基于ePSF的空间碎片高精度位置测量研究

Space debris is recognized as a serious danger for operational spacecraft, and the growing population becomes a potential threat for some unique orbital environment, hence it’s crucially important to measurement the position of space debris precisely. Surveys utilizing optical telescopes are feasible for debris detection, and our project is proposed to improve the position measurement of space debris with optical sensors. First based on raw CCD images, the performances of several commonly used centering algorithms for CCD images are investigated, and the best approach for variable conditions is obtained. Then the ePSF approach is introduced to handle the imaging degradation during optical observation, we intend to build the precise and effective ePSF model for space debris, based on raw CCD images, and perform the centroid estimation using this model. At last, the measurement precision of ePSF approach is analyzed, and the comparison of all the methods is performed to obtain the best one for measuring position of space debris. The scientific results of our project can contribute much to the research of precise measurement of space debris positions, and they are an extension of classic astrometry as well, furthermore, guides for applications will be also provided.

随着空间碎片数量的与日俱增，为了保证航天活动的安全，针对碎片的高精度位置测量工作极为重要。地基光学观测是探测空间碎片的主要手段，本项目以此为背景，研究高精度测量空间碎片位置的方法。首先，基于实测数据，比较分析现有不同星像质心计算方法的计算精度，得到不同条件下，数据处理精度最优的方法；然后，针对空间碎片光学观测中存在的图像退化，基于实测星像，研究建立其ePSF（有效点扩散函数）模型的方法，以得到准确、有效的ePSF模型，并利用该模型计算星像的质心；最后，分析ePSF方法对空间碎片位置的测量精度，并与现有方法的计算结果相比较，得到最优的计算碎片位置的方法。项目的研究成果将为空间碎片高精度位置测量方法的研究提供新的思路，也是天体测量学的一个扩充，并可为实际工程提供指导。

随着空间碎片数量的与日俱增，为了保证航天活动的安全，针对碎片的高精度位置测量工作极为重要。地基光学观测是探测空间碎片的主要手段，本项目以此为背景，研究高精度测量空间碎片位置的方法。本项目首先基于实测数据，分析了常用星像质心计算方法在空间碎片星像上的计算精度，得到修正矩方法是兼顾精度和稳健性的最优算法，使用PSF拟合对于高轨目标得到的精度最好；随后系统研究了空间碎片的光学观测特征，梳理了影响目标精密光学探测的多种因素，在此基础上，提出并实现了基于大数据模式特征聚类，对观测中的星像PSF进行建模，并通过图像复原提高目标观测精度的方法，显著提升了目标的观测精度与观测效率；最后，建立并实现了一系列面向空间目标巡天观测的目标自动检测、望远镜指向误差校正、星像高精度提取与位置计算方法，在GEO区域目标的编目管理，以及多次国家任务中发挥了重要作用。项目的研究成果为空间碎片高精度位置测量方法的研究提供新的思路，是天体测量学的一个扩充，并可为实际工程提供指导；同时也为未来中高轨空域型空间目标监测设备的研发奠定技术基础，满足空间态势感知的国家需求。