[發(fā)明專利]一種多星圖融合的天文定位方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011147382.2
• 申請(qǐng)日: 2020-10-23
• 公開（公告）號(hào): CN112461231A
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周召發(fā);張志利;常振軍;劉先一;段輝;馮磊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍火箭軍工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C21/02
• 分類號(hào): G01C21/02
• 代理公司: 西安弘理專利事務(wù)所 61214
• 代理人: 燕肇琪

1.一種多星圖融合的天文定位方法，依賴于數(shù)字天頂儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)字天頂儀的硬件系統(tǒng)包括光學(xué)成像系統(tǒng)、高精度傾角儀及精密調(diào)平裝置；軟件系統(tǒng)包括星圖處理、天頂儀定位解算和傾角補(bǔ)償，其特征在于：包括構(gòu)建恒星的像點(diǎn)軌跡模型、多星圖的融合、融合星圖的定位三大步驟，具體如下：

步驟1：構(gòu)建恒星的像點(diǎn)軌跡模型

步驟1.1：通過方位旋轉(zhuǎn)的模式進(jìn)行星圖的拍攝，以掌握同一塊天區(qū)范圍映射到相鄰的若干幅星圖對(duì)同一顆恒星在不同星圖中分布規(guī)律，即恒星的像點(diǎn)軌跡；

步驟1.2：根據(jù)不同的數(shù)據(jù)信息定義不同的坐標(biāo)系；以光學(xué)主點(diǎn)為原點(diǎn)，光軸方向?yàn)閦_n軸，過測站點(diǎn)的天文北向?yàn)閥_n軸，定義基于右手準(zhǔn)則的坐標(biāo)系o-x_ny_nz_n；以CCD平面的兩相交直角邊為x、y軸，光學(xué)主點(diǎn)為原點(diǎn)，定義基于右手準(zhǔn)則的像平面坐標(biāo)系o-xy，兩坐標(biāo)系之間的夾角記為A；

步驟1.3：在像平面坐標(biāo)系中，設(shè)天區(qū)中某一恒星在CCD平面上的像點(diǎn)圖像坐標(biāo)為(x,y)，將其轉(zhuǎn)換至坐標(biāo)系o-x_ny_n中，相當(dāng)于坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)變換，則有：

x_n＝xcosA+ysinA

y_n＝y(tǒng)cosA-xsinA

(1)

步驟1.4：當(dāng)儀器方位旋轉(zhuǎn)φ角至另一方位拍攝星圖時(shí)，數(shù)字天頂儀工作時(shí)需要旋轉(zhuǎn)拍攝多幅星圖，以CCD平面的兩相交直角邊為x、y軸，光學(xué)主點(diǎn)為原點(diǎn)，定義基于右手準(zhǔn)則的像平面坐標(biāo)系o'-x'y'，以光學(xué)主點(diǎn)為原點(diǎn)，光軸方向?yàn)閦_n0軸，過測站點(diǎn)的天文北向?yàn)閥_n0軸，定義基于右手準(zhǔn)則的坐標(biāo)系o'-x_n0y_n0z_n0。此時(shí)，天區(qū)中同一恒星在CCD平面上的像點(diǎn)圖像坐標(biāo)為(x',y')，將其轉(zhuǎn)換至坐標(biāo)系o'-x_n0y_n0中，則有：

x_n0＝x'cos(A+φ)+y'sin(A+φ)

y_n0＝y(tǒng)'cos(A+φ)-x'sin(A+φ)

(2)

步驟1.5：建立數(shù)字天頂儀旋轉(zhuǎn)前拍攝星圖的恒星像點(diǎn)圖像坐標(biāo)(x,y)與旋轉(zhuǎn)后拍攝星圖的恒星像點(diǎn)圖像坐標(biāo)(x',y')之間的精確映射關(guān)系；地球自轉(zhuǎn)的角度θ≈15t，t表示星圖之間的時(shí)間間隔；拍攝星圖時(shí)儀器所處位置的天文緯度為δ₀，儀器的焦距為f。坐標(biāo)系o-x_ny_nz_n與坐標(biāo)系o'-x_n0y_n0z_n0之間的變換方式為：先繞x_n軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)δ₀角，之后繞y_n軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ角，再繞x_n軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)δ₀角；

在坐標(biāo)系o-x_ny_nz_n中，星光矢量方向?yàn)?x_n,y_n,-f)^T，將該矢量轉(zhuǎn)換至坐標(biāo)系o'-x_n0y_n0z_n0中，則有：

在坐標(biāo)系o'-x_n0y_n0z_n0中，星光矢量方向?yàn)?x_n0,y_n0,-f)^T。由于恒星離地球的距離非常遙遠(yuǎn)(距離地球最近的恒星與地球之間的距離約1.5億公里)，同一顆恒星到達(dá)地球的光完全可以看作是平行的，而不會(huì)引起較大誤差，結(jié)合式(3)，則有：

數(shù)字天頂儀拍攝兩幅星圖的間隔時(shí)間較短且儀器相對(duì)地球處于一個(gè)靜止的狀態(tài)，因此在該拍攝間隔內(nèi)，地球的自轉(zhuǎn)角度θ非常小，則有sinθ≈θ，cosθ≈1。對(duì)式(4)進(jìn)行化簡，可得：

x_n0＝x_n-y_nθsinδ₀+fθcosδ₀

y_n0＝y(tǒng)_n+x_nθsinδ₀

(5)

聯(lián)立式(1)、式(2)和式(5)可得：

x'＝x(cosφ-θsinδ₀sinφ)-y(sinφ+θsinδ₀cosφ)+fθcosδ₀cos(A+φ)

y'＝y(tǒng)(cosφ-θsinδ₀sinφ)+x(sinφ+θsinδ₀cosφ)+fθcosδ₀sin(A+φ)

(6)

式(6)即為同一顆恒星在圖像傳感器上成像的軌跡；

步驟1.6：數(shù)字天頂儀在旋轉(zhuǎn)拍攝的工作模式下，伺服機(jī)構(gòu)帶動(dòng)CCD平面整體旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致CCD平面跟著轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，把該角度考慮在內(nèi)，可得恒星像點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡為：

x′₀＝x₀(cosφ-θsinδ₀sinφ)-y₀(sinφ+θsinδ₀cosφ)+(fθcosδ₀cos(A+φ)+Δx′_r)

y′₀＝y(tǒng)₀(cosφ-θsinδ₀sinφ)+x₀(sinφ+θsinδ₀cosφ)+(fθcosδ₀sin(A+φ)+Δy′_r)

(7)

對(duì)式(7)進(jìn)行化簡，可得：

x′₀＝a₂x₀-b₂y₀+r₁

y′₀＝b₂x₀+a₂y₀+r₂

(8)

式中，a₂、b₂、r₁、r₂表示恒星像點(diǎn)的軌跡參數(shù)，且a₂＝cosφ-θsinδ₀sinφ，b₂＝sinφ+θsinδ₀cosφ，r₁＝fθcosδ₀cos(A+φ)+Δx′_r，r₂＝fθcosδ₀sin(A+φ)+Δy′_r，在r₁、r₂中包含了由恒星像點(diǎn)圖像坐標(biāo)誤差帶來的軌跡誤差；

步驟2：多星圖的融合

步驟1中已經(jīng)推導(dǎo)出了天區(qū)中同一顆恒星的像點(diǎn)在不同位置拍攝星圖中的運(yùn)動(dòng)軌跡，基于此，即可對(duì)多幅星圖進(jìn)行融合。首先，對(duì)不同星圖進(jìn)行圖像去噪、星點(diǎn)提取及匹配識(shí)別，以得到各星點(diǎn)的星表序號(hào)；然后依據(jù)星表序號(hào)挑選出不同星圖中的相同恒星，利用同一恒星在不同星圖中的圖像坐標(biāo)，以及公式(9)中的恒星像點(diǎn)軌跡運(yùn)動(dòng)模型：

通過上述模型，采用最小二乘法解算星圖之間像點(diǎn)轉(zhuǎn)換的恒星像點(diǎn)軌跡參數(shù)a₂、b₂、r₁、r₂，由此得到恒星的像點(diǎn)軌跡模型。求解出該模型之后，將星圖中其余恒星的圖像坐標(biāo)(x_e,y_e)代入上述模型中，則可計(jì)算出這些非共有恒星在其余星圖中的圖像坐標(biāo)，非共有星經(jīng)過模型轉(zhuǎn)換后，檢驗(yàn)其星點(diǎn)圖像坐標(biāo)是否符合如下條件，若符合，則予以保留：

|a₂x_e-b₂y_e+r₁|≤h

|a₂y_e+b₂x_e+r₂|≤h

(10)

利用恒星像點(diǎn)軌跡運(yùn)動(dòng)模型對(duì)所有的非共有星進(jìn)行進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則完成星圖的融合。其中，閾值h為CCD平面的邊長。

步驟3：融合星圖的定位，采用融合后星圖的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位解算。