[发明专利]一种基于非负矩阵分解的空间碎片材料分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及载人航天实施空间监测技术领域，尤其是一种空间碎片材料分析方法。

背景技术

自1957年10月前苏联发射首颗人造地球卫星以来，人类几十年的空间探索活动产生了大量的空间碎片，对人类航天活动的安全造成严重威胁，成为空间环境的主要污染源，并在一定程度上对航天活动的正常开展产生了影响。

随着中国的经济发展以及国家安全的需要，航天空间活动将愈来愈多，并在不久的将来，对应用卫星的需求更可能大增。这些应用卫星与国民经济关系密切，一旦受损，社会影响、经济影响巨大，甚至危及国家安全。而这些卫星运行区域大都分布在低轨道，处于空间碎片密集区域，受碰撞损伤的威胁很高。同时，持续开展载人航天活动、建立永久的有人值守轨道空间站，将会是中国航天事业发展的必然趋势。可以预期，对载人航天实施空间监测、预警也会成为中国航天不可回避的事实，在这样的背景下，对空间碎片的观测技术进行研究，具有重要的现实意义和研究价值。

传统空间碎片测量以位置信息测量为主，包括碎片的三维位置坐标、速度、加速度等参数,可衍生出各类地球轨道参数。为了提高碎片的监测预警能力,对测量系统除了要求获得其位置信息之外,更需要获得碎片的特征信息，如碎片的形状、体积、表面材料参数等特征信息，它对空间监测、预警尤为重要。

人造天体碎片的大小、形状、材料类别的确定，对于空间环境监测和预警至关重要。光谱测量技术是天体碎片分析的一种重要方法，人造天体碎片一般本身并不发光，其亮度来自太阳光的反射,仅由亮度变化不足以分辨碎片的材料组成，分析其光谱特征成为我们辨认碎片类别的主要手段。

在地基(地面观测站)条件下，光谱仪所获取光谱由碎片材料成分、太阳光谱、地球大气吸收谱，以及测量过程中产生的噪声等因素综合决定，因而由光谱推断碎片种类并没有一个解析解。

空间碎片的测量有雷达测量和光学测量，雷达测量可以克服天气、太阳和及地影的影响，能全天候全天时工作，但由于雷达测量时，其反射回波信号的强度与距离的四次方成反比，因而雷达测量比较适合于低地球轨道的小碎片；另外雷达测量需要发射信号，属于主动探测形式，这在某些情形下可能不合适。

而对于无源光学测量，信号反射强度与物体的距离的平方成反比，因而能探测高轨道碎片，另外它仅接收碎片对太阳光的反射，属于被动探测形式，可较好的适合于某些特殊场合。

基于光谱数据对碎片材料进行分析，所观测的碎片光谱是多种材料光谱的混合，而材料光谱的混合机制仍很复杂，它与碎片的姿势、材料组成、光照条件、观测角度等因素有关，甚至真空环境、辐照强度、材料老化都会改变混合谱形态，这使得由混合谱计算材料谱及混合比例成为一个典型的病态问题，并没有一个解析解。

发明内容

为了克服已有空间碎片材料分析方法的无法适用于深空环境、准确性较差的不足，本发明提供一种有效适用于深空环境、准确性较好的基于非负矩阵分解的空间碎片材料分析方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于非负矩阵分解的空间碎片材料分析方法，包括如下步骤：

步骤1，碎片光谱数据采集；

利用地基望远镜和无狭缝光栅，采集碎片光谱数据；

步骤2，光谱数据预处理；

(2.1)截去光谱两端高噪声波段：

将所测得的可见光波段[403-779]纳米，截去两端高噪声波段，剩下波长范围为[479-729]纳米；

(2.2)阈值化：

采用阈值化处理：

其中，f(x)为阈值化函数，选取阈值Th，若光谱数据x大于该阈值，则设置该项数据为所选择的阈值Th；若光谱数据x小于0，则设置该值为0；其它情形，保持不变；

(2.3)例外点去除

取同一圈次中观测所得的光谱数据，计算各光谱间的欧氏距离，并求得欧氏距离的均值和标准差δ；计算每条光谱与同一圈次中其它光谱间的欧氏距离，并求其均值i为光谱序号，若则将第i条光谱作为例外点去除；

步骤3，非负矩阵分解；

给定非负矩阵(m行，n列矩阵)，寻找非负矩阵因子(m行，r列矩阵)和(r行，n列矩阵)，使得V≈WH；其中表示矩阵元素为非负实数，r为分解得到的基矢量个数，

为评估近似性能，给出代价函数及其相应迭代更新规则：

广义K_L散度：

其中α,μ,i,j,k,ν为矩阵元素的下标，Σ表示求和；

步骤4，碎片材料谱辨认；