一种多星图融合的天文定位方法技术

本发明专利技术属于天文导航技术领域，涉及一种多星图融合的天文定位方法。依赖于数字天顶仪进行实验验证，数字天顶仪的硬件系统包括光学成像系统、高精度倾角仪及精密调平装置；软件系统包括星图处理、天顶仪定位解算和倾角补偿，其特征在于：包括构建恒星的像点轨迹模型、多星图的融合、融合星图的定位三大步骤。本发明专利技术同现有技术相比，采用这种方法进行定位可以在星图拍摄受到外部不确定因素的影响导致少量星图中存在着区域性星点缺失时，通过多星图融合，保证数字天顶仪具有较高的定位精度。保证数字天顶仪具有较高的定位精度。保证数字天顶仪具有较高的定位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种多星图融合的天文定位方法


[0001]本专利技术属于天文导航
，涉及一种多星图融合的天文定位方法。

技术介绍

[0002]数字天顶仪是由模拟天顶仪发展而来，其最大特点是能够精确测量出测站点的天文位 置，其在大地测量领域与天文导航领域有较多运用，其组成包括置平装置、高精度倾角仪 、CCD敏感元件等。德国的汉诺威大学首先研制出了便携式天顶仪系统，之后瑞士的苏 黎世理工学院等研究单位相继开展了相关研究。相比于国外，国内科研院所在数字天顶仪 方面的研究较晚，但发展速度较快，这主要得益于行业软、硬件水平的大幅提高。中科院 西安光学精密机械研究所涉足该领域的时间最早，也研究出了许多开拓性的成果，填补了 我国在数字天顶仪领域的空白，但其侧重点主要在理论分析上。我国首台数字天顶仪样机 的落地归功于中国科学院国家天文台与山东科技大学之间的强强合作，该样机于2011年 研制成功，其工作原理与设计思路基本与国外科研机构研发的数字天顶仪样机一致。该数 字天顶仪样机在重量、集成化水平和定位精度等重要指标上都保持着较高的水平，其定位 精度与德国研制的数字天顶仪不差上下。由刘先一等人于2015年发表在《大地测量与地 球动力学》35卷第4期的文章《球面三角形在数字天顶仪中的运用》及张华伟等人申请 的专利《数字天顶仪旋转轴解算方法》(专利技术专利申请号：201110406263.9)分别从不同 的角度研究了数字天顶仪的定位解算方法，但基于多星图融合的思想解算天文位置鲜有提 及。目前数字天顶仪上尽管集成了高精度倾角仪，但在工作之前仍需要进行精确置平；然 后，通过旋转拍摄的方式，结合授时系统得到视场内识别星点的天文坐标；接着，基于 GPS得到的测站点概略位置求解天球切平面坐标，进而采用多参数模型得到恒星CCD图 像坐标与切平面坐标之间的映射关系，由于几乎不可能正好存在一颗恒星通过天顶，所以 需要内插得到旋转轴指向的天文坐标；最后，借助于高精度倾角仪修正得到测站点铅垂线 方向对应的天文坐标。但是，上述的数字天顶仪天文定位方法在定位解算时还是会存在一 定的不足，拍摄时由于观测环境等因素的影响，使得少量星图中存在着区域性星点缺失的 状况，若不进行相关修正，则会导致最终的定位精度降低，无法满足数字天顶仪的精确定 位要求，因此，提出一种多星图融合的天文定位方法。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术目的在于，提供一种充分利用多幅星图中的 有效数据信息的多星图融合的天文定位方法，以降低由于单幅星图中有用数据过少而对定 位精度的影响。
[0004]现将本专利技术技术解决方案叙述如下：
[0005]本专利技术提出一种多星图融合的天文定位方法，依赖于数字天顶仪进行实验验证，数字 天顶仪的硬件系统包括光学成像系统、高精度倾角仪及精密调平装置；软件系统包括星图 处理、天顶仪定位解算和倾角补偿，其特征在于：包括构建恒星的像点轨迹模型、多星
图 的融合、融合星图的定位三大步骤，具体如下：
[0006]步骤1：构建恒星的像点轨迹模型
[0007]步骤1.1：通过方位旋转的模式进行星图的拍摄，掌握同一块天区范围映射到相邻的 若干幅星图对同一颗恒星在不同星图中分布规律，即恒星的像点轨迹；
[0008]步骤1.2：根据不同的数据信息定义不同的坐标系；以光学主点为原点，光轴方向为 z
n
轴，过测站点的天文北向为y
n
轴，定义基于右手准则的坐标系o
‑
x
n
y
n
z
n
；以CCD平面的 两相交直角边为x、y轴，光学主点为原点，定义基于右手准则的像平面坐标系o
‑
xy，两 坐标系之间的夹角记为A；
[0009]步骤1.3：在像平面坐标系中，设天区中某一恒星在CCD平面上的像点图像坐标为 (x,y)，将其转换至坐标系o
‑
x
n
y
n
中，相当于坐标系间的旋转变换，则有：
[0010][0011]步骤1.4：当仪器方位旋转φ角至另一方位拍摄星图时，数字天顶仪工作时需要旋转 拍摄多幅星图，以CCD平面的两相交直角边为x、y轴，光学主点为原点，定义基于右手 准则的像平面坐标系o'
‑
x'y'，以光学主点为原点，光轴方向为z
n0
轴，过测站点的天文北向 为y
n0
轴，定义基于右手准则的坐标系o'
‑
x
n0
y
n0
z
n0
。此时，天区中同一恒星在CCD平面上 的像点图像坐标为(x',y')，将其转换至坐标系o'
‑
x
n0
y
n0
中，则有：
[0012][0013]步骤1.5：建立数字天顶仪旋转前拍摄星图的恒星像点图像坐标(x,y)与旋转后拍摄星 图的恒星像点图像坐标(x',y')之间的精确映射关系；地球自转的角度θ≈15"t，t表示星 图之间的时间间隔；拍摄星图时仪器所处位置的天文纬度为δ0，仪器的焦距为f。坐标系 o
‑
x
n
y
n
z
n
与坐标系o'
‑
x
n0
y
n0
z
n0
之间的变换方式为：先绕x
n
轴逆时针旋转δ0角，之后绕y
n
轴 逆时针旋转θ角，再绕x
n
轴顺时针旋转δ0角；
[0014]在坐标系o
‑
x
n
y
n
z
n
中，星光矢量方向为(x
n
,y
n
,
‑
f)
T
，将该矢量转换至坐标系o'
‑
x
n0
y
n0
z
n0
中，则有：
[0015][0016]在坐标系o'
‑
x
n0
y
n0
z
n0
中，星光矢量方向为(x
n0
,y
n0
,
‑
f)
T
。由于恒星离地球的距离非常 遥远(距离地球最近的恒星与地球之间的距离约1.5亿公里)，同一颗恒星到达地球的光 完全可以看作是平行的，而不会引起较大误差，结合式(3)，则有：
星经过模型转换后，检验其星点图像坐标是否符合如下条件，若符合，则予以保留：
[0032][0033]利用恒星像点轨迹运动模型对所有的非共有星进行进行转换，则完成星图的融合。其 中，阈值h为CCD平面的边长。
[0034]步骤3：融合星图的定位，采用融合后星图的数据进行定位解算。
[0035]本专利技术同现有技术相比，采用这种方法进行定位可以在星图拍摄受到外部不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多星图融合的天文定位方法，依赖于数字天顶仪进行实验验证，数字天顶仪的硬件系统包括光学成像系统、高精度倾角仪及精密调平装置；软件系统包括星图处理、天顶仪定位解算和倾角补偿，其特征在于：包括构建恒星的像点轨迹模型、多星图的融合、融合星图的定位三大步骤，具体如下：步骤1：构建恒星的像点轨迹模型步骤1.1：通过方位旋转的模式进行星图的拍摄，以掌握同一块天区范围映射到相邻的若干幅星图对同一颗恒星在不同星图中分布规律，即恒星的像点轨迹；步骤1.2：根据不同的数据信息定义不同的坐标系；以光学主点为原点，光轴方向为z
n
轴，过测站点的天文北向为y
n
轴，定义基于右手准则的坐标系o
‑
x
n
y
n
z
n
；以CCD平面的两相交直角边为x、y轴，光学主点为原点，定义基于右手准则的像平面坐标系o
‑
xy，两坐标系之间的夹角记为A；步骤1.3：在像平面坐标系中，设天区中某一恒星在CCD平面上的像点图像坐标为(x,y)，将其转换至坐标系o
‑
x
n
y
n
中，相当于坐标系间的旋转变换，则有：x
n
＝xcosA+ysinAy
n
＝ycosA
‑
xsinA(1)步骤1.4：当仪器方位旋转φ角至另一方位拍摄星图时，数字天顶仪工作时需要旋转拍摄多幅星图，以CCD平面的两相交直角边为x、y轴，光学主点为原点，定义基于右手准则的像平面坐标系o'
‑
x'y'，以光学主点为原点，光轴方向为z
n0
轴，过测站点的天文北向为y
n0
轴，定义基于右手准则的坐标系o'
‑
x
n0
y
n0
z
n0
。此时，天区中同一恒星在CCD平面上的像点图像坐标为(x',y')，将其转换至坐标系o'
‑
x
n0
y
n0
中，则有：x
n0
＝x'cos(A+φ)+y'sin(A+φ)y
n0
＝y'cos(A+φ)
‑
x'sin(A+φ)(2)步骤1.5：建立数字天顶仪旋转前拍摄星图的恒星像点图像坐标(x,y)与旋转后拍摄星图的恒星像点图像坐标(x',y')之间的精确映射关系；地球自转的角度θ≈15"t，t表示星图之间的时间间隔；拍摄星图时仪器所处位置的天文纬度为δ0，仪器的焦距为f。坐标系o
‑
x
n
y
n
z
n
与坐标系o'
‑
x
n0
y
n0
z
n0
之间的变换方式为：先绕x
n
轴逆时针旋转δ0角，之后绕y
n
轴逆时针旋转θ角，再绕x
n
轴顺时针旋转δ0角；在坐标系o
‑
x
n
y
n
z
n
中，星光矢量方向为(x
n
,y
n
,
‑
f)
T
，将该矢量转换至坐标系o'
‑
x
n0
y
n0
z
n0
中，则有：
在坐标系o'
‑
x
n0
y
n0...

【专利技术属性】
技术研发人员：周召发，张志利，常振军，刘先一，段辉，冯磊，
申请(专利权)人：中国人民解放军火箭军工程大学，
类型：发明
国别省市：