一种望远镜自主定向方法与流程

1.本发明属于空间目标观测技术领域，具体涉及一种望远镜自主定向方法。


背景技术：

2.望远镜在进行精密观测之前，必须进行方位方向基准的标定，确定方位零位，也就是定向。通常的做法是在望远镜周边架设多个方位标，通过测量已知大地坐标的方位标实现定向。在夜间利用北极星进行定向也是一种方案。但以上两种方案都具有一定的局限性，
3.对于地面机动望远镜，随着机动站布站位置的变化，跟随望远镜布设方位标的方案不能完全实现，给望远镜的使用带来了很多的不便，使观测无法顺利进行。在低纬度地区因不易观察到北极星也会导致定向失败。同时，对于望远镜精确站址不能提前得知的情况，以上两种方法均不能实现精确定向。
4.发明名称为《一种光电经纬仪快速自主定向的方法》提供了一种通过多颗恒星进行标定的方法，但该方法没有提供星图匹配的具体方法，同时该专利仅适用于观测站天文经纬度精确已知的情况，对于船载或运动测站等站址坐标不能精确得知的望远镜，无法使用该定向方法。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种可以全自动实现的望远镜自主定向方法，即使在机动望远镜天文经纬度未知的情况下也可实现。本方法通过获取天空图像、剔除非恒星目标、选取定标星、匹配标准星、望远镜视轴中心指向解算等步骤，可快速实现望远镜的自主定向。在剔除非恒星目标环节，通过长短曝光图像结合的方式，剔除了图像中的卫星、撞星和其他假目标情况，提高了匹配效率和准确性；在定标星选取环节，采用“回”形区域分区的方式确保了定标星之间的角距尽量大，以减少匹配冗余；在恒星匹配环节，通过角距进行第一轮匹配，有匹配冗余时，继续通过星等匹配进一步消除冗余。在望远镜视轴中心指向解算环节，在将定标星和标准星匹配后，通过已知定标星的理想坐标和像面坐标建立望远镜测量模型，在望远镜站址精确天文坐标未知的情况下，依然可以解算出望远镜视轴中心指向。
6.本发明的技术方案是：
7.一种望远镜自主定向方法，包括以下步骤：
8.s1、获取天空图像：望远镜指向一个天区静止不动，连续获取长曝光天空背景图像和短曝光天空背景图像，分别统计两张图像上所有目标的像元数、像面坐标、灰度值，并记录曝光中心时刻；
9.s2、剔除非恒星目标：
10.统计长曝光图像中像元数大于阈值的目标的像面坐标，在短曝光图像中扣除以上目标，可剔除图像中的卫星、撞星等目标，剩下恒星目标；
11.对比长曝光图像和短曝光图像，若短曝光图像中有目标的位置，但长曝光图像中该位置没有目标，在短曝光图像中扣除该目标，可剔除图像中的假目标；
12.s3、将短曝光图像分割成“回”形区域，按照星像的平均灰度从大到小在四个“一”字型区域中的三个区域各选择一颗星作为定标星，分别记为n1、n2、n3，三个定标星俯仰角从高到低依次为ξ1、ξ2、ξ3，根据定标星的像面坐标计算出三颗星两两之间的角距，为σ
12
、σ
23
、σ
13
；
13.s4、检索恒星星库中对应赤纬从高到低分别为ξ1′
、ξ2′
、ξ3′
的恒星作为标准星，构建出三个顶点分别位于纬度ξ1′
、ξ2′
、ξ3′
上的所有三角形，计算出三角形的角距，形成配对用标准数据库，设用于配对的恒星编号分别为m1、m2、m3，三颗星的理论角距依次排列为γ
12
、γ
23
、γ
13
；所述恒星星库的构建方式为：将设定纬度范围内的恒星，按照纬度区域增加的方式进行分区，在各纬度区域，按星等增加的方式排列，其中可以根据望远镜的视场调节星等，视场越大，星库中保留的恒星星等就越低，可以提高匹配效率；
14.对定标星和标准星进行按以下条件进行匹配，确定出三颗定标星对应的标准星：
15.条件1：
16.min(σ
12
、σ
23
、σ
13
)≥min(γ
12
、γ
23
、γ
13
) ∈117.max(σ
12
、σ
23
、σ
13
)≤max(γ
12
、γ
23
、γ
13
) ∈118.条件2：
[0019][0020][0021][0022]
其中，∈1是设定误差门限1，∈2是设定误差门限2；
[0023]
当符合要求的标准星超过一组时，根据星等进行再次匹配，将每组标准星按照星等从亮到暗排序，对应的赤纬分别为ξ
mmax
′
、ξ
mmid
′
、ξ
mmin
′
，对其两两做差，记录差值的正负性；对应的定标星按照星象平均灰度从高到低排序，对应的俯仰角分别为ξ
mmax
、ξ
mmid
、ξ
mmin
，对其两两做差，记录差值的正负性，两组记录正负性的数组完全一致时，认为匹配成功；匹配成功后，通过查询定标星对应标准星在星库中的数据，得出定标星的赤经、赤纬。
[0024]
s5、对于已知站点天文经纬度的测站，直接根据第i颗定标星的赤经、赤纬和地方时t求出定标星相对测站的理论方位角，再根据理论方位角和实测方位角之间的偏差δai对方位编码器进行置数，实现定向；对于站点精确天文经纬度未知的测站，先根据站址的地理经纬度粗略估算出一个零位，再根据望远镜的误差模型进行修正，得出望远镜的精确零位，具体为：
[0025]
根据测站粗略地理经纬度站址和第i颗定标星的赤经、赤纬(αi，δi)和地方时t粗略估算出测站中心点相对正北的偏差，为了提高精度，对多颗定标星的偏差值求平均值：
[0026][0027]
δai＝a
i-ai＇
[0028]
式中：ai＇、ai为第i颗定标星相对测站的理论方位角和实测方位角；
[0029]
计算得出定标星的理想坐标(xi，yi)：
[0030][0031][0032]
式中：(αi，δi)为第i颗定标星的赤经、赤纬，(α0，δ0)为视轴中心指向的赤经、赤纬，(a0、e0)为视轴中心对应的方位俯仰值，(ai、ei)为第i颗定标星对应的方位俯仰值；
[0033]
将定标星的理想坐标(xi，yi)代入六常数模型求出望远镜的测量模型，通过最小二乘法，求出望远镜中心偏差等误差：
[0034][0035]
式中：(xi，yi)为匹配成功的定标星的像面坐标，
[0036]
修正望远镜中心指向，实现精确定向a
0z
：
[0037]a0z
＝a0 δai a
[0038]
a0为视轴中心对应的方位，a为六常数模型系数a
[0039]
本发明的有益效果是：提供了一种可以全自动实现的机动望远镜自主定向的方法，即使在机动望远镜精确天文经纬度坐标未知的情况下也可实现，解决了船载、地面机动等机动布站望远镜的自主定向问题。
具体实施方式
[0040]
发明内容部分的方案即是本发明的最佳实施方式。
[0041]
本发明提供了一种可以全自动实现的望远镜自主定向方法，即使在机动望远镜天文经纬度未知的情况下也可实现。
[0042]
在剔除非恒星目标环节，通过长短曝光图像结合的方式，剔除了图像中的卫星、撞星和其他假目标情况，提高了匹配效率和准确性；
[0043]
在定标星选取环节，采用“回”形区域分区的方式确保了定标星之间的角距尽量大，以减少匹配冗余；
[0044]
在恒星匹配环节，根据地面站的特点，将定标星的纬度排列作为匹配的输入条件之一，提高了匹配效率。通过角距与星等结合两轮匹配方案，解决了匹配冗余的难题。
[0045]
在望远镜视轴中心指向解算环节，通过已知标准星的理想坐标和像面坐标建立望远镜测量模型，在望远镜站址精确天文坐标未知的情况下，依然可以解算出望远镜视轴中心指向。