測(cè)量也是一門(mén)技術(shù)，對(duì)于不同的需求來(lái)說(shuō)測(cè)量技術(shù)也不一樣。本文是一篇工程專業(yè)發(fā)表論文范文，主要論述了低軌空間碎片角位置測(cè)量方法，更多論文范文可以參考月期刊咨詢網(wǎng)科技論文欄目。
　　摘要：本文針對(duì)小視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)低軌空間碎片的特點(diǎn)，提出基于絕對(duì)定位法的空間碎片角位置測(cè)量方法，為后續(xù)定軌分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。首先根據(jù)TLE(Two Line Elements)軌道根數(shù)進(jìn)行過(guò)境預(yù)報(bào)，選擇滿足晨昏條件和大氣條件的觀測(cè)窗口;其次，在時(shí)間窗內(nèi)使用望遠(yuǎn)鏡對(duì)空間碎片進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，獲取FITS圖像序列;然后，從圖像序列中檢測(cè)碎片光斑，提取質(zhì)心，計(jì)算其脫靶量;最后，利用觀測(cè)時(shí)的光軸指向，在地平坐標(biāo)系下計(jì)算空間碎片的方位、仰角，生成空間碎片在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中的運(yùn)行軌跡。圖像數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，本文方法能夠正確提取目標(biāo)光斑，能夠給出準(zhǔn)確的角位置測(cè)量結(jié)果。

　　關(guān)鍵詞：測(cè)量,角位置測(cè)量,絕對(duì)定位法,自適應(yīng)雙門(mén)限,低軌空間碎片,光電望遠(yuǎn)鏡

　　Abstract：Considering the characteristics of the small-field telescope observing space debris， the paper proposes an angular position measurement scheme for LEO space debris based on the absolute positioning method， which provides subsequent orbit determination and analysis. Firstly， make pass-through forecasting according to the orbital elements of TLE (Two Line Elements)and observing windows which satisfies twilight dark conditions and atmospheric transparent conditions; Secondly， during the time windows， use the telescope to make continuous observation of multiple space debris， obtain Fits image sequences， and record the optical axis direction in header file of Fits image; Then， detect the light spot of debris， extract the center of mass， and calculate the target-missing quality; Finally， take advantage of optic axis direction when observing to calculate the space debris’ azimuth and elevating angles and generate the curve of moving trajectory. The results of image processing denote that the proposed method can correctly extract the targeted bright spot and achieve accurate measurement of angular position.

　　Keywords：measurement; measurement of angular position; adaptive double-threshold; space debris in low earth orbit; optoelectronic telescope

　　1 引言

　　地球外圍空間存在大量人造天體，包括活動(dòng)目標(biāo)(人造衛(wèi)星、空間站、航天飛機(jī)、宇宙飛船等)和空間碎片 [1]。實(shí)際上，空間碎片短期內(nèi)無(wú)法清除，但通過(guò)不間斷監(jiān)測(cè)，持續(xù)進(jìn)行空間目標(biāo)定軌、編目和識(shí)別[2]，可以建立和維持完整的空間目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，最終實(shí)現(xiàn)早預(yù)警、早規(guī)避。相對(duì)于大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡，小視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡CCD圖像讀出時(shí)間短、伺服跟蹤延遲小，更加適合對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的LEO空間碎片的跟蹤測(cè)量[3][4]。通過(guò)高精度的軸系定位，完成對(duì)碎片的高精度測(cè)量和跟蹤，這種方法稱為軸系定位法(或者絕對(duì)定位法)[5]。

　　地基光電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)LEO空間碎片的流程包括FITS圖像獲取、目標(biāo)提取、角位置測(cè)量、分析與識(shí)別等內(nèi)容，本文的主要貢獻(xiàn)總結(jié)如下：

　　(1)提出基于自適應(yīng)雙門(mén)限的圖像分析方法，從FITS圖像中成功提取LEO空間目標(biāo)。

　　(2)提出基于灰度加權(quán)的LEO空間碎片角位置測(cè)量算法，提取LEO空間目標(biāo)的質(zhì)心并獲取其脫靶量，并使用軸系定位法計(jì)算LEO空間碎片的絕對(duì)位置，生成LEO空間碎片運(yùn)動(dòng)序列，提取角位置。

　　(3)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性。

　　2 基于自適應(yīng)雙門(mén)限的FITS圖像目標(biāo)提取

　　基于小視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡的LEO空間碎片觀測(cè)處理基本過(guò)程如圖1所示。本文的研究?jī)?nèi)容聚焦于第二部分，提出使用自適應(yīng)雙門(mén)限方法進(jìn)行圖像分割和目標(biāo)提取處理，鑒別目標(biāo)“光斑”。

　　2.1 基于自適應(yīng)雙門(mén)限與面積匹配的目標(biāo)提取與鑒別

　　本節(jié)設(shè)計(jì)了LEO空間碎片的目標(biāo)提取方案。在圖像獲取的基礎(chǔ)上，要從FITS圖像中獲取空間碎片光斑，需要對(duì)圖像依次進(jìn)行如下處理：分割圖像，消除噪聲，恢復(fù)光斑，獲取潛在目標(biāo)集，最終鑒別目標(biāo)，如下圖所示。

　　如果跟蹤丟失，則圖像中沒(méi)有目標(biāo)，只有背景噪聲;當(dāng)目標(biāo)在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)內(nèi)時(shí)，如果成像條件合適，目標(biāo)“光斑”明亮、飽滿，否則就黯淡、發(fā)散，如圖3所示;當(dāng)望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)內(nèi)同時(shí)存在背景目標(biāo)(主要是恒星)，出現(xiàn)多個(gè)“光斑”，則需要鑒別哪個(gè)屬于目標(biāo)“光斑” [6][7]。這就要求空間目標(biāo)提取算法具有較好的適應(yīng)性，既不能把成片的背景噪聲誤判為L(zhǎng)EO空間碎片，還要把LEO空間碎片從多目標(biāo)背景中鑒別出來(lái)。 　　3目標(biāo)角位置測(cè)量

　　在小視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡跟蹤觀測(cè)生成的FITS圖像序列，采用軸系定位法(絕對(duì)定位法)確定LEO空間碎片的角位置，其處理過(guò)程分為目標(biāo)脫靶量計(jì)算、相對(duì)位置轉(zhuǎn)換和絕對(duì)位置測(cè)量3個(gè)步驟。圖4描述了小視場(chǎng)地平式望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)位置關(guān)系，其中，O-XYZ是站心地平坐標(biāo)系，Oo’是望遠(yuǎn)鏡光軸指向，o’-xy是視場(chǎng)坐標(biāo)系，P點(diǎn)是目標(biāo)“光斑”質(zhì)心。

　　4測(cè)量數(shù)據(jù)分析

　　本文數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)1.3米地平式望遠(yuǎn)鏡跟蹤測(cè)量LEO空間碎片目標(biāo)生成的FITS圖像數(shù)據(jù)。該望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)為 ，CCD像素?cái)?shù)量為 ， 灰度圖像，跟蹤成像輸出間隔為200ms。在Visual Studio.Net 2008開(kāi)發(fā)環(huán)境中利用本文算法進(jìn)行角位置測(cè)量分析。

　　由于望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)區(qū)域的天光噪聲和CCD圖像的量化和讀出噪聲，角位置測(cè)量數(shù)據(jù)存在一定誤差，而誤差會(huì)影響后續(xù)的定軌分析精度，因此采用多項(xiàng)式擬合以濾除噪聲。圖6為利用五階擬合獲得的1號(hào)和2號(hào)目標(biāo)的角位置曲線，計(jì)算擬合方差，剔除 以外的野值數(shù)據(jù)，剔除結(jié)果如表4中的Interfered frames列所示。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　本文研究了LEO空間碎片F(xiàn)ITS圖像序列的分析處理方法，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的目標(biāo)提取和角位置測(cè)量。具體的，基于自適應(yīng)雙門(mén)限的目標(biāo)提取方法正確地區(qū)分了單目標(biāo)圖像、背景噪聲圖像和多目標(biāo)圖像，而前后幀目標(biāo)“光斑”的面積匹配保證了LEO目標(biāo)“光斑”從多目標(biāo)圖像中的正確提取。軸系定位法跟蹤測(cè)量的LEO空間碎片角位置曲線連續(xù)平滑，具有3分鐘以上的弧段長(zhǎng)度，因此能夠滿足后續(xù)的定軌分析需求。盡管基于地基光電望遠(yuǎn)鏡的LEO空間碎片觀測(cè)受晨昏條件、天氣條件的限制，其仍然是地基遠(yuǎn)程雷達(dá)的有效補(bǔ)充手段，能夠?qū)崿F(xiàn)LEO空間碎片的跟蹤監(jiān)測(cè)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]Klinkrad H. Space debris[M]. John Wiley & Sons Ltd， 2010.

　　[2]Huang J， Hu W， Ghogho M， et al. A novel signal processing approach for LEO space debris based on a fence-type space surveillance radar system[J]. Advances in Space Research， 2012， 50(11)： 1462～1472.

　　[3]Jindong Jiang， Jianxia Zhao. Recent advances in related standards of China’s space debris. Aerospace China， 2011， 3： 1～2.

　　蔣晉東，趙劍霞.中國(guó)空間碎片相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究現(xiàn)狀[J].中國(guó)航天，2011，3：1～2.

　　[4]Xue Dong. Research of space debris laser ranging system with high repetition frequency[D]. Changchun： Institute of optical precision machinery and physics. 2014.1～119.

　　董雪.高重復(fù)頻率空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春：光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2014. 1～119.

　　[5]Chunlai Li， Ziyuan Ouyang， Heng Du. Space debris and space environment[J]. Quaternary Sciences， 2002， 22(6)：1～12.

　　李春來(lái)，歐陽(yáng)自遠(yuǎn)，都亨.空間碎片與空間環(huán)境[J].第四紀(jì)研究，2002，22(6)：1～12.

　　[6]Schildknecht T， Musci R， Ploner M， et al. Optical observations of space debris in GEO and in highly-eccentric orbits[J]. Advances in Space Research， 2004， 34(5)： 901～911.
　　工程專業(yè)論文發(fā)表期刊推薦《南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》是理工科綜合性學(xué)術(shù)刊物，為中文核心期刊。我刊創(chuàng)辦于1977年，雙月刊國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行我刊及時(shí)發(fā)表最新科研成果論文，重點(diǎn)反映基礎(chǔ)理論、應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)，報(bào)道科技新動(dòng)態(tài)，內(nèi)容豐富，包括機(jī)械工程、電子工程、機(jī)電工程、材料科學(xué)與工程、應(yīng)用物理、應(yīng)用力學(xué)、財(cái)貿(mào)和管理等多學(xué)科與技術(shù)年至今的載文中，省部級(jí)以上國(guó)家基金資助項(xiàng)目等論文占1/3以上。

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