低轨空间目标光电观测与信息处理技术研究

摘要

空间碎片数量的急剧增加对空间活动和空间资产安全构成了潜在的安全威胁，低地球轨道（LEO）的空间碎片更加密集，所造成的危害更大。地基远程雷达是实施LEO空间目标监测的主要手段，地基光电望远镜可以提高低轨空间目标监测的弧段长度、可观测圈次等，是低轨空间目标监测的重要补充手段，可以提升低轨空间目标监视能力。中国科学院云南天文台的1.2m地平式光电望远镜在观测低轨空间碎片目标方面具有较大优势，本论文以其实测数据为基础，开展低轨空间目标光电监测数据处理分析方法研究。主要工作如下：
　　1 LEO空间目标运行角速度快，极易飞出视场，望远镜实测图像（FITS图像）中会出现目标不在视场内、目标图像拖尾等观测模糊问题，提出自适应双门限图像分割和目标提取方法，自动消除图像中大部分的噪声背景，自动区分目标光斑和背景光斑。
　　2 FITS图像中几乎没有背景恒星，无法采用相对定位法测量目标的角位置，提出基于灰度加权的LEO空间目标角位置测量方法，提取LEO空间目标的质心并获取其脱靶量，使用轴系定位法计算LEO空间目标的绝对位置，生成LEO空间目标运动序列。
　　3 针对 LEO空间目标运行速度快、难捕捉导致的角位置数据短弧段特点，基于上面计算得来的角位置数据，设计了稳健轨道确定方法。同时，考虑到异常数据的存在及其消极影响，设计了基于加权的异常值剔除方法。最终，通过将基于角位置测量得到的初轨根数与NASA公布的TLE轨道根数进行对比分析来评估角位置测量方法以及FITS图像处理方法。两个结果的高度吻合验证了FITS图像处理、角位置测量以及异常值剔除等方法的有效性。
　　本文是利用地基光电望远镜进行LEO空间目标监测的有益探索，设计了一套基本的图像数据分析处理软件，实现了高帧频FITS图像的自动化处理。实测数据分析表明，LEO空间目标的角位置测量精度在很大程度上决定了初轨确定的准确性，因此，测量数据误差达到一定精度范围以内才能满足初轨确定的要求，这也是后续数据分析的前提与基础。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容及组织结构

第二章 LEO空间目标观测与提取

2.1 引言

2.2 基于地基光电望远镜的空间碎片观测

2.3 基于自适应双门限的目标提取与鉴别

2.4 图像处理与结果分析

2.5 小结

第三章 基于地基光电望远镜的LEO空间目标角位置测量

3.1 引言

3.2 基于轴系定位法的角位置测量

3. 3 坐标转换

3.4 角位置测量结果分析

3.5 小结

第四章 LEO空间目标初轨确定与数据分析

4.1 引言

4.2 光学资料三点定轨方法

4.3 光学观测资料初轨确定

4.4 稳健的野值剔除算法

4.5 实验仿真与性能分析

4.6 小结

第五章 FITS图像处理软件设计与实现

5.1 引言

5.2 LEO空间碎片观测与目标提取的方法流程

5.3 演示软件的设计与实现

5.4 小结

结 束 语

致谢

参考文献

作者在硕士期间取得的学术成果