targets for a Time-of-Flight Laser Rangefinderx

An experimental verification of the reflection properties of non-cooperative targets for a time-of-flight laser rangefinder is proposed. Indeed, knowing the light scattering physical properties of usual targets is necessary to determine the optical power budget of such a device. The useful reflection coefficient (RC) is contained at between 0.6 and 0.7 at the wavelength λlD (=820 nm), polar diagrams presenting almost a lambertian shape for incident angles lower than 60°. The useful RC thus corresponds to the value of the lambertian RC increased by the contribution of the specular RC.Presented at the 7th International Workshop on Multiple Scattering Lidar/Light Experiments (MUSCLE7). July 21–23 1994, Chiba, Japan.     

星光掩星探测技术的轨道模拟结果分析

星光掩星技术是利用恒星光谱进行地球及其他行星大气痕量成分密度、温度、气溶胶等测量的有效手段。该探测原理主要是根据不同的大气成分在恒星光谱的不同位置上表现出不同的吸收特征,具体表现在:紫外波段可进行臭氧、氧气、氢气等的测量,可见光谱段可探测二氧化氮、三氧化氮、氧气等,红外可探测水蒸气、气溶胶、甲烷、二氧化碳、氧气等。星光掩星的实现过程为:当LEO卫星和恒星分别位于地球的两侧时,恒星发射的光经过地球大气的吸收、散射等作用,被另一侧的LEO所接收,即构成掩星观测。根据光谱流量得到恒星的视星等范围,给出恒星在天球坐标系中的分布和不同的光谱型,以及利用各光谱型可探测的大气成分,再利用恒星和LEO卫星在地固坐标系中的相对位置,进行恒星-LEO星光掩星轨道观测模拟,基本流程为:首先读取LEO卫星的轨道位置以及目标恒星的位置,设置24 h的模拟时间,其次判断是否处于掩星状态,当掩星开始时,计算并输出掩星发生的经纬度、速度等,直至模拟时间结束。其中涉及恒星从天球坐标系转换到地固系的过程, LEO卫星轨道、掩星切点经纬度等的计算。根据模拟流程,计算并分析掩星事件的日观测量、全球分布、持续时间以及漂移速度等,得到以下结果:(1)目标恒星在全天区都有一定数量的分布且具有不同的光谱型,可进行臭氧、二氧化氮等成分的探测;(2)在对星光掩星进行24 h的轨道模拟过程中,日观测量为5 563次,其中包括2 737次上升掩星, 2 826次下降掩星;(3)从全球分布来看,掩星事件主要分布在低纬度,两极最少,其他纬度数量相当,且经度方向分布均匀;(4)根据方位角的分布,正常掩星占比为78.25%,持续时间平均为1.5 min,切点水平漂移在18~600 km;(5)21.75%的侧面掩星事件,其较正常掩星来说,持续时间长,切点的水平漂移速度大,方位角变化也大。该结果为卫星轨道设计和探测载荷设计提供理论指导。     

基于微扰近似的圆锥表面光散射

由Hueygen原理出发,介绍了粗糙表面的光散射特性.基于微扰近似,在不考虑遮蔽效应和圆锥顶点的散射情况下,分析了圆锥物体的光散射特性,推导了圆锥物体对平面光的散射场解析表达式.计算了圆锥表面在高度起伏均方根不同情况下对1.06μm光波的散射,并且得到了入射角一定的情况下,不同观察方向的散射光强分布曲线.结果表明,在观察方位角不变时,圆锥的散射光强随观察角顶角的增加先增大后减小;在观测方位角一定时,散射光强随高度起伏均方根的增加而减小,且随观察方位角呈对称分布.     

基于微扰近似的圆锥表面光散射*

由Hueygen原理出发,介绍了粗糙表面的光散射特性.基于微扰近似,在不考虑遮蔽效应和圆锥顶点的散射情况下,分析了圆锥物体的光散射特性,推导了圆锥物体对平面光的散射场解析表达式.计算了圆锥表面在高度起伏均方根不同情况下对1.06μm光波的散射,并且得到了入射角一定的情况下,不同观察方向的散射光强分布曲线.结果表明,在观察方位角不变时,圆锥的散射光强随观察角顶角的增加先增大后减小|在观测方位角一定时,散射光强随高度起伏均方根的增加而减小,且随观察方位角呈对称分布.     

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.