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卫星激光测距天空背景噪声数值仿真及分析

中国激光 2024年

作者：吕柏韬安宁郑彦宁吕泽群韩兴伟中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站中国科学院大学

卫星激光测距（Satellite Laser Ranging, SLR)是一种灵敏度极高的探测技术。特别对于白天或夜间天空背景较亮等情况，由天空背景光产生的噪声极易造成信号误触发，不利于SLR测距精度的进一步提高。本文基于Mie及Rayleigh散射理论，结... 详细信息

卫星激光测距（Satellite Laser Ranging, SLR)是一种灵敏度极高的探测技术。特别对于白天或夜间天空背景较亮等情况，由天空背景光产生的噪声极易造成信号误触发，不利于SLR测距精度的进一步提高。本文基于Mie及Rayleigh散射理论，结合光辐射传输方程，构建了SLR大气辐射传输（for SLR atmospheric radiative transfer, SLRART）仿真平台。SLRART根据大气及SLR系统参数，可快速计算激光大气透过率与天空背景辐射分布，实现SLR天空背景噪声的数值仿真。与实测结果相比，利用SLRART计算的一级数据产品平均相对误差率仅为5%、二级数据产品的平均误差率仅为10%。SLRART在SLR大气误差修正、系统设计、性能评估及台站选址等方面将有广泛的应用，同时为SLR技术自动化的发展提供技术支持。

关键词：卫星激光测距大气透过率天空背景辐射天空背景噪声

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光学图像中空间物体条痕检测方法综述

天文学进展 2024年第3期42卷 473-493页

作者：王磊张晓明王建峰曾显群谢海闻姜晓军中国科学院国家天文台光学天文重点实验室中国科学院大学天文与空间科学学院中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站

空间物体在光学图像中常常表现为拖长的条纹形状，即条痕，条痕的准确检测对空间物体的识别与测量具有重要意义。近年来，许多研究人员对空间物体条痕的检测方法进行研究，取得了丰硕的成果。随着空间物体探测能力的提高，暗弱条痕的检... 详细信息

空间物体在光学图像中常常表现为拖长的条纹形状，即条痕，条痕的准确检测对空间物体的识别与测量具有重要意义。近年来，许多研究人员对空间物体条痕的检测方法进行研究，取得了丰硕的成果。随着空间物体探测能力的提高，暗弱条痕的检测在空间物体精确探测中变得越发重要。对当前光学图像中空间物体条痕检测方法的主要原理和步骤进行了综述，根据不同方法的特点进行了分类和总结，并选择了四种不同类别的代表性单帧图像空间物体条痕检测算法，利用模拟图像和实测图像对这四种方法进行了实验对比，根据实验结果分析了各方法的优缺点，最后对光学图像中的条痕检测方法的未来发展方向进行了展望。

关键词：图像处理空间物体光学图像条痕检测

基于地基光电望远镜的地球同步轨道卫星空间目标初轨确定研究

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天文学进展 2024年第3期42卷 506-518页

作者：尹业文李振伟刘承志康喆孙建南中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站中国科学院大学中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室

在地球同步轨道卫星(geosynchronous Earth orbit, GEO)空间目标的监测过程中，为了解决观测数据弧长过短而导致的初始轨道参数求解失败问题，提出了一种多约束初轨确定算法。首先，从GEO目标轨道的小偏心率出发，建立单参数轨道确定方... 详细信息

在地球同步轨道卫星(geosynchronous Earth orbit, GEO)空间目标的监测过程中，为了解决观测数据弧长过短而导致的初始轨道参数求解失败问题，提出了一种多约束初轨确定算法。首先，从GEO目标轨道的小偏心率出发，建立单参数轨道确定方法，以提高求解成功率及精度；其次，基于开普勒定律和短弧的共面假设，对观测弧段进行关联，以增加观测数据信息和几何约束性；最后，利用关联弧段进一步提高求解精度，使得算法对轨道类型的适应性更广泛。利用长春人造卫星观测站的大视场望远镜实测数据进行了验证，结果表明，利用该算法能快速有效地求解出轨道参数，GEO空间目标半长轴误差小于200 km的占比可达93.6%(平均弧长约70 s)。基于该计算结果和所提关联方法来降低偏心率约束导致的误差，部分目标的半长轴误差可达30 km。该方法将为中国空间态势感知领域提供技术支撑。

关键词：初轨确定空间碎片甚短弧 GEO

近红外空间碎片激光测距探测成功概率影响因素的研究

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红外与激光工程 2024年第4期53卷 120-127页

作者：张明亮温冠宇范存波关博文宋清丽张海涛王爽中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站吉林长春130117 中国科学院大学北京100049 中国科学院长春分院吉林长春130022 吉林交通职业技术学院吉林长春130012

基于激光雷达方程和天空背景噪声估算公式推导出近红外空间碎片激光测距探测成功概率的计算公式,仿真研究了该公式中大气透过率和天空背景噪声的影响因素,经数据拟合,得到空间碎片激光测距探测成功概率的归一化表达式。在此基础上,仿真... 详细信息

基于激光雷达方程和天空背景噪声估算公式推导出近红外空间碎片激光测距探测成功概率的计算公式,仿真研究了该公式中大气透过率和天空背景噪声的影响因素,经数据拟合,得到空间碎片激光测距探测成功概率的归一化表达式。在此基础上,仿真分析了太阳高度角、目标天顶角、目标轨道距离和目标横截面积对目标探测成功概率的影响。结果表明:目标探测成功概率随太阳高度角升高而减小,随目标轨道距离的增加而减小,随目标天顶角的增大而减小,当目标天顶角增加到70°时,目标探测成功概率开始急剧下降;目标轨道距离固定的情况下,目标探测成功概率随目标横截面积的增大而增大。该研究对提高空间碎片的观测效率具有一定的应用价值。

关键词：激光测距近红外空间碎片激光测距太阳高度角目标天顶角

基于光电阵列系统的空间碎片精密定轨应用研究

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天文学进展 2024年第2期42卷 335-348页

作者：丁一高李振伟刘承志康喆孙明国孙建南陈龙中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站长春130117 中国科学院大学北京100049 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室南京210008

光电阵列系统具有视场大、单元众多、覆盖空域广、可靠性高、实时性好等优点,在空间碎片探测领域中具有重要的作用。首先,为了解决空间碎片关联匹配问题,采用TLE数据,配合SGP4/SDP4模型,实现了光电阵观测空间碎片的数据关联匹配。随后,... 详细信息

光电阵列系统具有视场大、单元众多、覆盖空域广、可靠性高、实时性好等优点,在空间碎片探测领域中具有重要的作用。首先,为了解决空间碎片关联匹配问题,采用TLE数据,配合SGP4/SDP4模型,实现了光电阵观测空间碎片的数据关联匹配。随后,研究了空间碎片弹道系数计算方法,为基于观测数据定轨结果的空间碎片平均弹道系数的计算奠定基础。最后,基于长春人卫站建设的光电阵列系统,验证其数据精度、定轨精度以及弹道系数计算精度,实验结果表明:空间碎片关联匹配成功率达到91.19%;观测精度可达7:65′′;对拥有高精度激光测距的空间合作目标Sentinel-6A和HY-2C进行基于激光测距数据的精密定轨,并以定轨结果为标准轨道,对光电阵列观测系统所得光学数据进行精密定轨和3 d预报的均方差做精度分析,三维位置精度分别为319.11 m、107.25 m,速度精度分别为0.26 m/s、0.09 m/s;计算所得目标36508弹道系数生成的新两行根数3 d预报均方根误差为746.84 m,比公开数据均方根误差748.68 m减小0.25%,两者精度相近。以上结果说明该系统基本满足常规任务需求。

关键词：空间碎片光电阵精密定轨 TLE

吉林天文观测基地光学观测环境及相关研究进展

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天文学报 2024年第2期65卷 1-14页

作者：康喆牛炳力李振伟孙建南吕游朱成伟邓诗宇刘德龙杨文波张楠柳鸣孙明国刘承志中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站长春130117 中国科学院大学天文与空间科学学院北京100049 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室南京210023

地基光学天文望远镜是人类探索与研究宇宙的重要手段,对已有地基光学台址的光学观测环境进行监测分析,可以为后期设备针对性改造以及观测者调整观测策略提供参考依据,对提升地基光学设备的观测效能具有重要的意义.吉林天文观测基地(简... 详细信息

地基光学天文望远镜是人类探索与研究宇宙的重要手段,对已有地基光学台址的光学观测环境进行监测分析,可以为后期设备针对性改造以及观测者调整观测策略提供参考依据,对提升地基光学设备的观测效能具有重要的意义.吉林天文观测基地(简称“基地”)隶属于中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站,位于吉林省吉林市大绥河镇小绥河村南沟约5 km处(东经126.3°,北纬43.8°,海拔高度313m).基地大气视宁度均值范围约为1.3″-1.4″、天顶附近V波段的天光背景亮度为20.64mag·arcsec^(-2)、年晴夜数最高可达270余天,具有良好的天文观测条件.吉林天文观测基地于2016年投入运行,现有1.2m光电望远镜、迷你光电阵列望远镜、大视场光电望远镜阵列、新型多功能阵列结构光电探测平台等多台(套)光电望远镜设备.利用上述设备,主要围绕空间目标探测与识别、精密轨道确定、光电探测新方法以及变源天体的多色测光等开展相关研究工作,与多家国内高校及科研院所保持着良好的合作关系.

关键词：望远镜:选址天文仪器方法:数据分析技术:测光

基于神经网络的天文台址长期白日视宁度变化估算

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天文学报 2024年第4期65卷 79-86页

作者：胡兴杨尚斌邓元勇林佳本包星明王全中国科学院国家天文台北京100101 中国科学院大学北京100049

视宁度好坏是影响天文观测图像质量的一个决定性因素,目前白日视宁度数据主要是通过太阳差分像运动视宁度检测仪(Solar Differential Image Motion Monitor,SDIMM)或者谱比法获得.由于SDIMM和实际观测所用仪器不同,其测得的视宁度无法... 详细信息

视宁度好坏是影响天文观测图像质量的一个决定性因素,目前白日视宁度数据主要是通过太阳差分像运动视宁度检测仪(Solar Differential Image Motion Monitor,SDIMM)或者谱比法获得.由于SDIMM和实际观测所用仪器不同,其测得的视宁度无法反映数据获取时刻的实际视宁度情况,也无法回溯历史既有观测数据对应的大气视宁度.而使用谱比法需要海量短曝光数据,计算成本巨大.基于以上天文观测面临的困难,提出了一种基于神经网络的白日视宁度估算方法,该方法首先对获得的短曝光数据使用谱比法计算对应的视宁度r_(0),构建数据集;然后采用主成分分析的方法对数据进行降维,通过神经网络建立起窄带滤光器太阳光球观测图像和视宁度之间的非线性回归关系,训练集和测试集实验的结果表明该方法可以用于估算视宁度.使用该方法对怀柔观测基地2020年的视宁度进行估算,视宁度中值为2.89 cm,对1989年到2010年连续22 yr的历史观测数据进行长周期的视宁度统计分析,结果表明怀柔基地发布的历史数据对应的视宁度中值在3 cm左右,40%以上数据对应的视宁度超过3 cm,一年中9月份的视宁度最好,该结果验证了怀柔基地视宁度的长期稳定性.此外,该方法也可以从视宁度r_(0)的快速判断出发,为采集到的高质量短曝光图像甄选提供判断依据.

关键词：湍流:视宁度方法:数据分析方法:神经网络

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SBAS GEO卫星URE精度及定位增强研究

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武汉大学学报（信息科学版） 2024年第7期49卷 1166-1175页

作者：金彪陈姗姗李祝莲李语强李子潇中国科学院云南天文台云南昆明650011 中国科学院大学北京100049 航天恒星科技有限公司北京100094

分析星基增强系统(satellite based augmentation system,SBAS)地球同步轨道(geostationary Earth orbit,GEO)卫星用户测距误差(user range error,URE),研究GEO卫星测距对导航定位性能的影响,可为SBAS系统设计和民航应用提供有益参考。利用广域增强系统(wide area augmentation system,WAAS)、北斗星基增强系统(BeiDou SBAS,BDSBAS)、GPS辅助静地增强导航系统(GPS aided GEO augmented navigation, GAGAN)和多功能卫星增强系统(multi-functional satellite augmentation system,MSAS)的SBAS信息对GPS和GEO卫星星历、时钟和观测值进行改正,固定测站位置,根据改正数残差方差加权计算接收机钟差,得到GEO卫星测距误差;将GEO卫星观测值纳入SBAS定位解算,评估GEO卫星测距对定位结果的影响。通过实测数据分析可知,WAAS GEO卫星URE优于1.6 m;BDSBAS 3颗GEO卫星分别存在14.32 m、12.64 m和17.44 m的系统偏差,经系统性误差改正后,GEO卫星URE优于2.9 m;GAGAN和MSAS GEO卫星URE分别优于13.9 m和3.2 m。当GPS卫星数较少时,联合GEO卫星观测值进行SBAS解算能够有效减小定位保护级,提升系统可用性。

关键词：星基增强系统 GEO卫星用户测距误差定位增强

基于精密星历的长春站激光测距数据评价及改善

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激光与光电子学进展 2024年第7期61卷 184-190页

作者：龙翃宇董雪梁智鹏韩兴伟关博文董贺中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站吉林长春130117 中国科学院大学北京100049 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室江苏南京210008 吉林师范大学信息技术学院吉林四平136000

为提升长春站卫星激光测距数据稳定性,从卫星激光测距物理机制及评价指标出发,建立了基于精密星历的数据评价系统,分析了长春站数据的稳定性及外符合精度。根据分析结果,采用前沿半峰(LEHM)剪切算法改进数据预处理方法,降低了卫星形状... 详细信息

为提升长春站卫星激光测距数据稳定性,从卫星激光测距物理机制及评价指标出发,建立了基于精密星历的数据评价系统,分析了长春站数据的稳定性及外符合精度。根据分析结果,采用前沿半峰(LEHM)剪切算法改进数据预处理方法,降低了卫星形状效应对数据精度和稳定性的影响。分析表明,基于精密星历的数据评价系统与国际卫星激光测距组织(ILRS)数据中心评价结果一致。采用LEHM剪切算法进行数据处理后,长春站Lageos-1卫星数据的标准点精度由4.9 mm提高至3.9 mm,短期稳定性由19.8 mm提高至18.1 mm,长期稳定性由6.2 mm提高至5.4 mm,外符合精度由79.6 mm提高至68.2 mm。改进的数据预处理算法可有效提升数据稳定性及外符合精度,为长春站数据稳定性与精度的进一步提升指出了方向。

关键词：卫星激光测距精密星历轨道检核数据评价卫星形状效应