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一种基于白昼星敏感器的红外恒星探测导航星表的建立方法

摘要

本发明涉及一种基于白昼星敏感器的红外恒星探测导航星表的建立方法,属于航空航天姿态敏感器设计技术领域。从2MASS天文星表中提取任一波段星等亮于或等于8等的恒星,并剔除冗余信息,形成用于交叉证认的基础星表;将得到的基础星表和校验星表的数据源,进行星表交叉认证;将星表交叉认证后的基础星表和校验星表的数据源进行数据融合,得到星表数据库;将得到的星表数据库进行文件格式整理建库;整理后的星表数据库包括主数据文件和数据索引文件;将得到的整理后的星表数据库的数据源进行仪器星等转换,建立仪器星等星表;对得到的仪器星等星表进行星表匀化,将匀化后的星表数据库生成白昼星敏感器导航星表。

著录项

  • 公开/公告号CN103884336A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2014-06-25

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 北京控制工程研究所;

    申请/专利号CN201410105860.1

  • 申请日2014-03-20

  • 分类号G01C21/02(20060101);G06F19/00(20110101);G06F17/30(20060101);

  • 代理机构11009 中国航天科技专利中心;

  • 代理人安丽

  • 地址 100080 北京市海淀区北京2729信箱

  • 入库时间 2024-02-20 00:02:49

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2016-08-24

    授权

    授权

  • 2014-07-16

    实质审查的生效 IPC(主分类):G01C21/02 申请日:20140320

    实质审查的生效

  • 2014-06-25

    公开

    公开

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于白昼星敏感器的红外恒星探测导航星表的建立方法, 属于航空航天姿态敏感器设计技术领域。

背景技术

星敏感器是以恒星作为测量目标的光学姿态敏感器,能够输出高精度的姿 态信息。星图识别是星敏感器的核心技术,建立导航星表是识别星图的重要前 提。目前星敏感器主要以夜晚工作为主,尚未解决白昼环境下的恒星观测问题。

在大气层内白天观测星光必然受到散射太阳光的影响,所能探测星等极限 值会因这些条件变化有很大差别。而红外波段的昼光天空辐射度比可见光要低 得多,在H波段和K波段的天空辐射度是I波段的1/6和1/8。另外,红外波段 的平均大气传输率更高,且在红外波段大气昏暗(如烟、雾和云)对星光的衰 减应比在可见光更低。因此,在红外波段,大气散射更低,透过率更高,观测 恒星概率高。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足,提供一种基于白昼星敏感器的 红外恒星探测导航星表的建立方法,解决了白昼环境下的恒星观测问题,大大 提高了短波红外恒星观测的概率,提高了星图识别成功率,使星敏感器具备大 气层内昼夜工作能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种基于白昼星敏感器的红外恒星探测导航星表的建立方法,步 骤如下:

(1)基础星表和校验星表的选择。选取2MASS天文星表和Hipparcos天文 星表作为白昼星敏感器星表数据库的基础星表和校验星表。

(2)基础星表和校验星表的输入。从2MASS天文星表中提取J(1.2μm)、 H(1.6μm)、Ks(2.2μm)波段任一波段星等亮于或等于8等的恒星,并剔除冗余信 息,形成用于交叉证认的基础星表。从Hipparcos天文星表中提取星等亮于或等 于8等的恒星,并剔除冗余信息,形成用于交叉证认的校验星表。基础星表和 校验星表中的信息应包括:多波段星等、星等误差、位置、自行、索引、光谱 型、双星标识、变星标识等。

(3)将基础星表(2MASS天文星表)和校验星表(Hipparcos天文星表) 的数据源,根据其某些属性(如位置、星名、星等)的相关性,进行星表交叉 认证;

星表数据交叉证认开始前,将2MASS天文星表和Hipparcos天文星表数据 分别存入数据库,转化为数据库表,每条表记录对应星表中一个源,每个表字 段对应星表的一个属性列;利用多级三角划分法,将天球划分成多级三角网格; 提取其中任一网格;从2MASS天文星表中读取所有属于该网格的源;若为空则 转到下一网格;若不为空,在从Hipparcos天文星表中读取所有属于该网格的源; 若为空则转到下一网格;若不为空,读取2MASS天文星表和Hipparcos天文星 表中源的位置信息,设置融合误差,将误差半径内的源认定为同一颗目标,同 时使用星等信息作为校验,进行数据证认,然后保存结果;全天球所有网格都 处理结束后,进行结果汇总,按照定义的恒星信息数据结构保存结果,并进行 入库管理,生成星表数据库,即星表数据交叉证认结束。

(4)将基础星表和校验星表的数据源进行数据融合,首先提取2MASS天 文星表(基础星表)中符合J(1.2μm)、H(1.6μm)、Ks(2.2μm)波段任一波段星 等亮于或等于8等条件的所有目标的恒星的位置、位置精度、星等信息、星等 精度、测光星等、测光精度和双星标识,来源标记(星等、位置)信息,然后 提取Hipparcos天文星表(校验星表)中恒星的自行、自行精度、三角视差、双 星标识、编号、来源标记(星等、位置)信息,进行数据融合。若融合成功, 则从2MASS天文星表中提取出符合J(1.2μm)、H(1.6μm)、Ks(2.2μm)波段任一 波段星等亮于或等于8等条件的所有目标的位置坐标和这3个波段的测光星等 及测光精度数据,形成星表基本数据库,再从Hipparcos天文星表中提取出该目 标的三角视差和自行信息,并加入星表基本数据库;若数据融合不成功,则基 本数据库中三角视差和自行项都取为“0”。最终,形成星表数据库,即数据融合 结束。

(5)对星表进行建库,将基础星表和校验星表进行数据融合后的星表数据 库进行文件格式整理建库。整理后的星表数据库由主数据文件、数据索引文件 构成。

(6)将星表数据库的数据源进行仪器星等转换,建立仪器星等星表。根据 白昼星敏感器的光谱响应特性,将星表数据库中的数据源作为输入,生成白昼 星敏感器的仪器星等星表,具体步骤如下:

查找星表数据库中数据源的光谱型,输入理论光谱曲线;将理论光谱曲线 与标准天文滤光片Johnson/Bessel滤光片系统中的各波段滤光片响应曲线卷积, 获得各个波段卷积后的光谱曲线x0;对卷积后获得的各波段下的理论光谱曲线 x0进行流量积分,获得各滤光片系统下该恒星的能量;然后拟合生成的各滤光 片系统下该恒星的能量与标准天文星等m的关系,拟合公式为:

m=-2.5logflux0+C0

式中C0为表征恒星距离、星际消光和星际红化的参数;利用计算获得的参数C0计算生成星表数据库中数据源的模拟光谱曲线x,计算公式为:

flux=flux0×10-0.4C0

将计算生成的模拟光谱曲线x与白昼星敏感器的光谱响应卷积,卷积后获得星 表数据库中数据源的真实光谱曲线x;然后对数据源的真实光谱曲线x进行积分, 得到白昼星敏感器光谱响应下的恒星能量;根据获得的恒星能量即可计算该恒 星的仪器星等m,计算公式为:

m=-2.5logflux

对星表数据库中的每个数据源进行仪器星等计算,即建立完成仪器星等星 表。

(7)对仪器星等星表进行星表匀化,将匀化后的星表数据库生成白昼星敏 感器导航星表。根据白昼星敏感器选定的视场和预期的导航星捕获概率确定白 昼星敏感器所需敏感的恒星亮度(即导航星的星等);根据确定的恒星亮度在仪 器星等星表中筛选导航星;筛选后再剔除星表中的双、变星;剔除星表中的双、 变星后再剔除密集星场;最后生成匀化后的星表数据库,星表匀化结束。经过 上述步骤,最终生成白昼星敏感器导航星表。

本发明与现有技术相比的优点在于:本发明克服现有技术的不足,建立了 一种白昼星敏感器专用的红外工作谱段恒星探测导航星表。通过采用2MASS红 外天文星表和Hipparcos天文星表作为白昼星敏感器星表数据库的基础星表和校 验星表,对基础星表和校验星表进行数据交叉认证和数据融合处理,并对星表 数据库进行仪器星等转换和星表匀化处理,生成一种白昼星敏感器的红外恒星 探测导航星表。解决了白昼环境下的恒星观测问题,大大提高了短波红外恒星 观测的概率,提高了星图识别成功率,通过星图获取、星图识别、信息处理完 成指向高精度确定,使星敏感器具备大气层内昼夜工作能力。本发明就是针对 白昼环境下的恒星观测问题发明的一种基于白昼星敏感器的导航星表,建立了 白昼星敏感器的专用红外工作谱段恒星探测导航星表。根据白天观测恒星的特 点,大大提高了短波红外恒星观测的概率,提高了星图识别成功率,使星敏感 器具备大气层内昼夜工作能力,为大气层内各种飞行器、船舶等平台提供天文 自主定向、导航服务。

附图说明

图1为本发明方法的流程图;

图2为本发明星表数据交叉认证流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示,为本发明方法的流程图。本发明一种基于白昼星敏感器的红 外恒星探测导航星表的建立方法主要包括以下几个步骤:基础星表和校验星表 的选择;基础星表和校验星表的输入;星表交叉认证;星表数据融合;对星表 进行建库;仪器星等转换,建立仪器星等星表;星表匀化,生成白昼星敏感器 导航星表。

下面分别对各主要步骤进行说明。

(1)基础星表和校验星表的选择。选取2MASS天文星表和Hipparcos天文 星表作为白昼星敏感器星表数据库的基础星表和校验星表。

2MASS天文星表:包含470,992,970颗点源目标的位置和测光信息的点源 星表,点源星表覆盖了99.997%的天空。

Hipparcos天文星表:共包含118,218颗星,其中11597颗星确定(或可能) 是变星,星表极限星等12.4等,V波段7.3-9.0等完备,测光精度0.0015等。

(2)基础星表和校验星表的输入。从2MASS天文星表中提取J(1.2μm)、 H(1.6μm)、Ks(2.2μm)波段任一波段星等亮于或等于8等的恒星,并剔除冗余信 息,形成用于交叉证认的基础星表。从Hipparcos天文星表中提取星等亮于或等 于8等的恒星,并剔除冗余信息,形成用于交叉证认的校验星表。基础星表和 校验星表中的信息应包括:多波段星等、星等误差、位置、自行、索引、光谱 型、双星标识、变星标识等。

(3)将基础星表(2MASS天文星表)和校验星表(Hipparcos天文星表) 的数据源,根据其某些属性(如位置、星名、星等)的相关性,进行星表交叉 认证,其步骤如图2所示:

星表数据交叉证认开始前,将2MASS天文星表和Hipparcos天文星表数据 分别存入数据库,转化为数据库表,每条表记录对应星表中一个源,每个表字 段对应星表的一个属性列;利用多级三角划分法,将天球划分成多级三角网格; 提取其中任一网格;从2MASS天文星表中读取所有属于该网格的源;若为空则 转到下一网格;若不为空,在从Hipparcos天文星表中读取所有属于该网格的源; 若为空则转到下一网格;若不为空,读取2MASS天文星表和Hipparcos天文星 表中源的位置信息,设置融合误差,将误差半径内的源认定为同一颗目标,同 时使用星等信息作为校验,进行数据证认,然后保存结果;全天球所有网格都 处理结束后,进行结果汇总,按照定义的恒星信息数据结构保存结果,并进行 入库管理,生成星表数据库,即星表数据交叉证认结束。

多级三角划分法:是一种多层次的、递归的球面分割方法,可将天球分成 多级三角网格,利用多级三角划分法可以将一个大星表从逻辑上分割为多个小 星表。

(4)将基础星表和校验星表的数据源进行数据融合,首先提取2MASS天 文星表(基础星表)中符合J(1.2μm)、H(1.6μm)、Ks(2.2μm)波段任一波段星 等亮于或等于8等条件的所有目标的恒星的位置、位置精度、星等信息、星等 精度、测光星等、测光精度和双星标识,来源标记(星等、位置)信息,然后 提取Hipparcos天文星表(校验星表)中恒星的自行、自行精度、三角视差、双 星标识、编号、来源标记(星等、位置)信息,进行数据融合。若融合成功, 则从2MASS天文星表中提取出符合J(1.2μm)、H(1.6μm)、Ks(2.2μm)波段任一 波段星等亮于或等于8等条件的所有目标的位置坐标和这3个波段的测光星等 及测光精度数据,形成星表基本数据库,再从Hipparcos天文星表中提取出该目 标的三角视差和自行信息,并加入星表基本数据库;若数据融合不成功,则基 本数据库中三角视差和自行项都取为“0”。最终,形成星表数据库,即数据融合 结束。

(5)对星表进行建库,将基础星表和校验星表进行数据融合后的星表数据 库进行文件格式整理建库。整理后的星表数据库由主数据文件、数据索引文件 构成。

主数据文件:以二进制文件形式存储各恒星的详细信息,包含1,345,631个 源,单星详细信息包括:赤经,赤纬,1σ位置误差椭圆半长径,1σ位置误差椭 圆半短径,视差,2MASS星表中名称,J波段星等,J波段星等误差,H波段 星等,H波段星等误差,Ks波段星等,Ks波段星等误差,J、H、Ks波段星等 获取方法标签,赤经自行,赤纬自行。主数据文件内部按照赤经增量排序。

索引文件:以ASCII码形式存储访问主数据文件的快速键值。通过该索引 可以快速定位主数据文件的内部区块,以便进行小范围查询。每个主数据文件 在该索引文件内对应一个区块,每个区块由180行数据组成,每一行数据对应2 度赤经范围。每行数据包含两项信息,两项信息之间以空格分隔。第一项为该 区域内第一颗星的索引位置,第二项为该区域内恒星的数量。索引位置从0起 算,步长为1。

(6)将星表数据库的数据源进行仪器星等转换,建立仪器星等星表。根据 白昼星敏感器的光谱响应特性,将星表数据库中的数据源作为输入,生成白昼 星敏感器的仪器星等星表,具体步骤如下:

查找星表数据库中数据源(赤经0.230581°,赤纬-30.0642°)的光谱型A0V, 输入理论光谱曲线;将理论光谱曲线与标准天文滤光片Johnson/Bessel滤光片系 统中的各波段滤光片响应曲线卷积,获得各个波段卷积后的光谱曲线x0;对卷 积后获得的各波段下的理论光谱曲线x0进行流量积分,获得各滤光片系统下该 恒星的能量;然后拟合生成的各滤光片系统下该恒星的能量与标准天文星等m 的关系,拟合公式为:

m=-2.5logflux0+C0

式中C0为表征恒星距离、星际消光和星际红化的参数;利用计算获得的参数C0计算生成星表数据库中数据源的模拟光谱曲线x,计算公式为:

flux=flux0×10-0.4C0

将计算生成的模拟光谱曲线x与白昼星敏感器的光谱响应卷积,卷积后获得星 表数据库中数据源的真实光谱曲线x;然后对数据源的真实光谱曲线x进行积分, 得到白昼星敏感器光谱响应下的恒星能量;根据获得的恒星能量即可计算该恒 星的仪器星等m为8.4153,计算公式为:

m=-2.5logflux

对星表数据库中的每个数据源进行仪器星等计算,即建立完成仪器星等星 表。

(7)对仪器星等星表进行星表匀化,将匀化后的星表数据库生成白昼星敏 感器导航星表。根据白昼星敏感器选定的视场和预期的导航星捕获概率确定白 昼星敏感器所需敏感的恒星亮度(即导航星的星等);根据确定的恒星亮度在仪 器星等星表中筛选导航星;筛选后再剔除星表中的双、变星;剔除星表中的双、 变星后再剔除密集星场;最后生成匀化后的星表数据库,星表匀化结束。经过 上述步骤,最终生成白昼星敏感器导航星表。该星表包含1,345,631颗近红外J、 H、Ks波段亮于8等的点源目标,测光精度好于0.05等,位置精度好于0.07"。 星表参考系为J2000.0平春分点平赤道坐标系,星表历元为2000.0。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

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