基于CCD漂移扫描技术监测地球同步轨道卫星试验_于涌
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收稿日期：2015-09-11 基金项目：国家自然科学基金资助项目（U1331112，11173027） 作者简介：于涌，男，博士，副研究员，主要从事天体测量研究。
34 时间频率学报
总 39 卷
the forecast precision of targets, and in the absence of orbit control, the precisions of 24-hour/48-hour position forecast are all better than 3″ both for azimuth and elevation. Key words: GEO observation; CCD drift-scan technique; image processing; data analysis
观测资料处理的任务是，根据观测图像计算得到同步轨道目标的方位和俯仰，其主要过程包括图像 预处理、恒星和目标星象检测提取、参考星匹配和目标天文定位等步骤。其中，图像预处理采用对 CCD 图像逐行逐列拟合的方法 ， 达到抑制背景不均匀起伏的目的。 恒星星象检测提取采用 “连通域方法” ， 参考星匹配采用“弧长匹配”方法 ，参考星表为 UCAC4 星表 。星象质心量度坐标的计算采用“二维 修正矩” 方法 。 针对 CCD 漂移扫描观测的特点， 本节主要介绍目标星象的检测提取和目标的天文定位。
35
2
观测资料处理方法
应用 CCD 漂移扫描技术观测同步轨道目标时，观测按“轮”的方式进行。图 1 为一轮完整的观测
图像示例，观测次序为：首先，以 CCD 漂移扫描模式观测得到 1 帧恒星图像，如图 1（a）所示；然后， 以凝视观测模式连续获得多帧目标图像，如图 1（b）～（f）所示；最后，再以漂移扫描模式观测得到 1 帧恒星图像，如图 1（g）所示。
0
引言
地球同步轨道卫星因其独特的高轨静地特性，在通讯、电视转播、气象、自然灾害发生与持续观察
和数据中继等方面得到广泛应用，特别是在军事通信领域发挥着不可或缺的作用。根据北美防空联合司 令部（NORAD）发布的数据，截止 2015 年 7 月，在轨地球同步轨道目标约 1 200 颗。随着卫星发射活 动日益频繁，地球同步轨道由于其“不可再生性”而成为各国重视的稀缺资源。地球同步轨道上不但卫 星数量众多，而且运动形式多样，包括卫星入轨、在轨运行、轨控机动、退役失效、离轨漂移甚至是碰 撞等。为了保障我国航天活动的安全，有必要开展同步轨道目标的精密监测，为同步轨道卫星的运行状 态判断、捕获识别和碰撞预警分析提供参考依据 。 地基光电观测在空间目标监测中发挥着重要的作用，利用光电望远镜进行观测是监测较远距离、较 小尺寸空间目标的主要手段 。2007 年，上海天文台研发了针对同步轨道目标的 CCD 漂移扫描光电观 测技术 。该技术利用 CCD 电荷逐步转移原理，通过调整 CCD 电荷转移速度，实现在望远镜静止时电 荷跟踪运动目标的功能。观测时，利用 CCD 漂移扫描模式和凝视模式分别获取圆形的恒星星象和圆形 的同步轨道目标星象，相对于恒星实现目标的天文定位。 2014 年，我们改造了国家授时中心一台 35 cm 口径望远镜，通过增加具备 TDI（time delayed and integration）功能的 CCD 相机和 GPS 时间系统，使其实现 CCD 漂移扫描观测的功能。为了评估利用该设 备监测同步轨道目标的性能，对 3 颗同步轨道卫星开展了持续多天的试验观测。本文第 1 节介绍观测设 备主要参数和试验观测数据情况，第 2 节描述了观测资料的处理方法，第 3 节为精度分析与评估，重点 分析同步轨道目标的观测精度，评估利用观测数据改进轨道的效果，最后为结语。
Abstract: In the field of monitoring GEO (geosynchronous earth orbit) satellites, the observation with ground-based photo-electric telescopes is a main method. In 2014, a 35 cm telescope, which belongs to NTSC (the national time service center, Chinese Academy of Sciences) was upgraded to realize the function of CCD drift-scan to monitor GEO satellites. The method for detecting and extracting target images and celestial positioning in observation data processing is presented in this paper. Observation experiment of GEO satellites has been carried out with this telescope. The experimental results obtained with this telescope show that the observation precision for GEO targets is ～0.5″ and the instability of the telescope pointing is the main factor affecting the accuracy of observation. The orbit-improving experiments show that the orbit improvement based on multi-pass observations is more effective than that based on single-pass observations. Orbit control can affect
第1期
于涌等：基于 CCD 漂移扫描技术监测地球同步轨道卫星试验 续表 1 目标 NORAD 编号 29045 29045 29045 29045 29045 29045 29045 33274 33274 33274 33274 观测日期 20140604 20140605 20140606 20140728 20140729 20140730 20140731 20140728 20140729 20140730 20140731 观测时段（UTC） 17:12:30—20:50:18 15:06:00—20:47:15 14:03:53—18:40:02 16:54:19—20:21:24 13:22:29—20:14:58 13:08:04—19:58:30 12:59:19—18:25:18 16:41:25—18:24:07 13:09:05—18:37:14 13:34:00—18:23:02 13:04:28—17:48:55
(1. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China)
表1 目标 NORAD 编号 27399 27399 27399 27399 27399 27399 27399 试验观测数据信息 观测日期 20140604 20140605 20140606 20140728 20140729 20140730 20140731 观测时段（UTC） 17:05:24—18:41:59 14:18:40—18:40:47 13:57:27—18:17:58 17:08:42—17:51:33 13:15:37—17:21:22 13:02:54—18:07:07 13:29:28—17:15:36
时间频率学报
基于 CCD 漂移扫描技术监测地球同步轨道卫星试验1
于涌 ，罗浩 ，严丹 ，张会彦 ，毛银盾 ，唐正宏
（1. 中国科学院 上海天文台，上海 200030； 2. 中国科学院大学，北京100049； 3. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600）
1 1,2 2,3 1 1 1
摘要：在地球同步轨道卫星监测领域，利用地基光电望远镜的观测是主要的手段。2014 年，通 过改造中国科学院国家授时中心一台口径 35 cm 的望远镜，使其具备针对地球同步轨道目标进 行 CCD 漂移扫描观测的功能。介绍了观测资料处理中的目标星象检测提取和天文定位的方法。 利用该望远镜开展了地球同步轨道目标的观测试验。试验结果表明，该设备的同步轨道目标观 测精度约为 0.5″， 其中望远镜指向的不稳定性是影响观测精度的主要因素。 轨道改进试验表明， 相对于仅用单圈次观测结果，利用多圈次观测结果的轨道改进效果明显，其中轨控发生会影响 目标的预报精度，在无轨控发生时，24 h 和 48 h 点位预报精度在方位和俯仰上均好于 3″。 关 键 词：同步轨道卫星观测；CCD 漂移扫描技术；图像处理；数据分析 文献标志码： A 文章编号： 1674-0637(2016)01-0033-12 中图分类号：P12
[3] [2]Fra Baidu bibliotek[1]
1
观测设备与数据
观测所用望远镜为上述具有 CCD 漂移扫描观测功能的一台口径 35 cm的星特朗望远镜， 焦距为4 010 mm。
配备的 CCD 相机为 Apogee 的 U9000 相机，其阵列为 1 528 像素×1 528 像素（binning2 模式） ，像素尺寸 为 24 μm，观测视场为 0.5°×0.5°。2014 年 6 月和 7 月，利用该望远镜对 3 颗同步轨道目标持续进行多 天观测，表 1 列出观测数据信息，平均每个目标一个晚上的观测时长在 4 h 以上。
（a）
（b）
（c）
（d）
（e） 图1
（f）
（g）
应用 CCD 漂移扫描技术观测同步轨道目标的一轮图像示例
36 时间频率学报
总 39 卷
DOI：10.13875/j.issn.1674-0637.2016-01-0033-12
Experiment of monitoring GEO satellites with CCD drift-scan technique
YU Yong1, LUO Hao1,2, YAN Dan2,3, ZHANG Hui-yan1, MAO Yin-dun1, TANG Zheng-hong1
总第 39 卷 第 1 期 Vol.39 No.1 2016 年 1 月 Journal of Time and Frequency Jan., 2016
34 时间频率学报
总 39 卷
the forecast precision of targets, and in the absence of orbit control, the precisions of 24-hour/48-hour position forecast are all better than 3″ both for azimuth and elevation. Key words: GEO observation; CCD drift-scan technique; image processing; data analysis
观测资料处理的任务是，根据观测图像计算得到同步轨道目标的方位和俯仰，其主要过程包括图像 预处理、恒星和目标星象检测提取、参考星匹配和目标天文定位等步骤。其中，图像预处理采用对 CCD 图像逐行逐列拟合的方法 ， 达到抑制背景不均匀起伏的目的。 恒星星象检测提取采用 “连通域方法” ， 参考星匹配采用“弧长匹配”方法 ，参考星表为 UCAC4 星表 。星象质心量度坐标的计算采用“二维 修正矩” 方法 。 针对 CCD 漂移扫描观测的特点， 本节主要介绍目标星象的检测提取和目标的天文定位。
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观测资料处理方法
应用 CCD 漂移扫描技术观测同步轨道目标时，观测按“轮”的方式进行。图 1 为一轮完整的观测
图像示例，观测次序为：首先，以 CCD 漂移扫描模式观测得到 1 帧恒星图像，如图 1（a）所示；然后， 以凝视观测模式连续获得多帧目标图像，如图 1（b）～（f）所示；最后，再以漂移扫描模式观测得到 1 帧恒星图像，如图 1（g）所示。
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引言
地球同步轨道卫星因其独特的高轨静地特性，在通讯、电视转播、气象、自然灾害发生与持续观察
和数据中继等方面得到广泛应用，特别是在军事通信领域发挥着不可或缺的作用。根据北美防空联合司 令部（NORAD）发布的数据，截止 2015 年 7 月，在轨地球同步轨道目标约 1 200 颗。随着卫星发射活 动日益频繁，地球同步轨道由于其“不可再生性”而成为各国重视的稀缺资源。地球同步轨道上不但卫 星数量众多，而且运动形式多样，包括卫星入轨、在轨运行、轨控机动、退役失效、离轨漂移甚至是碰 撞等。为了保障我国航天活动的安全，有必要开展同步轨道目标的精密监测，为同步轨道卫星的运行状 态判断、捕获识别和碰撞预警分析提供参考依据 。 地基光电观测在空间目标监测中发挥着重要的作用，利用光电望远镜进行观测是监测较远距离、较 小尺寸空间目标的主要手段 。2007 年，上海天文台研发了针对同步轨道目标的 CCD 漂移扫描光电观 测技术 。该技术利用 CCD 电荷逐步转移原理，通过调整 CCD 电荷转移速度，实现在望远镜静止时电 荷跟踪运动目标的功能。观测时，利用 CCD 漂移扫描模式和凝视模式分别获取圆形的恒星星象和圆形 的同步轨道目标星象，相对于恒星实现目标的天文定位。 2014 年，我们改造了国家授时中心一台 35 cm 口径望远镜，通过增加具备 TDI（time delayed and integration）功能的 CCD 相机和 GPS 时间系统，使其实现 CCD 漂移扫描观测的功能。为了评估利用该设 备监测同步轨道目标的性能，对 3 颗同步轨道卫星开展了持续多天的试验观测。本文第 1 节介绍观测设 备主要参数和试验观测数据情况，第 2 节描述了观测资料的处理方法，第 3 节为精度分析与评估，重点 分析同步轨道目标的观测精度，评估利用观测数据改进轨道的效果，最后为结语。
Abstract: In the field of monitoring GEO (geosynchronous earth orbit) satellites, the observation with ground-based photo-electric telescopes is a main method. In 2014, a 35 cm telescope, which belongs to NTSC (the national time service center, Chinese Academy of Sciences) was upgraded to realize the function of CCD drift-scan to monitor GEO satellites. The method for detecting and extracting target images and celestial positioning in observation data processing is presented in this paper. Observation experiment of GEO satellites has been carried out with this telescope. The experimental results obtained with this telescope show that the observation precision for GEO targets is ～0.5″ and the instability of the telescope pointing is the main factor affecting the accuracy of observation. The orbit-improving experiments show that the orbit improvement based on multi-pass observations is more effective than that based on single-pass observations. Orbit control can affect
第1期
于涌等：基于 CCD 漂移扫描技术监测地球同步轨道卫星试验 续表 1 目标 NORAD 编号 29045 29045 29045 29045 29045 29045 29045 33274 33274 33274 33274 观测日期 20140604 20140605 20140606 20140728 20140729 20140730 20140731 20140728 20140729 20140730 20140731 观测时段（UTC） 17:12:30—20:50:18 15:06:00—20:47:15 14:03:53—18:40:02 16:54:19—20:21:24 13:22:29—20:14:58 13:08:04—19:58:30 12:59:19—18:25:18 16:41:25—18:24:07 13:09:05—18:37:14 13:34:00—18:23:02 13:04:28—17:48:55
(1. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China)
表1 目标 NORAD 编号 27399 27399 27399 27399 27399 27399 27399 试验观测数据信息 观测日期 20140604 20140605 20140606 20140728 20140729 20140730 20140731 观测时段（UTC） 17:05:24—18:41:59 14:18:40—18:40:47 13:57:27—18:17:58 17:08:42—17:51:33 13:15:37—17:21:22 13:02:54—18:07:07 13:29:28—17:15:36
时间频率学报
基于 CCD 漂移扫描技术监测地球同步轨道卫星试验1
于涌 ，罗浩 ，严丹 ，张会彦 ，毛银盾 ，唐正宏
（1. 中国科学院 上海天文台，上海 200030； 2. 中国科学院大学，北京100049； 3. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600）
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摘要：在地球同步轨道卫星监测领域，利用地基光电望远镜的观测是主要的手段。2014 年，通 过改造中国科学院国家授时中心一台口径 35 cm 的望远镜，使其具备针对地球同步轨道目标进 行 CCD 漂移扫描观测的功能。介绍了观测资料处理中的目标星象检测提取和天文定位的方法。 利用该望远镜开展了地球同步轨道目标的观测试验。试验结果表明，该设备的同步轨道目标观 测精度约为 0.5″， 其中望远镜指向的不稳定性是影响观测精度的主要因素。 轨道改进试验表明， 相对于仅用单圈次观测结果，利用多圈次观测结果的轨道改进效果明显，其中轨控发生会影响 目标的预报精度，在无轨控发生时，24 h 和 48 h 点位预报精度在方位和俯仰上均好于 3″。 关 键 词：同步轨道卫星观测；CCD 漂移扫描技术；图像处理；数据分析 文献标志码： A 文章编号： 1674-0637(2016)01-0033-12 中图分类号：P12
[3] [2]Fra Baidu bibliotek[1]
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观测设备与数据
观测所用望远镜为上述具有 CCD 漂移扫描观测功能的一台口径 35 cm的星特朗望远镜， 焦距为4 010 mm。
配备的 CCD 相机为 Apogee 的 U9000 相机，其阵列为 1 528 像素×1 528 像素（binning2 模式） ，像素尺寸 为 24 μm，观测视场为 0.5°×0.5°。2014 年 6 月和 7 月，利用该望远镜对 3 颗同步轨道目标持续进行多 天观测，表 1 列出观测数据信息，平均每个目标一个晚上的观测时长在 4 h 以上。
（a）
（b）
（c）
（d）
（e） 图1
（f）
（g）
应用 CCD 漂移扫描技术观测同步轨道目标的一轮图像示例
36 时间频率学报
总 39 卷
DOI：10.13875/j.issn.1674-0637.2016-01-0033-12
Experiment of monitoring GEO satellites with CCD drift-scan technique
YU Yong1, LUO Hao1,2, YAN Dan2,3, ZHANG Hui-yan1, MAO Yin-dun1, TANG Zheng-hong1
总第 39 卷 第 1 期 Vol.39 No.1 2016 年 1 月 Journal of Time and Frequency Jan., 2016