本發(fā)明涉及VLBI空間探測器成像領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于近場目標(biāo)成像的空間坐標(biāo)系建立方法及成像方法。
背景技術(shù)：
：在傳統(tǒng)的VLBI(VeryLongBaselineInterferometry，甚長基線干涉測量技術(shù))技術(shù)中，VLBI成像技術(shù)只對河外射電源成像并獲取其位置，同時，近十年來，國內(nèi)外試驗性應(yīng)用該技術(shù)將月球、火星、土星、金星等太陽系探測器的位置精度提高至毫角秒(mas)量級甚至更高并開展了相關(guān)的科學(xué)研究?，F(xiàn)有的一種適用于河外射電源的坐標(biāo)系建立關(guān)系方程為：uvw=Bλ·cosδb·sin(Hs-Hb)sinδb·cosδs-cosδb·sinδs·cos(Hs-Hb)sinδb·sinδs+cosδb·cosδs·cos(Hs-Hb)---(5)]]>公式(5)中，B為基線的長度，λ為觀測波長，Hb、δb分別為基線矢量的赤經(jīng)與赤緯值，Hs、δs分別為射電源的赤經(jīng)與赤緯值。u、v、w為河外射電源在UVW坐標(biāo)系中目標(biāo)的坐標(biāo)分量?，F(xiàn)有的另一種適用于空間探測器uvw坐標(biāo)值的計算方案為：公式(6)中，τ1、τ2、τ′1、τ′2為時延，u、v為UVW坐標(biāo)系中的u、v坐標(biāo)分量。其中u、v的具體數(shù)值計算方法為：先在某一方向或θ上移動一個小的方向偏差或Δθ，該方向偏差將引起時延偏差Δτ或Δτ′，則:但傳統(tǒng)的VLBI技術(shù)通常只針對河外射電源等距離地球非常遙遠(yuǎn)的目標(biāo)，對于太陽系內(nèi)的空間探測器，尤其是近地目標(biāo)，并不適用?，F(xiàn)有的河外射電源的UVW直角坐標(biāo)系的建立方法，由于是針對于在天球中位置幾乎不變的河外射電源，因此其W軸在天球坐標(biāo)系中的指向不變，也即UV平面始終是一個沒有旋轉(zhuǎn)變化的平面；同時，由于河外射電源距離地球非常遙遠(yuǎn)，其位置坐標(biāo)退化為只能以2個角位置量(赤經(jīng)、赤緯)在天球中描述，因此，地球上任何位置觀測到射電源的方向是相同的。但空間探測器在天球坐標(biāo)系中卻處于不斷的變化運(yùn)動中，這就造成W軸的指向處于不斷變化之中，且需3個量(赤經(jīng)、赤緯、距離)來描述探測器在球面坐標(biāo)系，因此，現(xiàn)有的河外射電源的UVW坐標(biāo)系的建立方法對空間探測器的適用性仍有待研究。同時，根據(jù)公式(7)，在現(xiàn)有的適用于空間探測器UVW坐標(biāo)系的建立方案中并未對因探測器與地球之間的距離誤差的影響進(jìn)行分析。該誤差將影響對目標(biāo)的VLBI成像質(zhì)量及所求位置精度。目前尚缺乏一種精確度高的空間探測器的空間坐標(biāo)系建立方法，以適用于VLBI對距離地球較近的空間目標(biāo)精確成像。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種適用于近場目標(biāo)成像的空間坐標(biāo)系建立方法，實(shí)現(xiàn)了對距離地球距離較近的空間探測器或其他近場目標(biāo)建立空間坐標(biāo)系為VLBI成像提供基礎(chǔ)，并具有精確度高、適用于近場目標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一方面提供一種適用于近場目標(biāo)成像的空間坐標(biāo)系建立方法，包括步驟：S11：設(shè)定多個觀測站；S12：所述多個觀測站接收同一預(yù)設(shè)觀測任務(wù)，并根據(jù)所述預(yù)設(shè)觀測任務(wù)內(nèi)容觀測一被測目標(biāo)，同時采集所述被測目標(biāo)的信號數(shù)據(jù)；S13：所述多個觀測臺將各自采集到的所述信號數(shù)據(jù)發(fā)送給一數(shù)據(jù)處理中心；S14：獲取各所述觀測站和所述被觀測目標(biāo)的位置坐標(biāo)，以及所述被測目標(biāo)發(fā)射信號的觀測波長；S15：構(gòu)建一空間直角坐標(biāo)系的UVW坐標(biāo)軸，所述UVW坐標(biāo)軸的一W軸由地心指向被測目標(biāo)，所述UVW坐標(biāo)軸的一V軸在所述W軸與地球自轉(zhuǎn)軸所構(gòu)成的平面內(nèi)垂直于所述W軸且指向北天極方向，所述UVW坐標(biāo)軸的一U軸、所述V軸和所述W軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系；S16：所述數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)所述信號數(shù)據(jù)計算獲得所述被測目標(biāo)在所述空間直角坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)值(u,v,w)，其中u、v、w為所述被測目標(biāo)在所述空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分量；且u、v、w滿足公式(1)和公式(2)：u=ρλ·D2·U2-ρλ·D1·U1;v=ρλ·D2·V2-ρλ·D1·V1;Ui=(xi-X0,yi-Y0,zi-Z0)·(-sinα,cosα,0);Vi=(xi-X0,yi-Y0,zi-Z0)·(cos(π2-δ)cos(π+α),cos(π2-δ)sin(π+α),sin(π2-δ));Di=|ρi→|,(i=1,2)---(1)]]>w=±(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2-u2-v2λ---(2)]]>其中，λ為所述觀測波長；xi、yi、zi分別是第i觀測站在一地心天球直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分量，i＝1,2；X0、Y0、Z0分別是被測目標(biāo)在所述地心天球直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分量；ρ、α、δ分別為被測目標(biāo)在所述地心天球坐標(biāo)系中的球面坐標(biāo)分量；為所述地心天球直角坐標(biāo)系中第i觀測站至被測目標(biāo)坐標(biāo)(X0,Y0,Z0)的位置矢量。進(jìn)一步地，還包括步驟S17：根據(jù)公式(3)評估位置誤差σα,δ，公式(3)：σα,δ=w′·λ·ΔρBuvBuv=(u·cosδ+v)·λw′=1λ·D2·W2′-1λ·D1·W1′Wi,=(xi-X0,yi-Y0,zi-Z0)·(cosδcosα,cosδsinα,sinδ)i=1,2---(3)]]>其中，Δρ為地心至所述被觀測目標(biāo)的距離誤差。進(jìn)一步地，包括步驟：根據(jù)所述信號數(shù)據(jù)獲得所述被測目標(biāo)的VLBI圖像。進(jìn)一步地，所述信號數(shù)據(jù)獲得所述被測目標(biāo)的VLBI圖像步驟包括：S21：所述數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)所述信號數(shù)據(jù)構(gòu)建一UVW空間可見度函數(shù)；S22：對所述UVW空間可見度函數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)；S23：根據(jù)所述被測目標(biāo)在所述空間直角坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)分量u和v的數(shù)值，將校準(zhǔn)后的所述UVW空間可見度函數(shù)排布至一UV平面上，UV平面為所述U軸與所述V軸構(gòu)成的平面，獲得一UV平面可見度函數(shù)V(u,v)；S24：對所述UV平面可見度函數(shù)V(u,v)進(jìn)行離散采樣獲得采樣數(shù)據(jù)；S25：將所述采樣數(shù)據(jù)代入一公式(4)后，即可獲得所述被測目標(biāo)的亮度分布函數(shù)：I(l,m)＝∫∫V(u,v)ej2π(ul+vm)dudv(4)其中，l,m分別為所述被測目標(biāo)方向的單位矢量在所述空間直角坐標(biāo)系的U軸、V軸上的投影分量；S26：根據(jù)所述被測目標(biāo)的亮度分布函數(shù)獲得所述被測目標(biāo)的VLBI圖像。由于本發(fā)明采用了以上技術(shù)方案，使其具有以下有益效果：根據(jù)u、v、w滿足數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明對近場目標(biāo)建立空間直角坐標(biāo)系并對近場目標(biāo)在該空間直角坐標(biāo)系內(nèi)定位，并具有精度高的特點(diǎn)，為近場目標(biāo)的成像提供了基礎(chǔ)。根據(jù)公式(3)，為對近場目標(biāo)的位置誤差評估提供依據(jù)。本發(fā)明的成像方法實(shí)現(xiàn)了對近場目標(biāo)的精確成像。附圖說明圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一種適用于近場目標(biāo)成像的空間坐標(biāo)系建立方法的流程圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的根據(jù)所述信號數(shù)據(jù)獲得所述被測目標(biāo)的VLBI圖像步驟的流程圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的近場目標(biāo)的成像過程中火星快車觀測中的u、v覆蓋圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的近場目標(biāo)的成像過程中被測目標(biāo)火星快車的成像結(jié)果。具體實(shí)施方式下面根據(jù)附圖1-4，給出了本發(fā)明的一個較佳實(shí)施例，并予以詳細(xì)描述，以輔助更好地理解本發(fā)明的功能、特點(diǎn)。請參閱圖1，本發(fā)明的一種適用于近場目標(biāo)成像的空間坐標(biāo)系建立方法，包括步驟：S11：設(shè)定多個觀測站；S12：多個觀測站接收同一預(yù)設(shè)觀測任務(wù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)觀測任務(wù)內(nèi)容觀測一被測目標(biāo)，同時采集被測目標(biāo)的信號數(shù)據(jù)；S13：多個觀測臺將各自采集到的信號數(shù)據(jù)發(fā)送給一數(shù)據(jù)處理中心；S14：獲取各觀測站和被觀測目標(biāo)的位置坐標(biāo)，以及被測目標(biāo)發(fā)射信號的觀測波長；S15：構(gòu)建一空間直角坐標(biāo)系的UVW坐標(biāo)軸，UVW坐標(biāo)軸的一W軸由地心指向被測目標(biāo)，述UVW坐標(biāo)軸的一V軸在W軸與地球自轉(zhuǎn)軸所構(gòu)成的平面內(nèi)垂直于W軸且指向北天極方向，UVW坐標(biāo)軸的一U軸、V軸和W軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系；S16：數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)信號數(shù)據(jù)計算獲得被測目標(biāo)在空間直角坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)(u,v,w),其中u、v、w為被測目標(biāo)在空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分量；且u、v、w滿足公式(1)和公式(2)：w=±(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2-u2-v2λ---(2)]]>其中，λ為觀測波長；xi、yi、zi分別是第i觀測站在一地心天球直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分量，i＝1,2；X0、Y0、Z0分別是被測目標(biāo)在地心天球直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分量；ρ、α、δ分別為被測目標(biāo)在地心天球坐標(biāo)系中的球面坐標(biāo)分量；為第i觀測站在地心天球直角坐標(biāo)系中至被測目標(biāo)坐標(biāo)(X0,Y0,Z0)的位置矢量。進(jìn)一步地，還包括步驟S17：根據(jù)公式(3)評估位置誤差σα,δ，公式(3)為：σα,δ=w′·λ·ΔρBuvBuv=(u·cosδ+v)·λw′=1λ·D2·W2′-1λ·D1·W1′Wi,=(xi-X0,yi-Y0,zi-Z0)·(cosδcosα,cosδsinα,sinδ)i=1,2---(3)]]>本發(fā)明中u、v、w滿足公式(1)和公式(2)的推導(dǎo)過程如下：首先，根據(jù)現(xiàn)有的對于河外射電源其時延的計算公式為：τg=-B·cosθc=-Bc[sinδbsinδsou+cosδbcosδscos(αb-αsou)]---(8)]]>式中，θ為基線矢量與觀測的河外射電源方向的夾角，(αsou,δsou)為射電源的赤經(jīng)、赤緯，(αb,δb)為基線的赤經(jīng)、赤緯值，B為基線長度，c為光速。τg為待求河外射電源時延。對公式(8)兩邊同乘以2πf,然后關(guān)于(αsou,δsou)求一階偏導(dǎo)并結(jié)合公式(5)，可得：Δφ=2π(ul+vm)=2πf∂τg∂αdα+2πf∂τg∂δdδ=2π-Bλ{(sinδbcosδsou-cosδbsinδsoucos(αb-αsou))}·Δδ+2π-Bλcosδbcosδsousin(αb-αsou)·Δα=-2π(u·cosδsou·Δα+v·Δδ)]]>式中，Δφ＝2πf·dτg,dτg為由目標(biāo)位置誤差造成的時延，f為觀測頻率，λ為觀測波長。Δφ為由于目標(biāo)位置誤差造成的相位。因此，與河外射電源計算方法的推導(dǎo)類似，可以提出適用于近場目標(biāo)(如：空間探測器)的計算方法。對于太陽系以內(nèi)的目標(biāo)，時延的計算公式為：τg=|ρ2→|-|ρ1→|c=Bc·|ρ2→|-|ρ1→||ρ2→-ρ1→|---(9)]]>式中，為第i個觀測站(xi.yi,zi)至目標(biāo)源(X0，Y0，Z0)的位置矢量，i＝1，2，為基線的長度。將被被測目標(biāo)的直角坐標(biāo)(X0，Y0，Z0)化為對應(yīng)的球面坐標(biāo)(ρ，α，δ)，然后代入公式(9)中，最后對公式(9)關(guān)于球面坐標(biāo)(ρ，α，δ)求一階偏導(dǎo)并乘以2πf得：Δφ=2π(ul+vm+w′·Δρ)=2πf·(∂τg∂αdα+∂τg∂δdδ+∂τg∂ρdρ)=-2π(u·cosδsou·Δα+v·Δδ+w′·Δρ)---(10)]]>式中，Δφ＝2πf·dτg，f為觀測頻率，u,v,w′的計算公式如下：u=ρλ·D2·U2-ρλ·D1·U1;v=ρλ·D2·V2-ρλ·D1·V1;w′=1λ·D2·W2′-1λ·D1·W1′Ui=(xi-X0,yi-Y0,zi-Z0)·(-sinα,cosα,0);Vi=(xi-X0,yi-Y0,zi-Z0)·(cos(π2-δ)cos(π+α),cos(π2-δ)sin(π+α),sin(π2-δ));Wi,=(xi-X0,yi-Y0,zi-Z0)·(cosδcosα,cosδsinα,sinδ)Di=|ρi→|,(i=1,2)---(11)]]>公式(11)中，λ為觀測波長，(xi,yi,zi)為VLBI觀測站的坐標(biāo)，(X0,Y0,Z0)為被觀測目標(biāo)在地心天球直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，該量通過定軌(確定天體運(yùn)行軌跡)獲得。(ρ，α，δ)為與(X0,Y0,Z0)所對應(yīng)的球面坐標(biāo)。從公式(11)中可以看出，的方向由地心指向被觀測目標(biāo)，與W軸的定義一致；在W與Z軸所構(gòu)成的平面內(nèi)且指向赤緯增加的方向，與V軸定義一致；與正交。所以為本發(fā)明中所采用的UVW空間直角坐標(biāo)系的U、V、W軸的單位矢量。因此，公式(11)中u,v表達(dá)式是近場目標(biāo)(如：探測器)的uv值的表達(dá)式，但公式(11)中w′并非其w的表達(dá)式。公式(11)中w′滿足以下關(guān)系：w′·λ＝(cosθ2-cosθ1)(11)式中，θi＝1,2為觀測站i至被觀測目標(biāo)的方向與地心至被觀測目標(biāo)方向的夾角。當(dāng)ρ0趨向于無窮大時，D1＝D2＝ρ，式(10)中的w′趨向于0；u,v值趨向于以波長表示的基線矢量在UVW空間直角坐標(biāo)系中的傳統(tǒng)u,v值，即，u,v值為以波長表示的基線在UV平面上的投影，因此，本發(fā)明定義公式(11)中的u,v為基線矢量在UVW空間直角坐標(biāo)系中的UV值。同時，為保持與傳統(tǒng)UVW坐標(biāo)系中w計算的統(tǒng)一，且保持基線矢量長度不變，因此定義近場目標(biāo)w的計算方法為：w=±(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2-u2-v2λ]]>式中，w的正負(fù)號與式(9)中τg的正負(fù)號一致。從式(10)可以看出，若對空間探測器進(jìn)行VLBI成像定位時，忽略w′·Δρ項，此時應(yīng)該結(jié)合式(11)衡量該項引起的誤差，其引起的位置誤差σα,δ為：σα,δ=w′·λ·ΔρBuv]]>其中，Buv＝(u·cosδ+v)·λ。對于地月距離，式(11)中的w′·λ最大約為1.4×10-4m，通常在10-5m量級，隨著距離的增加，w′也將減小，所以可根據(jù)具體情況決定w′項的取舍。例如，對于中國VLBI網(wǎng)而言，當(dāng)近場目標(biāo)(如：探測器)的地心距存在偏差Δρ＝104m，軌道位置偏差在10"(10,000,000uas(微角秒))時，在忽略高階項的情況下，對于地月距離，舍棄w′項引起的位置誤差約為7.09usa，對于uas(微角秒)量級的測量而言，此時就應(yīng)該考慮w′的影響。若在VLBI成像的同時，也提供對近場目標(biāo)的測速、測距數(shù)據(jù)，則可先將w′·Δρ從可見度函數(shù)中扣除，如此在理論上可提高成像的圖像質(zhì)量，然后在進(jìn)行VLBI成像，最終實(shí)現(xiàn)高精度探測器定位。若未提供被觀測目標(biāo)的測速、測距數(shù)據(jù)，且探測器位于空間中某天體的表面時，可采用如下策略，實(shí)現(xiàn)近場目標(biāo)的高精度定位：(1)取公式(10)中Δρ＝0，此時可求得一組赤經(jīng)、赤緯的偏差。(2)根據(jù)步驟(1)求得的赤經(jīng)、赤緯差，并以天體的表面為約束條件，計算此時的Δρ，Δρ為目標(biāo)存在位置偏差所對應(yīng)的徑向距離差。舉例說明如何以天體表面為約束條件：假定A位于月球上，其位置存在一個微小偏差時，對應(yīng)的赤經(jīng)偏差為a、赤緯偏差為b，距離偏差為Δρ；通過求得的a、b獲得A改正后的方向矢量，該矢量的終點(diǎn)約束在月球表面上，這樣就可求得A改正后的位置相對于其改正前的徑向距離差Δρ。(3)將步驟(2)求得的Δρ代入公式(10)，此時又可求得一組赤經(jīng)、赤緯差。重復(fù)步驟(2)、(3)，直至兩次求得的Δρ的差滿足一定條件為止。即：先后兩次求得的Δρ的差異小于指定的閾值，比如1毫米，具體應(yīng)根據(jù)具體情況設(shè)定。本發(fā)明針對河外射電源uvw計算方法不適用于空間探測器等近場目標(biāo)的缺點(diǎn)，提出了一種適用于空間探測器uvw的計算方法，該方法有助于采用VLBI對空間探測器等近場目標(biāo)高精度成像定位。根據(jù)u、v、w滿足的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明可對近場目標(biāo)建立空間直角坐標(biāo)系并對近場目標(biāo)在該空間直角坐標(biāo)系內(nèi)定位，并具有精度高的特點(diǎn)，為近場目標(biāo)的成像提供了基礎(chǔ)。本發(fā)明針對提出的適用于空間探測器uvw的計算方法中關(guān)于能否忽略探測器至地心的距離誤差的問題進(jìn)行了深入的探討，并提供了相關(guān)的估算算法，以輔助判斷是否可忽略探測器至地心的距離誤差對VLBI成像定位的影響。根據(jù)位置誤差公式，為近場目標(biāo)的誤差評估提供依據(jù)。請參閱圖2，進(jìn)一步地，還包括步驟根據(jù)信號數(shù)據(jù)獲得被測目標(biāo)的VLBI圖像，具體進(jìn)一步包括步驟：S21：數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)信號數(shù)據(jù)構(gòu)建一UVW空間可見度函數(shù)；S22：對UVW空間可見度函數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)；S23：根據(jù)被測目標(biāo)在空間直角坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)分量u和v的數(shù)值，將校準(zhǔn)后的UVW空間可見度函數(shù)排布至一UV平面，UV平面為U軸與V軸構(gòu)成的平面，獲得一UV平面可見度函數(shù)V(u,v)；S24：對UV平面可見度函數(shù)V(u,v)進(jìn)行離散采樣獲得采樣數(shù)據(jù)；S25：將采樣數(shù)據(jù)代入一公式(4)后，對公式(4)進(jìn)行傅里葉變換，獲得被測目標(biāo)的亮度分布函數(shù)：I(l,m)＝∫∫V(u,v)ej2π(ul+vm)dudv(4)其中，l,m分別為被測目標(biāo)方向的單位矢量在空間直角坐標(biāo)系的U軸、V軸上的投影分量；當(dāng)?shù)厍蚺c被觀測目標(biāo)的距離較遠(yuǎn)，被觀測目標(biāo)較小，l,m將近似為角位置偏差。公式(4)為亮度分布函數(shù)，通過公式(4)可得到目標(biāo)圖像的每個像素點(diǎn)的亮度，這些點(diǎn)的集合就構(gòu)成了目標(biāo)的VLBI圖像。S26：根據(jù)被測目標(biāo)的亮度分布函數(shù)獲得被測目標(biāo)的VLBI圖像。例如：以2015年01月05日對火星快車探測器(MarsExpress，MEX)為例簡要說明成像過程。此次參加觀測的VLBI測站有5個：上海的觀測站、北京的觀測站、昆明的觀測站、烏魯木齊的觀測站以及俄羅斯的一個觀測站。依據(jù)MEX在各時刻點(diǎn)的位置坐標(biāo)、觀測站坐標(biāo)及式(11)求得u、v值，u、v值的關(guān)系圖(UV平面)如圖3所示。該關(guān)系圖中橫軸為u值，縱軸為v值，單位均為106個波長。由于u、v值與可見度函數(shù)V(u,v)是一一對應(yīng)的，即有一組(u，v)就對應(yīng)一個可見度函數(shù)，因此可將關(guān)系圖中每對(u，v)點(diǎn)上放置對應(yīng)的可見度函數(shù)度V(u,v)。對圖3中的UV平面上的可見度函數(shù)V(u,v)離散采樣，并進(jìn)行離散傅里葉變換(式(4))即可得到MEX的圖像(參見圖4)，并可獲得毫角秒的定位精度。圖中橫坐標(biāo)為l軸、縱橫坐標(biāo)為m軸，單位均為毫角秒。需要說明的是以上提到的可見度函數(shù)應(yīng)先進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，修正可見度函數(shù)V(u,v)的相位與幅度誤差。本發(fā)明的成像方法實(shí)現(xiàn)了對近場目標(biāo)的精確成像。以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實(shí)施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3