测月天文定向理论及技术研究

发布时间：2020-06-14 10:42

【摘要】：测月天文定向方法既有传统天文定向方法抗干扰和无误差累积的优势,又能在一定程度上解决云雾条件下恒星不可见的问题。此外,通过相机成像的方式实现测月定向,可有效脱离人为干预,再结合计算机的仪器控制和数据处理,可实现航向角的自动化获取。论文自主开发了一款月相仿真软件,提出了基于圆拟合、椭圆拟合两种方法实现月球中心位置提取,根据月球成像特点利用室内全物理仿真星空穹顶进行相机内方位元素的标校,利用倾角传感器和水天线图像分别实现陆海环境下相机外方位元素的标校,利用科学级CCD和鱼眼镜头组成鱼眼相机,并结合倾角传感器、天文计时器和便携式计算机组成测月定向装置,分别进行了陆海基测月定向实验,实验取得了初步的成效,填补了相关研究领域的空白。论文的主要工作及创新点总结如下:(1)介绍了测月天文定向的理论基础和基本原理,并从理论上严密分析了航向角的误差来源。结果表明,航向角的精度主要受测站位置精度、月球中心位置提取精度、像主点坐标精度和相机姿态参数精度的影响。(2)自主开发了一款月相仿真软件,具有动静态两种运行模式,可实现全球任意位置任意时刻的月相仿真,为后文提供了月相仿真图像数据源。(3)引入Sobel-Zernike算子实现月相边缘的亚像素级检测,提出基于圆拟合、椭圆拟合两种方法实现月球真实边缘的精确筛选,并以此拟合月心位置,并分别进行了半物理仿真实验和实测实验验证算法精度。半物理仿真实验数据表明,当月球大致成像在相机视场中央时,基于圆拟合方法的月球中心位置提取外符合精度为0.44~6.07角秒,基于椭圆拟合方法的月球中心位置提取外符合精度为2.78~17.20角秒。利用基于椭圆拟合方法对实测月球图像进行中心提取,结果表明内符合精度优于7.81角秒。(4)利用成像质量好且亮度可控的室内穹顶的模拟星点作为观测目标,实现了相机内方位元素的标校。引入倾角传感器实现陆基相机外方位元素的标校,提出一种通过室内外分别成像的方法确定相机姿态参数。通过对水天线成像实现海基相机外方位元素的标校,提出一种基于高度角约束的水天线拟合算法确定相机姿态参数。(5)提出一种基于鱼眼相机、倾角传感器、天文计时器和便携式计算机的陆基超大视场测月定向方法,提出一种基于鱼眼相机、天文计时器和便携式计算机的海基超大视场测月定向方法,并分别进行了陆海基测月天文定向实测实验。陆基实验结果表明,跟踪拍摄15分钟,定向结果内符合精度优于?7.5角秒,外符合精度为?20角秒左右。海基实验结果表明,测月定向航向角与测星定向航向角平均相差71.2角秒。
【学位授予单位】：战略支援部队信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P184.5
【图文】：

月球车,月球,定向精度,量度坐标

战略支援部队信息工程大学硕士学位论文团队进一步提出了球面圆拟合算法确定月球中心位置，将定向精度提高了 0.5″[27]。该方法定向精度高，且克服了传统天文定向只能观测星点的不足，扩展了天文定向的可用范围。不足的是，该方法需要用肉眼通过经纬仪的十字丝中心对月球边沿进行多次精确照准，对作业员提出了一定技能要求，且不同作业员存在人仪差的问题。自上世纪 70 年代以来，随着电荷耦合元件（CCD，Charge Coupled Device）的问世和数字图像处理技术的发展，人们开始尝试使用 CCD 敏感天体成像，建立 CCD 量度坐标系与天球坐标系的关系，进而实现没有人为干预的自动化天文定位定向[28-34]。2005 年，哈尔滨工业大学岳富占等人提出了一种基于地球敏感器和加速度计实现月球车自主定向的算法，如图 1.1 所示，与月相类似，在月球上观测的地球是有“地相”变化的，该方法停留于数学仿真阶段，实际可行性和精度有待验证[35]。

定向精度,月球车,度盘,十字丝

在月球上观测的地球是有“地相”变性和精度有待验证[35]。图 1.1 “地相”和月球车大学韩永琪设计了一款基于图像处理的天文定一。该装置将 CCD 摄像头精确固定在经纬心与经纬仪十字丝中心的夹角，避免了人为右的定向精度，然而该方法依赖于 CCD 摄像方向度盘值时仍需肉眼照准，这两个过程均不

【参考文献】