CN116027461B - 一种全自动空间目标光电观测台站中心控制方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全自动空间目标光电观测台站中心控制方法和系统，该方法包括：根据观测指令中的任务目标天区与任务时间，规划观测任务，生成任务列表；确认台站环境条件是否支持台站执行观测任务；选取观测任务列表时间序列排在最前的观测任务，由云图相机拍摄该目标天区的云量图像，给出该天区的云量信息，决策是否执行读该天区的观测任务，云量情况无法满足观测条件，则将该任务调整至观测任务列表末尾，并对下一目标天区进行判断；对目标天区满足观测条件的观测任务，控制执行机构相互配合进行观测，拍摄目标天区的原始图像并存储。本发明能够避免拍摄云层遮挡视野的图像，延长光电观测台站的有效观测时间，提升光电观测台站的观测效能。
Description
技术领域
本发明涉及空间目标光学观测领域，特别涉及一种全自动空间目标光电观测台站中心控制方法和系统。
背景技术
光电观测是一种被动接收目标可见光波段能量，以获取目标高精度测角信息，并确定空间目标的运行轨道的空间目标监测手段，相比于雷达波段具有较好的隐蔽性。
由于光电观测台站利用可见光波段的能量，观测出勤率易受台站周围气象条件、光学条件等因素的影响，台站选址需远离城市等光污染严重的地区，且需要专业人员根据台站周边实时的天气情况进行任务规划，操作转台、圆顶和相机等执行机构完成观测任务。
现有的技术中，缺少一种能够根据任务天区进行观测任务规划，结合台站周围的实时天气条件与光学条件等环境因素，避开观测条件不适宜的天区，全自动地支配台站执行机构完成观测任务的光电观测台站中心控制方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种全自动空间目标光电观测台站中心控制方法和系统，能够有效避免拍摄云层遮挡视野的图像，延长光电观测台站的有效观测时间，提升光电观测台站的观测效能。
为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种全自动空间目标光电观测台站中心控制方法，包括如下步骤：
S1，根据任务需求的任务目标天区与任务时间，结合台站所在地理位置、望远镜视场因素进行任务规划，给出按照时序排列的任务时间节点与望远镜应指向，生成任务列表；
S2，获取的台站周围环境信息，确认台站环境条件是否支持台站执行观测任务；
S3，选取观测任务列表时间序列排在最前的观测任务，由云图相机拍摄该目标天区的云量图像，给出该天区的云量信息，决策是否执行读该天区的观测任务，云量情况无法满足观测条件，则将该任务调整至观测任务列表末尾，并对下一目标天区进行判断；
S4，对目标天区满足观测条件的观测任务，控制执行机构相互配合进行观测，拍摄目标天区的原始图像并存储；
S5，重复步骤S3至S4，直至所有观测任务完成。
进一步地，所述的步骤S1进一步包括：
S11，根据台站转台叉臂的类型与望远镜视场对全天区网格化划分，保障望远镜视场在相邻天区没有漏缝；
S12，选择视场范围涉及目标天区的望远镜指向，保障望远镜对目标天区的覆盖；
S13，根据任务数量和任务总时间划分每个任务的起止时间节点；
S14，根据台站位置、观测任务时间信息，结合太阳系星历，判断各个视场是否受月光影响，调整受月光影响的观测任务的顺序；
S15，按照时间序列生成观测任务列表；
S16，将台站观测目标天区时的指向写入数据库。
进一步地，所述的步骤S2进一步包括：
S21，根据任务规划子系统给出的观测任务时间序列，在临近最早开始的观测任务时，读取气象仪获取的数据；
S22，根据气象仪的数据，判断是否同时满足：无降雨、当前风速小于安全风速、环境温度高于露点温度、天光背景亮度满足观测要求条件；
S23，执行观测任务初始化动作。
进一步地，所述的步骤S3进一步包括：
S31，读取任务列表中时序排在最前的观测任务信息，包括其观测任务开始时刻、指向目标天区的方位角与高度角等；
S32，控制云图相机拍摄目标天区云图；
S33，根据望远镜视场所覆盖的天区，选择云图相机所拍摄图像中与之对应的区域，任务决策子系统判断该区域是否有云层遮挡视野；
S34，若云层遮挡视野，则将该观测任务调整至任务列表末尾，并将所有观测任务向前调整一个时间节点，若该任务移动至列表末尾超过3次，则取消该观测任务。
进一步地，所述的步骤S4进一步包括：
S41，执行机构控制子系统按照约定的通讯协议，向转台发送指向目标天区的指令；
S42，以一定频率采集转台方位角数据，执行机构控制子系统按照约定的通讯协议发送至圆顶，以保证圆顶天窗方向与望远镜镜头的指向对齐；
S43，在望远镜指向目标天区后，执行机构控制子系统按照约定的通讯协议控制图像采集软件拍摄目标天区图像，所拍摄图像保存至硬盘，完成观测后修改该观测任务的状态为“已完成”，并从观测列表中移除。
一种全自动空间目标光电观测台站中心控制系统，包括：
任务规划子系统，用于根据任务需求的任务目标天区与任务时间，结合台站所在地理位置、望远镜视场因素进行任务规划，给出按照时序排列的任务时间节点与望远镜应指向，生成任务列表；
环境感知子系统，用于获取的台站周围环境信息，确认台站环境条件是否支持台站执行观测任务；
任务决策子系统，用于选取观测任务列表时间序列排在最前的观测任务，由云图相机拍摄该目标天区的云量图像，给出该天区的云量信息，决策是否执行读该天区的观测任务，云量情况无法满足观测条件，则将该任务调整至观测任务列表末尾，并对下一目标天区进行判断；
执行机构控制子系统，用于控制执行机构相互配合进行观测，拍摄目标天区的原始图像并存储。
进一步地，所述的环境感知子系统包括：气象仪、雨滴感应器或天光仪中的一种或几种。
进一步地，所述的执行机构包括：转台、圆顶或相机中的一种或几种。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
使无人值守的空间目标光电监测台站具备自主任务规划能力与环境感知能力，该系统能够根据环境因素自适应地动态调整任务序列，在多云的观测夜能够自动地对无云天区进行有效观测，提升无人值守光电台站的观测效能。
附图说明
图1为本发明一种全自动空间目标光电观测台站中心控制方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，一种全自动空间目标光电观测台站中心控制方法，包括如下步骤：
S1，根据任务需求的任务目标天区与任务时间，结合台站所在地理位置、望远镜视场因素进行任务规划，给出按照时序排列的任务时间节点与望远镜应指向，生成任务列表；
S2，获取的台站周围环境信息，确认台站环境条件是否支持台站执行观测任务；
S3，选取观测任务列表时间序列排在最前的观测任务，由云图相机拍摄该目标天区的云量图像，给出该天区的云量信息，决策是否执行读该天区的观测任务，云量情况无法满足观测条件，则将该任务调整至观测任务列表末尾，并对下一目标天区进行判断；
S4，对目标天区满足观测条件的观测任务，控制执行机构相互配合进行观测，拍摄目标天区的原始图像并存储；
S5，重复步骤S3至S4，直至所有观测任务完成。
进一步地，所述的步骤S1进一步包括：
S11，根据台站转台叉臂的类型与望远镜视场对全天区网格化划分，保障望远镜视场在相邻天区没有漏缝；具体为：
望远镜覆盖不同高度角所在环带需要的观测次数为
其中φ为望远镜指向的高度角，fov为望远镜视场角度；
在同一高度角上，为保证视场之间没有漏缝，望远镜指向方位角每次步进角度为：
其中，i为望远镜在高度角方向步进fov°的次数。
S12，选择视场范围涉及目标天区的望远镜指向，保障望远镜对目标天区的覆盖；具体为：
对于划分得到的每个望远镜视场，取其四角的方位角与俯仰角，根据坐标系转换矩阵得该视场在地固坐标系中的覆盖范围，并与目标天区进行比较，保留涉及目标天区的观测视场，记录该观测视场望远镜的指向，作为任务列表中观测任务的指向信息，并为该任务分配任务编号。
S13，根据任务数量和任务总时间划分每个任务的起止时间节点；
S14，根据台站位置、观测任务时间信息，结合太阳系星历，判断各个视场是否受月光影响，调整受月光影响的观测任务的顺序；
根据太阳系星历，计算在各个观测任务时刻月球相对于地球的位置，并转换至台站的站心坐标系，转换关系为：
Rsta＝(EP)(ER)(NR)(PR)r-R0
其中，r为月球在J2000平赤道坐标系中的位置，与岁差、章动、自转、极移坐标转换矩阵依次相乘，R0为测站在地固系中的位置，解算得出月球相对于监测台站的方位角与俯仰角。计算到望远镜视场边缘的距离，验证是否小于月光规避角度。
S15，按照时间序列生成观测任务列表；
S16，将台站观测目标天区时的指向写入数据库。
进一步地，所述的步骤S2进一步包括：
S21，根据任务规划子系统给出的观测任务时间序列，在临近最早开始的观测任务时，读取气象仪获取的数据；
S22，根据气象仪的数据，判断是否同时满足：无降雨、当前风速小于安全风速、环境温度高于露点温度、天光背景亮度满足观测要求条件；
S23，在以上条件均满足的情况下，执行观测任务初始化动作，初始化动作包括：打开圆顶天窗、打开镜头盖、开启圆顶随动、望远镜与圆顶天窗对齐、望远镜自动对焦。
根据露点公式计算当前环境下的结露温度：
其中，T为当前环境温度，RH为当前环境相对湿度，a＝17.27，b＝237.7。计算得到当前环境的结露温度，若结露温度低于当前温度，则说明当前环境下打开圆顶天窗会造成望远镜表面结露，出于保护设备的目的，圆顶天窗应保持关闭状态；若结露温度高于当前温度，其他条件也满足相应约束，则圆顶天窗可以打开，台站可以执行观测任务。
进一步地，所述的步骤S3进一步包括：
S31，读取任务列表中时序排在最前的观测任务信息，包括其观测任务开始时刻、指向目标天区的方位角与高度角等；
S32，控制云图相机拍摄目标天区云图；
S33，根据望远镜视场所覆盖的天区，选择云图相机所拍摄图像中与之对应的区域，任务决策子系统判断该区域是否有云层遮挡视野；
根据实际标定的云图相机安装关系，确定云图相机所拍图片每个像素对应天区相对于望远镜站心坐标系的方位角与俯仰角，选取任务目标天区所对应的图像范围，读取各个像素的灰度值，与基准灰度值进行比较，逐个像素点判断该区域是否有云层对该视野天区的遮挡情况。当遮挡范围超过50％时，判定该任务当前无法执行，遮挡范围未超过50％时，判定该任务可以执行；
S34，若云层遮挡视野，则将该观测任务调整至任务列表末尾，并将所有观测任务向前调整一个时间节点，若该任务移动至列表末尾超过3次，则取消该观测任务。
进一步地，所述的步骤S4进一步包括：
S41，执行机构控制子系统按照约定的通讯协议，向转台发送指向目标天区的指令；
S42，以一定频率(如1hz)采集转台方位角数据，执行机构控制子系统按照约定的通讯协议发送至圆顶，以保证圆顶天窗方向与望远镜镜头的指向对齐，避免圆顶遮挡望远镜视野；中心控制系统通过转台反馈的信息判断转台的运动状态，当转台到达目标位置后，向转台发出保持指向的命令。
S43，在望远镜指向目标天区后，执行机构控制子系统按照约定的通讯协议控制图像采集软件拍摄目标天区图像，所拍摄图像保存至硬盘，完成观测后修改该观测任务的状态为“已完成”，并从观测列表中移除。
执行机构控制子系统按照约定的通讯协议控制图像采集软件，配置相机的曝光时间、增益、偏置等参数，设置拍摄图像的存储路径等命令。同时，将转台最新的指向信息发送给图像采集模块，以便图像采集模块将观测时的转台状态信息写入所拍摄图片的头文件中。完成参数设定后，执行机构控制子系统向图像采集模块发送“开始拍照”指令，同时将拍摄张数等信息作为参数传递给图像采集模块。图像采集模块完成拍照、并将图像按照预先设置的存储路径完成存储后，反馈本模块状态，中心控制系统将该观测任务的状态修改为“已完成观测”。
一种全自动空间目标光电观测台站中心控制系统，包括：
任务规划子系统，用于根据任务需求的任务目标天区与任务时间，结合台站所在地理位置、望远镜视场因素进行任务规划，给出按照时序排列的任务时间节点与望远镜应指向，生成任务列表；
环境感知子系统，用于获取的台站周围环境信息，确认台站环境条件是否支持台站执行观测任务；
任务决策子系统，用于选取观测任务列表时间序列排在最前的观测任务，由云图相机拍摄该目标天区的云量图像，给出该天区的云量信息，决策是否执行读该天区的观测任务，云量情况无法满足观测条件，则将该任务调整至观测任务列表末尾，并对下一目标天区进行判断；
执行机构控制子系统，用于控制执行机构相互配合进行观测，拍摄目标天区的原始图像并存储。
在具体实施例中，所述的环境感知子系统包括：气象仪、雨滴感应器或天光仪中的一种或几种。
在具体实施例中，所述的执行机构包括：转台、圆顶或相机中的一种或几种。
综上所述，本发明一种全自动空间目标光电观测台站中心控制方法和系统，能够有效避免拍摄云层遮挡视野的图像，延长光电观测台站的有效观测时间，提升光电观测台站的观测效能。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (7)
1.一种全自动空间目标光电观测台站中心控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，根据任务需求的任务目标天区与任务时间，结合台站所在地理位置、望远镜视场因素进行任务规划，给出按照时序排列的任务时间节点与望远镜应指向，生成任务列表；
所述的步骤S1进一步包括：
S11，根据台站转台叉臂的类型与望远镜视场对全天区网格化划分，保障望远镜视场在相邻天区没有漏缝；
S12，选择视场范围涉及目标天区的望远镜指向，保障望远镜对目标天区的覆盖；
S13，根据任务数量和任务总时间划分每个任务的起止时间节点；
S14，根据台站位置、观测任务时间信息，结合太阳系星历，判断各个视场是否受月光影响，调整受月光影响的观测任务的顺序；
S15，按照时间序列生成观测任务列表；
S16，将台站观测目标天区时的指向写入数据库；
S2，获取的台站周围环境信息，确认台站环境条件是否支持台站执行观测任务；
S3，选取观测任务列表时间序列排在最前的观测任务，由云图相机拍摄该目标天区的云量图像，给出该天区的云量信息，决策是否执行读该天区的观测任务，云量情况无法满足观测条件，则将该任务调整至观测任务列表末尾，并对下一目标天区进行判断；
S4，对目标天区满足观测条件的观测任务，控制执行机构相互配合进行观测，拍摄目标天区的原始图像并存储；
S5，重复步骤S3至S4，直至所有观测任务完成。
2.如权利要求1所述的全自动空间目标光电观测台站中心控制方法，其特征在于，所述的步骤S2进一步包括：
S21，根据任务规划子系统给出的观测任务时间序列，在临近最早开始的观测任务时，读取气象仪获取的数据；
S22，根据气象仪的数据，判断是否同时满足：无降雨、当前风速小于安全风速、环境温度高于露点温度、天光背景亮度满足观测要求条件；
S23，若满足步骤S22，则执行观测任务初始化动作。
3.如权利要求1所述的全自动空间目标光电观测台站中心控制方法，其特征在于，所述的步骤S3进一步包括：
S31，读取任务列表中时序排在最前的观测任务信息，包括其观测任务开始时刻、指向目标天区的方位角与高度角；
S32，控制云图相机拍摄目标天区云图；
S33，根据望远镜视场所覆盖的天区，选择云图相机所拍摄图像中与之对应的区域，任务决策子系统判断该区域是否有云层遮挡视野；
S34，若云层遮挡视野，则将该观测任务调整至任务列表末尾，并将所有观测任务向前调整一个时间节点，若该任务移动至列表末尾超过3次，则取消该观测任务。
4.如权利要求1所述的全自动空间目标光电观测台站中心控制方法，其特征在于，所述的步骤S4进一步包括：
S41，执行机构控制子系统按照约定的通讯协议，向转台发送指向目标天区的指令；
S42，以一定频率采集转台方位角数据，执行机构控制子系统按照约定的通讯协议发送至圆顶，以保证圆顶天窗方向与望远镜镜头的指向对齐；
S43，在望远镜指向目标天区后，执行机构控制子系统按照约定的通讯协议控制图像采集软件拍摄目标天区图像，所拍摄图像保存至硬盘，完成观测后修改该观测任务的状态为“已完成”，并从观测任务列表中移除。
5.一种全自动空间目标光电观测台站中心控制系统，用于执行如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，包括：
任务规划子系统，用于根据任务需求的任务目标天区与任务时间，结合台站所在地理位置、望远镜视场因素进行任务规划，给出按照时序排列的任务时间节点与望远镜应指向，生成任务列表；
环境感知子系统，用于获取的台站周围环境信息，确认台站环境条件是否支持台站执行观测任务；
任务决策子系统，用于选取观测任务列表时间序列排在最前的观测任务，由云图相机拍摄该目标天区的云量图像，给出该天区的云量信息，决策是否执行读该天区的观测任务，云量情况无法满足观测条件，则将该任务调整至观测任务列表末尾，并对下一目标天区进行判断；
执行机构控制子系统，用于控制执行机构相互配合进行观测，拍摄目标天区的原始图像并存储。
6.如权利要求5所述的全自动空间目标光电观测台站中心控制系统，其特征在于，所述的环境感知子系统包括：气象仪、雨滴感应器或天光仪中的一种或几种。
7.如权利要求5所述的全自动空间目标光电观测台站中心控制系统，其特征在于，所述的执行机构包括：转台、圆顶或相机中的一种或几种。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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