[发明专利]利用三视场单焦面光学望远镜测定地球定向参数的方法

权利要求书

1.一种利用三视场单焦面光学望远镜测定地球定向参数的方法，其特征在于，在光学望远镜前安装一个具有三个反射面的反射镜，三个反射面两两之间的夹角为135度，光学望远镜的单个镜筒接收来自三个不同天区恒星的光线，并成像于同一个焦面探测器上，最终同时获取三个不同视场的恒星图像，通过对三个不同视场的恒星图像进行数据处理，用来测定地球定向参数，具体包括如下步骤：

(1)星象提取；利用图像处理技术处理获取的三个不同视场的恒星图像，从恒星图像中提取星象；

星象提取的具体步骤为：

步骤1.1)通过全局阈值法将恒星图像中的星点目标与星图背景进行分割；

步骤1.2)通过特征融合的方法突显星点像素，所用的特征为局部灰度最大值与局部对比度均值反差；

步骤1.3)提取星点目标所有像素，获得星象；

(2)不同视场的分离；对于多视场望远镜观测图像中不同天区恒星星象的分离，采用相邻帧观测图像关联的方法，利用目标的运动规律,通过“速度”建立本天区恒星星象的关联，满足速度关联条件的恒星星象确定其所在天区，从而将步骤(1)提取的星象分离为三个视场的星象；

不同视场的分离的具体步骤为：

步骤2.1)在第k帧图像的视场中央附近，选取一颗亮星，其量度坐标为(x₀,y₀)_k；

步骤2.2)在第k+1帧图像视场中央的一定范围内，该范围值根据恒星星象在相邻帧图像之间的最大和最小运动距离来设定，存在n颗星象，它们的量度坐标为(x_i,y_i)_k+1,i＝1,2,3......n；

步骤2.3)当i＝1时，令x_i＝x₀,y_i＝y₀，得到Δx＝x_i-x₀,Δy＝y_i-y₀，对第k+1帧图像上所有的星象，执行(x′＝x-Δx,y′＝y-Δy)_k+1；然后与第k帧图像上所有的星象的量度坐标(x,y)_k逐一进行比较，对于差值小于阈值的建立恒星关联点对，当关联点对数超过预定数量时，认为一个天区筛选成功并分离；否则i＝i+1，重复步骤2.3)，直至一个天区筛选分离完成；

步骤2.4)当分离一个天区的星象后，在第k帧图像的视场中央附近，在剩余星象中选取一颗亮星，重复步骤2.1)～步骤2.3)；直至其它天区的星象全部筛选分离完成；

(3)恒星匹配；分别为三个视场的星象进行恒星匹配，确定三个视场的对应的区域；

(4)指向计算；根据匹配好的三个视场，分别计算三个视场的指向；

(5)地球定向参数计算；包括地球自转轴指向、极移和UT1计算；

其中，瞬时自转轴的解算方法为：

随着地球的自转，在一定观测时段内，每个视场方向的瞬时光轴指向在一个平面上，该平面法向量即为该时段内平均的瞬时天极方向，利用解算平面方程的方法，计算瞬时自转轴的指向；观测方程为

其中(x,y,z)为瞬时光轴在国际天球参考系[GCRS]中的指向，解算结果为3个平面共同的法向量(A,B,1)，它对应一定时段内的瞬时自转轴在[GCRS]中的方向；

极移的解算方法为：

在得到一定时段内的瞬时天极方向之后，计算出3个方向的瞬时光轴对应的纬度和经度差，指定某一观测历元为参考历元，设1号镜光轴指向的纬度为经度λ₁₀为0，作为经度起算点；同时，确定2号镜光轴指向在该历元的坐标λ₂₀和确定3号镜光轴指向在该历元的坐标λ₃₀和

对于其它观测历元t，极移引起1号镜光轴指向变化为

当λ₁₀＝0时，代入上式得

极移引起2号镜和3号镜的光轴指向变化为

得到

其中，镜子光轴指向的经度差λ₂(t)-λ₁(t)和λ₃(t)-λ₁(t)，利用指向间的“固定角距”，通过观测计算得到：

对于三个方向的观测，解算极移的观测方程为：

其中，

世界时UT1的解算方法是三视场望远镜通过增加等高观测方式，获得某一UTC时刻对应的地方恒星时S，进而获得UT1；世界时UT1的解算方法的具体步骤为：

a、以120°步长旋转望远镜镜筒，以第1个反射面为例，依次得到t_i＝1,2,3瞬间该反射面对应光轴在瞬时赤道坐标系中的指向；

b、根据δ_1i和t_i，按照恒星周日运动角速度，修正α_1i，将该光轴在不同时刻的观测均换算至t₁时刻对应的赤经α′_1i，即

α′₁₁＝α₁₁

α′₁₂＝α₁₂+k·cosδ₁₂·(t₁-t₂)

α′₁₃＝α₁₃+k·cosδ₁₃·(t₁-t₃)

同理，对于第2个和第3个反射面，也有

α′₂₁＝α₂₁

α′₂₂＝α₂₂+k·cosδ₂₂·(t₁-t₂)

α′₂₃＝α₂₃+k·cosδ₂₃·(t₁-t₃)

α′₃₁＝α₃₁

α′₃₂＝α₃₂+k·cosδ₃₂·(t₁-t₂)

α′₃₃＝α₃₃+k·cosδ₃₃·(t₁-t₃)

c、(α′_1i,δ_1i)、(α′_1i,δ_1i)和(α′_1i,δ_1i)分别分布于3个平行的平面上，理想情况下，该平面的法向量对应天顶，因此，建立观测方程为

其中

解算结果(A,B,1)为三个平面共同的法向量，它为天顶在t₁时刻的赤道坐标，其中赤经为t₁对应的地方恒星时S；

d、根据台站瞬时经度λ、观测时刻的赤经章动和地方恒星时S，得到格林尼治视恒星时根据计算得到UT1。