光电望远镜视轴指向及预测技术研究
发布时间：2020-12-25 03:31
在光通信、天文观测和靶场光电测量等各领域,都需要光电望远镜(光电跟踪系统)迅速捕获并精确跟踪目标。与雷达探测方式相比,光电跟踪系统探测距离远、测量精度高、运行成本低且设备隐蔽性好,是重要的目标监测方式。然而在实际观测中,由于探测距离远,目标信噪比低,为了抑制背景杂光,目标探测器的视场一般较小,再加上地影、大气扰动、云层遮挡等因素的干扰,导致目标无法在探测器视场中有效提取,进而造成脱靶量跳变,根据视场脱靶量生成控制指令的闭环跟踪方式无法持续平稳运行,需要根据已有的观测数据建立跟踪方程,对目标在非正常观测条件下的位置进行预测,引导光电跟踪设备平滑过渡,等目标再次出现时实现再捕获,保持对目标的持续平稳跟踪。高精度的指向精度是光电跟踪系统实现高精度观测的基础,也是进行高精度预测跟踪的前提条件。本文以某地平式光电跟踪系统为例,对光电跟踪系统指向误差修正技术和目标预测跟踪技术展开深入的理论和应用研究,并取得了一系列创新成果。光电跟踪系统在加工和装配过程中产生的误差是影响指向精度的主要因素,对指向误差源的分析和修正,是提高指向精度的重要手段。本文在对光电跟踪系统几何误差分析的基础上,结合多体动力学理...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 光电跟踪系统的基本结构及工作方式
1.2.1 光电跟踪系统的基本结构
1.2.2 光电跟踪系统的工作模式
1.3 国内外研究现状
1.3.1 光电跟踪系统高精度指向修正技术
1.3.2 单站预测跟踪技术国内外现状
1.4 本文的主要内容
第2章 光电跟踪系统观测基本原理
2.1 时间系统
2.2 坐标系统
2.2.1 常用坐标系
2.2.2 坐标系转换关系
2.3 光电跟踪系统中的融合估计方法
2.3.1 光电目标跟踪中观测数据的噪声特性
2.3.2 光电目标跟踪中的量测融合方法
2.3.3 两种融合方式的比较
2.4 空间碎片观测可见性分析
2.5 空间碎片摄动力模型
2.5.1 保守力模型
2.5.2 非保守力模型
2.5.3 经验力模型
2.6 轨道根数与运动状态之间的转换
2.7 本章总结
第3章 光电跟踪系统指向误差修正技术研究
3.1 指向误差的基本描述
3.2 指向误差源分析
3.2.1 静态误差
3.2.2 动态误差
3.3 指向误差修正原理
3.4 传统指向误差修正模型
3.4.1 球谐函数模型
3.4.2 机架模型
3.4.3 机架模型的局限性
3.5 基于ALLAN方差的指向误差修正模型
3.5.1 ALLAN方差法的基本原理
3.5.2 光电跟踪系统中随机误差建模方法
3.5.3 随机误差总体方程的建立
3.5.4 ALLAN方差法估计的可信度
3.6 实验及结果分析
3.7 本章总结
第4章 基于运动学模型的轨迹预测技术研究
4.1 空间碎片运动特性分析
4.2 运动学模型分析
4.3 基于随机抽样一致性算法的鲁棒最小二乘法
4.3.1 观测数据异常值处理
4.3.2 随机抽样一致性算法分析
4.3.3 RANSAC算法流程
4.3.4 基于RANSAC算法的鲁棒最小二乘法
4.4 基于半参数回归的模型参数估计方法
4.4.1 半参数回归模型基本原理
4.4.2 平滑因子和正则矩阵的确定
4.5 实验及结果分析
4.6 本章总结
第5章 基于动力学模型的轨道预报技术研究
5.1 光学观测资料定轨需求分析
5.2 空间碎片动力学轨道确定和预报分析
5.2.1 运动状态方程
5.2.2 系统观测方程
5.2.3 非线性滤波构建
5.2.4 轨道确定和预报算法流程
5.3 纯角度观测值初轨确定方法
5.3.1 经典拉普拉斯方法
5.3.2 改进的拉普拉斯方法
5.4 自适应UKF在轨道预报中的应用
5.4.1 空间碎片跟踪系统模型
5.4.2 传统UKF简介
5.4.3 常值噪声统计估计器
5.4.4 时变噪声统计估计器
5.4.5 自适应UKF算法性能分析
5.5 实验及结果分析
5.6 本章总结
第6章 总结与展望
6.1 论文的主要工作与创新点
6.2 需要进一步研究的内容
参考文献
致谢
作者简介及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]RANSAC算法在空间目标光电跟踪中的应用研究[J]. 严灵杰,黄永梅,张涯辉,唐涛,夏运霞. 光电工程. 2019(11)
[2]抗差自适应UKF算法在地基光学跟踪空间目标中的应用[J]. 刘光明,徐帆江. 系统工程与电子技术. 2018(03)
[3]基于Allan方差的MEMS陀螺随机误差建模[J]. 王丽平,李杰,祝敬德. 计算机测量与控制. 2015(10)
[4]空间碎片光学观测中若干问题研究[J]. 孙荣煜. 天文学报. 2015(01)
[5]A new calibration model for pointing a radio telescope that considers nonlinear errors in the azimuth axis[J]. De-Qing Kong,Song-Gen Wang,Jin-Qing Wang,Min Wang,Hong-Bo Zhang. Research in Astronomy and Astrophysics. 2014(06)
[6]基于Allan方差的光纤陀螺随机漂移建模与仿真[J]. 金毅,吴训忠,谢聂. 应用光学. 2014(03)
[7]地基大口径望远镜系统结构技术综述[J]. 张景旭. 中国光学. 2012(04)
[8]光电探测中空间目标和恒星目标运动特性分析[J]. 黄宗福,汪金真,陈曾平. 光电工程. 2012(04)
[9]自适应UKF算法在目标跟踪中的应用[J]. 石勇,韩崇昭. 自动化学报. 2011(06)
[10]机载光电系统的目标定位研究[J]. 艾宏山,刘攀. 光学与光电技术. 2011(02)
博士论文
[1]空间碎片快速精密轨道确定与预报若干关键问题研究[D]. 李彬.武汉大学 2017
[2]大型望远镜指向精度及轴系技术研究[D]. 黄龙.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[3]空间目标轨道预报误差与碰撞概率问题研究[D]. 白显宗.国防科学技术大学 2013
[4]光电探测系统目标定位误差分析与修正问题研究[D]. 周晓尧.国防科学技术大学 2011
[5]基于天基测角信息的空间非合作目标跟踪算法及相关技术研究[D]. 刘光明.国防科学技术大学 2011
[6]GPS和捷联惯导组合导航新方法及系统误差补偿方案研究[D]. 韩松来.国防科学技术大学 2010
[7]基于天基监视的空间目标测向初轨确定研究[D]. 刘磊.国防科学技术大学 2010
[8]大射电望远镜指向误差建模分析与设计研究[D]. 赵彦.西安电子科技大学 2008
[9]光电望远镜误差分析及补偿技术[D]. 赵金宇.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2005
[10]测量数据的建模与半参数估计[D]. 丁士俊.武汉大学 2005
硕士论文
[1]机载光电探测系统定位误差分析与标定研究[D]. 罗安治.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[2]基于BP神经网络的卫星激光测距望远镜指向误差的建模研究[D]. 朱程广.中国地震局地震研究所 2013
[3]导航卫星快速定轨和预报方法研究[D]. 刘伟平.解放军信息工程大学 2011
[4]机载光电测量系统引导及定位技术研究[D]. 王姝.长春理工大学 2009
[5]基于FOG捷联系统的误差分析与补偿技术研究[D]. 苏游.哈尔滨工程大学 2007
[6]卫星激光测距系统的机架指向误差的研究[D]. 王斌.中国科学院研究生院（上海天文台） 2004
[7]光学陀螺输入输出特性建模及补偿技术研究[D]. 柳贵福.哈尔滨工程大学 2002
本文编号：2936872
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 光电跟踪系统的基本结构及工作方式
1.2.1 光电跟踪系统的基本结构
1.2.2 光电跟踪系统的工作模式
1.3 国内外研究现状
1.3.1 光电跟踪系统高精度指向修正技术
1.3.2 单站预测跟踪技术国内外现状
1.4 本文的主要内容
第2章 光电跟踪系统观测基本原理
2.1 时间系统
2.2 坐标系统
2.2.1 常用坐标系
2.2.2 坐标系转换关系
2.3 光电跟踪系统中的融合估计方法
2.3.1 光电目标跟踪中观测数据的噪声特性
2.3.2 光电目标跟踪中的量测融合方法
2.3.3 两种融合方式的比较
2.4 空间碎片观测可见性分析
2.5 空间碎片摄动力模型
2.5.1 保守力模型
2.5.2 非保守力模型
2.5.3 经验力模型
2.6 轨道根数与运动状态之间的转换
2.7 本章总结
第3章 光电跟踪系统指向误差修正技术研究
3.1 指向误差的基本描述
3.2 指向误差源分析
3.2.1 静态误差
3.2.2 动态误差
3.3 指向误差修正原理
3.4 传统指向误差修正模型
3.4.1 球谐函数模型
3.4.2 机架模型
3.4.3 机架模型的局限性
3.5 基于ALLAN方差的指向误差修正模型
3.5.1 ALLAN方差法的基本原理
3.5.2 光电跟踪系统中随机误差建模方法
3.5.3 随机误差总体方程的建立
3.5.4 ALLAN方差法估计的可信度
3.6 实验及结果分析
3.7 本章总结
第4章 基于运动学模型的轨迹预测技术研究
4.1 空间碎片运动特性分析
4.2 运动学模型分析
4.3 基于随机抽样一致性算法的鲁棒最小二乘法
4.3.1 观测数据异常值处理
4.3.2 随机抽样一致性算法分析
4.3.3 RANSAC算法流程
4.3.4 基于RANSAC算法的鲁棒最小二乘法
4.4 基于半参数回归的模型参数估计方法
4.4.1 半参数回归模型基本原理
4.4.2 平滑因子和正则矩阵的确定
4.5 实验及结果分析
4.6 本章总结
第5章 基于动力学模型的轨道预报技术研究
5.1 光学观测资料定轨需求分析
5.2 空间碎片动力学轨道确定和预报分析
5.2.1 运动状态方程
5.2.2 系统观测方程
5.2.3 非线性滤波构建
5.2.4 轨道确定和预报算法流程
5.3 纯角度观测值初轨确定方法
5.3.1 经典拉普拉斯方法
5.3.2 改进的拉普拉斯方法
5.4 自适应UKF在轨道预报中的应用
5.4.1 空间碎片跟踪系统模型
5.4.2 传统UKF简介
5.4.3 常值噪声统计估计器
5.4.4 时变噪声统计估计器
5.4.5 自适应UKF算法性能分析
5.5 实验及结果分析
5.6 本章总结
第6章 总结与展望
6.1 论文的主要工作与创新点
6.2 需要进一步研究的内容
参考文献
致谢
作者简介及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]RANSAC算法在空间目标光电跟踪中的应用研究[J]. 严灵杰,黄永梅,张涯辉,唐涛,夏运霞. 光电工程. 2019(11)
[2]抗差自适应UKF算法在地基光学跟踪空间目标中的应用[J]. 刘光明,徐帆江. 系统工程与电子技术. 2018(03)
[3]基于Allan方差的MEMS陀螺随机误差建模[J]. 王丽平,李杰,祝敬德. 计算机测量与控制. 2015(10)
[4]空间碎片光学观测中若干问题研究[J]. 孙荣煜. 天文学报. 2015(01)
[5]A new calibration model for pointing a radio telescope that considers nonlinear errors in the azimuth axis[J]. De-Qing Kong,Song-Gen Wang,Jin-Qing Wang,Min Wang,Hong-Bo Zhang. Research in Astronomy and Astrophysics. 2014(06)
[6]基于Allan方差的光纤陀螺随机漂移建模与仿真[J]. 金毅,吴训忠,谢聂. 应用光学. 2014(03)
[7]地基大口径望远镜系统结构技术综述[J]. 张景旭. 中国光学. 2012(04)
[8]光电探测中空间目标和恒星目标运动特性分析[J]. 黄宗福,汪金真,陈曾平. 光电工程. 2012(04)
[9]自适应UKF算法在目标跟踪中的应用[J]. 石勇,韩崇昭. 自动化学报. 2011(06)
[10]机载光电系统的目标定位研究[J]. 艾宏山,刘攀. 光学与光电技术. 2011(02)
博士论文
[1]空间碎片快速精密轨道确定与预报若干关键问题研究[D]. 李彬.武汉大学 2017
[2]大型望远镜指向精度及轴系技术研究[D]. 黄龙.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[3]空间目标轨道预报误差与碰撞概率问题研究[D]. 白显宗.国防科学技术大学 2013
[4]光电探测系统目标定位误差分析与修正问题研究[D]. 周晓尧.国防科学技术大学 2011
[5]基于天基测角信息的空间非合作目标跟踪算法及相关技术研究[D]. 刘光明.国防科学技术大学 2011
[6]GPS和捷联惯导组合导航新方法及系统误差补偿方案研究[D]. 韩松来.国防科学技术大学 2010
[7]基于天基监视的空间目标测向初轨确定研究[D]. 刘磊.国防科学技术大学 2010
[8]大射电望远镜指向误差建模分析与设计研究[D]. 赵彦.西安电子科技大学 2008
[9]光电望远镜误差分析及补偿技术[D]. 赵金宇.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2005
[10]测量数据的建模与半参数估计[D]. 丁士俊.武汉大学 2005
硕士论文
[1]机载光电探测系统定位误差分析与标定研究[D]. 罗安治.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[2]基于BP神经网络的卫星激光测距望远镜指向误差的建模研究[D]. 朱程广.中国地震局地震研究所 2013
[3]导航卫星快速定轨和预报方法研究[D]. 刘伟平.解放军信息工程大学 2011
[4]机载光电测量系统引导及定位技术研究[D]. 王姝.长春理工大学 2009
[5]基于FOG捷联系统的误差分析与补偿技术研究[D]. 苏游.哈尔滨工程大学 2007
[6]卫星激光测距系统的机架指向误差的研究[D]. 王斌.中国科学院研究生院（上海天文台） 2004
[7]光学陀螺输入输出特性建模及补偿技术研究[D]. 柳贵福.哈尔滨工程大学 2002
本文编号：2936872
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