Vệtinh nhântạo
Một vệ tinh nhân tạo hay gọi ngắn gọn là vệ tinh, là bất kỳ một vật thể nàodo con người chế tạo nên quay quanh Trái đất Cần phân biệt với vệ tinh tựnhiên, ví dụ mọi vật thể thuộc Hệ Mặt Trời gồm cả Trái Đất, đều là vệ tinh tựnhiên của Mặt Trời; hoặc vệ tinh tự nhiên của Trái Đất là Mặt Trăng Vệ tinhnhân tạo đầu tiên là Sputnik 1 được Liên Xô phóng lên ngày 4/10/1957. Chođến ngày nay đã có hàng nghìn vệ tinh được phóng lên bao gồm các vệ tinhthươngmại,thôngtinliênlạc,nghiêncứukhoahọc…ngoàiracòncócácchòmsao vệtinh củaStarLink,OneWeb…lênđếnsốlượnghàngnghìnchiếc.
Như ảnh trên chúng ta thấy có các vệ tinh bay khá gần Trái đất, một số baycao hơn và cuối cùng là các vệ tinh bay cao nhất nằm rải rác trong một mặt cầugọi là quỹ đạo địa đồng bộ, với trường hợp đặc biệt có nhiều vệ tinh nằm trongquỹđạođịa tĩnh.
Cácthôngsốquỹđạocủavệtinhnhân tạo
Các thông số quỹ đạo của vệ tinh, hay còn gọi là tham số quỹ đạo Keplerđược thể hiện như hình bên dưới với các tham số như hình dưới, trong đó quỹđạo của vật thể quay quanh vật thể khác lớn hơn có hình dạng elíp với vật thểchủ nằmởmộttronghaitiêuđiểmcủaelípđó:
Một lựa chọn truyền thống cho các tham số quỹ đạo Kepler trong thiên vănhọc là các tham số Kepler, đặt tên theo Johannes Kepler và các định luật củaông,vànhiềukhi,bántrụclớnđượcdùngthaychochukỳquỹđạo.
Thamsố Ký hiệ u Địnhnghĩa Ýnghĩa
1 Độ nghiêngquỹđạ o i gócgiữamặtphẳngquỹ đạovàmặtphẳngthamchiếu ấnđịnhmặtphẳngquỹ đạo
2.Kinh độ củađiểmnútlên Ω gócgiữađiểmm ọ c q u ỹ đạ ovàđiểmxuânphântrênmặtp hẳng thamchiếu ấnđịnhmặtphẳngquỹ đạo
3.Acgumencủacậ nđiểm ω gócgiữađiểmnútlêncủaquỹđạov àcậnđiểmquỹđạotrênmặtphẳn gquỹđạo ấn định phươnghướng quỹ đạotrong mặt phẳngquỹđạo
5.Độlệch tâmhaytâmsaiquỹ đạo e độlệchtâmcủahìnhelípmi êutảquỹđạo hìnhdángquỹđạo
6.Góccậnđiểmthự c f gócgiữavậtmvàcậnđiểmquỹ đạocóđỉnhlàtiêuđiểmquỹđạo xácđịnhvịtrícủavật mtrênquỹđạo
Như vậy với một bộ 6 tham số quỹ đạo này là có thể xác định được địnhdanh vệ tinh này thông qua danh mục các vệ tinh đã được đăng ký Dữ liệuthamsốquỹđạocủacácvậtthểbay,đặcbiệtlà vệtinhthươngmại,nghiêncứukhoahọc(trừcácvệtinhquânsự)đượccáctổchứcgiámsátvậtthểbayc hiasẻcôngkhaitrênmạngquacácwebsitenhư:www.celestrak.com,www.n2yo.co m,…
Thuậttoánxác định quỹđạocủavậtthể
Để xác định quỹ đạo vật thể bay [1] sử dụng kính thiên văn quang học ta cầntối thiểu 3 lần quan sát, tại các thời điểm𝑡1, 𝑡2, 𝑡3; sau đó ta sử dụng thuật toánxácđịnhtọađộsaođểphân tích ảnh vàtính toán ratọađộ củavệ tinhtrong cáclầnquansátnày(làcácgócngẩngaltvàgócphươngvịazicủakínhthiênvăn);cuối cùng các thuật toán khác sẽ được sử dụng để tính toán ra bộ sáu thông sốquỹđạo vậtthểtừcác gócazivàalttại bathờiđiểm𝑡 1 ,𝑡 2 ,𝑡 3 Ảnh bên dưới minh họa ba lần quan sát một vệ tinh từ 3 vị trí khác nhau trênTráiđất(hìnhtrái)và3lầnquan sát từcùngmộtvịtrí địa lý(hình phải).
- 3vectơ𝜌⃗ i :vectơvịtrívệtinhtạinớiquansát,tínhđượctừtọađộvệtinh(là gócngẩng vàphương vị).
- 3 vectơ𝑟i: vectơ vị trí vệ tinh trong hệ quy chiếu tâm Trái đất, là ẩn số cầntìmcủabàitoánnày.
- 3 giá trị𝜌 i: là khoảng cách từ vị trí quan sát đến vệ tinh, là các đại lượngchưa biết.
Từ góc ngẩng, góc phương vị, tọa độ địa lý và thời gian ta tính được xíchkinh𝜌 ivà xíchvĩ𝜌 i Sauđósửdụngcôngthứcdướiđâyđểtínhracácvectơvịtr ívệtinhtại nơiquansát:
Với𝐼⃗,𝐽⃗,𝐾¯⃗làcácvectơđơnvị. Đề giải hệ phương trình (1), ở đây học viên áp dụng phương thức Gauss [2]do nhà toán học, vật lý và thiên văn học cùng tên đã phát triển ra kỹ thuật toánhọcnày.
𝑟 1 ,𝑟 2 ,𝑟 3ph i ải nằmtrên mộtmặtphẳng,cho nên:
Với𝑣2l à v n t c c a v t i n h t i t h i đ i mận tốc của vệ tinh tại thời điểm ốc của vệ tinh tại thời điểm ủa vệ tinh tại thời điểm ệ tinh tại thời điểm ại thời điểm ời điểm ểm 𝑡2;𝑓1, 𝑔1l à c á c h s L a g r a n g eệ tinh tại thời điểm ốc của vệ tinh tại thời điểm tại thời điểm𝑡1;𝑓3, 𝑔3là các h s Lagrange t iệ tinh tại thời điểm ốc của vệ tinh tại thời điểm ại thời điểm th i đi mời điểm ểm 𝑡3 Mục tiêu củachúng talàtínhra𝑟 2và 𝑣 2
2 2 2 Đây là phương trình bậc 8 khá khó để giải, tuy nhiên với các thư viện lậptrìnhnhưnumpyhaysympy,việcgiảiphươngtrìnhnàykhádễdàng.Trongtậpnghiệmc họn𝑟2là nghi mệ tinh tại thời điểm dươnghợp lýnhất.
Sau đó từ𝑟2ta sẽ tính ra t t c các giá tr trong các phất cả các giá trị trong các phương trình (1), (2), ải ị trong các phương trình (1), (2), ương trình (1), (2),ng trình (1), (2), (3)như𝑟 1 ,𝑟 3 ,𝜌 1 ,𝜌 2 ,𝜌 3 ,𝑓 1 ,𝑓 3 ,𝑔 1 ,𝑔3t h e o c á ccôngthức dướiđây.
Sauđócácgiá trịnàydùngđểtínhtoánrabộ 6thông sốquỹđạocủavệtinhbao gồm:
Phươngphápquan sátvệtinh
Ánh sáng mặt trời được phản xạ bởi bề mặt vệ tinh theo nhiều hướng khác nhau Một phần ánh sáng phản xạ này được hướng về Trái Đất, cho phép chúng ta chụp ảnh vệ tinh.
Với phương pháp này, thông tin thu được là độ phương, độ cao của vật thểđangquansát.Điềukiệnquansátvàolúcchậpchoạngvàbuổichiềutốiha ylúc sáng sớm, ở một góc nhất định so với mặt trời để có thể thấy được các tiaphảnxạtừvệtinh.Phươngphápnàybịảnhhưởngnhiềubởimâychelấp,nhiễudo ánh sáng xung quanh Nhưng bù lại có thể quan sát được các vệ tinh ở cácđộcaorất lớnnhưcácvệtinhđịatĩnh,cácvệtinh nhỏvàchiphíthấp.
Tuy vậy ánh sáng phản xạ từ vệ tinh vẫn rất yếu không thể nhìn thấy bằngmắt thường hay bằng những máy ảnh thông thường mà cần chụp với thời gianphơisángtừ3~6giâyđểđủlượngánhsángthunhậnvào.
Chụpảnhvệtinhbằngkínhquanghọc
Vì vệ tinh khá mờ so với các ngôi sao và thường không nhìn được bằng mắtthường, vì thế các tấm ảnhc h ụ p v ệ t i n h t h ư ờ n g đ ư ợ c p h ơ i s á n g t r o n g k h o ả n g từ3~6giây.
Lúcđóảnhcủavệtinhsẽxuấthiệnnhưmộtvệtkéocóđộdàingắnkhác nhau tùy theo tốc độ bay của vệ tinh hay thời gian phơi sáng Vệ tinh baycàngnhanhthìhoặc phơisángcànglâuthìvệtkéovệtinhcàngdài.
Cũng do cần thời gian chụp phơi sáng nên thiết bị chụp ảnh cũng phải đápứng được điều này Ở đề tài này học viên sử dụng máy ảnh Canon DSLR 50Dlàmthiết bịchụpảnh vàCCDđơn sắcOrionG3làthiếtbịdự phòng.
Docầnđịnhvịchínhxácvịtrívệtinhchonênkínhthiênvănđượcdùngphảilà loại có động cơ điều khiển tự động và cho phép điều khiển từ máy tính. Tuynhiêncáckínhđềucótiêucựdàidẫnđếntrườngnhìnrấthẹpdẫnđếntrongảnhchụp sẽ xuất hiện rất ít sao và các sao này chưa có trong các danh mục sao phổbiến.Vìthếkhákhócó thể xácđịnh,dán nhãn chocácsaonày.
Để chụp được bức ảnh bao quát nhiều vì sao, người ta sẽ sử dụng kính thiên văn nhỏ có trường nhìn rộng lắp lên thân kính lớn hoặc chân đế kính văn Kính nhỏ này chỉ sử dụng để chụp ảnh, còn chân đế kính thiên văn sẽ đóng vai trò thiết bị chuyển động, giúp định vị chính xác trên bầu trời.
Để kiểm soát chân đế kính thiên văn bằng máy tính, chuẩn giao tiếp ASCOM được sử dụng Riêng đối với máy ảnh Canon, học viên đã lập trình lại phần điều khiển nhằm phù hợp với sở thích cá nhân, dựa trên các thư viện điều khiển máy ảnh công khai Trong suốt quá trình thu thập dữ liệu từ tháng 5/2021 đến tháng 8/2022, học viên đã thực hiện nhiều cấu hình chụp ảnh khác nhau minh họa cho bài báo.
Với cấu hình chụp ảnh trên, độ chính xác chụp ảnh khá tốt và học viên đãchụp được khá nhiều ảnh từ cấu hình này.Tuy nhiên do mỗi tối cần có khâuchuẩnbịtrướcrấtmấtthờigianthìmớichụpđược.
Với cấu hình thứ hai nhỏ gọn này, công tác chuẩn bị sẽ nhanh hơn nên đỡmất thời gian hơn Tuy nhiên ống kính máy ảnh có đường kính hơi bé nên ảnhkhámờ,vìthếchỉcómộtsốítảnhđược chụptừcấuhìnhnày.
Hình1.7.Chụpbằngkínhtrườngrộngtạiđàithiênvăn Đếnđầutháng05/2022,đàithiênvăntạinơihọcviênlàmviệcđãđưavàosử dụng Vì thế cấu hình chụp ảnh bằng kính thiên văn cố định rất thuận tiệncho việc chụp ảnh Hầu như không còn quá trình chuẩn bị trước khi chụp và hệkínhcóđộchínhxácrấtcaonên việcchụpảnhrấtthuậnlợi.
Dữ liệu ảnh chụp vệ tinh hiện nay có thể tải về từ một số nguồn cung cấpnhất định từ các đài thiên văn trên giới với các tài khoản được đăng kýmiễnphí như nguồn từ Đài quan sát thiên văn quốc gia Nhật bản: SMOKA Tomo-eGozendata archive(https://archive.nao.ac.jp/tomoe/)
Tuy nhiên dữ liệu ảnh chụp từ các nguồn này thường có trường nhìn rất hẹpnên vệt vệ tinh xuất hiện rất dài tràn hết lên trên tấm ảnh chụp, số lượng saoxuất hiện ít nên không phù hợp với mục tiêu của đề tài Vì thế học viên đã trựctiếp thực hiện việc thu thập dữ liệu bằng phần mềm tự thiết kế Với phần mềmnày học viên có thể chụp ảnh theo quy trình tự động với nhiều vệ tinh khácnhau Với ít nhất vài ngàn vệ tinh có độ sáng cao đang bay trên bầu trời cộngvớiphầnmềmnàyviệcthuthậpdữliệusẽnhanhchóngvàhiệuquả.Cáchthứclàm việc của phần mềm thu thập là tính toán vị trí của một hay nhiều vệ tinh tạicácthờiđiểmxuấthiệncủanótrongkhoảngthờigianthuthập(lúcchậpchoạngchiều tối và sáng sớm), sau đó điều khiển kính hướng đến đúng vị trí xuất hiện,chờ khi vệ tinh bay qua thì chụp ảnh, chụp xong thì điều khiển kính đón lõng ởvịtríkếtiếpđểchụp.
Quytrìnhthuthậpdữliệu
Cácyêucầuvề ảnhchụpvệtinh
- Trong một lần chụp cho một vệ tinh nào đó, ít nhất phải có 3 tấm chứa cácvệtkéocủa vệtinh.
Do yêu cầu ảnh chụp phải có vệt vệ tinh trên nền sao đồng thời vệt vệ tinhphải nằm gọn bên trong tấm ảnh và vệt này không được tràn qua 2 rìa của tấmảnh Cho nên thời gian phơi sáng cũng vừa đủ để vệt vệ tinh chụp được vừa đủdàivànằmtrọn trongtấmảnh.
Thông thường chỉ phơi sáng khoảng vài giây là đủ thấy được vệ vệ tinh, tuynhiên do nhiều yếu tố khách quan, ảnh chụp được không xuất hiện vệt vệ tinhnào trềnnềnsao,hoặcmâyxuấthiệnquánhiều.
Tính toánvịtrívệtinh
Để chụp ảnh chính xác thì cần phải tính toán vị trí của vệ tinh tại thời điểmnàođó.PhầntínhtoánnàydựavàobộthưviệnTheOrbitToolsLibraries [3]đểtính toán vị trí dựa theo mô hình SGP4 và được triển khai đầy đủ trên nền tảngngônngữlập trìnhC++/C#/VB.NET.
Xácđịnhthờigianmọc/lặncủavệtinh(vàdữliệugócphươngvị/ độcao)chobấtkỳvịtrínàotrênTrái đất.Tùychọntínhtoánthôngtinđộcaotốiđacủa vệtinh.Chophépxácđịnhcáckhuvựctrênbầutrờikhôngthểnhìnt hấytừtrangwebvàcungcấpkhảnănghiểnthịphầntrămchomỗi lầnxuấthiện
1 NNNNNUNNNNNAAANNNNN.NNNNNNNN+.NNNNNNNN+NNNNN-N+NNNNN-NNNNNNN
2 NNNNNNNN.NNNNNNN.NNNNNNNNNNNNNN.NNNNNNN.NNNNNN.NNNNNNNNNNNNNN
Tínhtoántậphợpcácđiểmtrênbềmặttráiđấtnơivệtinhsẽtrựctiếpbay trênđầu khinótiến trongquỹđạo củanó.Thông tinđượccungcấpdướidạngtọađộtrắcđịa.
Tínhvịtrícủamặtt r ờ i t r o n g k h ô n g g i a n t ọ a đ ộ E C I Tínhtoánthôngtinđiểmphụchomặttrời,theotọađộ trắcđịahoặc ECI. Tính toán thông tin về mặt trời (ranh giới ngày/đêm của tráiđất) trong các tọa độ trắc địa, hoặc ECI Xác định góc nhìn tớimặttrờitừ bấtkỳvịtrínàotrênTráiđất.Xácđịnhxemmộtvị trívệtinhhoặcTráiđấtcóđượcmặttrờichiếusánghaykhông.
Tuy nhiên phần miễn phí của thư viện chỉ có mỗi phần tính toán vị trí của vệtinh,cáctínhnăngcònlạikhôngcó,nhưngnhưthếlàquáđủđểhỗtrợchoviệcthựchiệncôn gtác chụpảnh.
Thư viện này tính toán vị trí vệ tinh thông qua các thông số quỹ đạo của nótừ dữ liệu theo định dạng TLE [4] là định dạng 2 dòng chứa các thông số quỹđạo được thiết lập bởi NORAD và NASA Quy ước của 2 dòng này như bêndưới(dòng0làchuỗi24kítựlàtênđầyđủcủavệtinh):
Xâydựngphầnmềmthuthậpdữliệu
Tínhtoándanhsách cácvệtinhtheoyêucầu đầuvào
Sau khi thiết lập các thông số xong, nhấn nútCalculateđể tính toán các xuấthiện phù hợp với thông số đầu vào Danh sách các xuất hiện này sẽ hiển thị ởdanh sáchnhưhìnhsau:
Cácxuấthiệncóhìnhkhuônmặtcườilàcácvệtinhcó mứcquansáttốt.Cấutrúcmộtlầnxuấthiệncủa vệtinhnhư sau:
Hàng đầu ghi tên vệ tinh, số vệ tinh, thời gian bắt đầu và kết thúc, tổng thời gian Hàng thứ 2, 3, 4 lần lượt là tọa độ điểm đầu, điểm đạt độ cao cực đại và điểm cuối Mục "Tất cả điểm" chứa thời gian và tọa độ vị trí điểm đầu của mỗi đoạn nhỏ đã được chia sẵn.
Lên kếhoạchchụpảnhchonhiềuvệtinh
Sau khi đã tính toán được các xuất hiện, để chụp ảnh liên tục nhiều vệ tinhchỉ cần chọn vệ tinh đó và thêm vào hàng đợi hoặc nắm kéo vệ tinh đó thảxuống bêndướiđể thêmvàohàng chờ.
Khi một vệ tinh được thêm vào hàng chờ, nếu các vệ tinh kế tiếp trong danhmục các xuất hiện có thời gian chồng lấp với vệ tinh vừa thêm vào đó, thì phíatrước các vệ tinh chồng lấp sẽ có dấu gạch chéo X và vệ tinh đó sẽ không đượcphép đưa vào hàng đợi nữa mà phải chọn vệ tinh nào đó không bị chồng lấpthời gian.
Điềukhiển toànbộtiếntrình chụpảnhvệtinh
Sau khi đã tính toán xong danh sách các vệ tinh sắp xuất hiện và tạo ra hàngđợi chụp ảnh của nhiều vệ tinh, bước kế tiếp là kết nối đến kính thiên văn, máivòm(nếucó)và thiếtbịchụpảnh,ởđâylàmáyảnhCanon50D.
Với mỗi đêm làm việc, cần chọn thư mục nào đại diện cho đêm đó Sau đóđối với mỗi lần chụp một vệ tinh, một thư mục con có tên phù hợp với vệ tinhđó sẽ được tạo ra trong thư mục chính Các ảnh chụp của vệ tinh đó cùng vớilog file sẽ được lưu trong thư mục con đó để lưu trữ thông tin cho tính toán saunày. Đểchụpảnhtựđộngcácxuấthiệncủavệtinhtronghàngđợi,nhấnnútGoto&TakeIma ges,kínhsẽdichuyểnđếnđiểmđầucủavệtinhthứnhấttronghàngđợi ngay lập tức Đối với mỗi vệ tinh, sẽ chờ cho đến đúng thời gian để chụptấm ảnh đầu tiên, nếu chụp nhiều hơn một tấm được thiết lập, máy ảnh sẽ chụptiếp các tấm đó Sau khi chụp xong, kính sẽ di chuyển ngay đến điểm đầu củađoạn chia nhỏ kế tiếp Quá trình này sẽ lặp lại cho đến khi hoàn thành các đoạnchia nhỏ củavệtinhđó.
Khi quá trình chụp ảnh vệ tinh hoàn tất, một thư mục có tên vệ tinh_thời gian được tạo ra trong thư mục chính của thiết bị chụp ảnh Các ảnh và log file tương ứng sẽ được lưu trong thư mục này Nếu quá trình chụp ảnh vệ tinh bị gián đoạn do lỗi phần mềm hoặc người dùng nhấn nút Next để chuyển sang vệ tinh khác hoặc nút Stop để dừng chụp, thì tiến trình chụp ảnh sẽ dừng lại nhưng ảnh và log file vẫn được lưu lại.
Khi việc chụp ảnh cho một vệ tinh nào đó hoàn thành, phần mềm sẽ tự độngthaotácvớivệtinhkếtiếptronghàngđợitươngtựnhưcácvệtinhtrướcđó.
Dữ liệuthu thậpđược
Tính đến thời điểm hiện tại, do biến đổi khí hậu nên mùa khô năm nay QuyNhơnmưavànhiềumâynêndữliệu ảnhthuthậpđượctrongthời giantừtháng05/2021đ ế n t h á n g 0 8 / 2 0 2 2 b a o g ồ m 1 6 5 9 tấmả n h v ớ i t ổ n g d u n g l ư ợ n g
Ngoàirakèmtheomỗithư mụcảnhcủamộtvệtinhlàlogfile.Filenàychứacác thông tin liên quan đến vệ tinh vừa chụp xong bao gồm tên và số hiệu vệtinh, tham số quỹ đạo TLE tại thời điểm chụp ảnh, vị trí quan sát, trường nhìn(FoV), thiết bị chụp ảnh Ngoài ra còn các thông tin như số ảnh chụp cho mộtđoạn,thờigianphơisáng,thời điểmvàtọađộcủa từng tấmảnhnhưhìnhdưới.
Các thông tin ở trên rất cần thiết cho giai đoạn tính toán và lập trình sau nàyđể xác định chính xác định dạng của các ngôi sao cũng như tọa độ vệt kéo vệtinh xuấthiệntrong từngtấmảnhnếu có.
Xâydựngthuậttoánmáyhọcxácđịnhtọađộthiênvăntừảnhchụp.35 1 Thuậttoánxácđịnhcác saotrongảnhchụp
Thuậttoánxác địnhvệt kéovệtinhtrongảnhchụp
Với vệt kéo vệ tinh trong ảnh nếu có, sử dụng thuật toán tìm kiếm đườngthẳngtrong ảnhbằngthưviệnOpenCV[10].Cácvệtkéocủavệtinhđượcpháthiệnbằngcácthuậttoán HoughLinesPdùngđểxácđịnhcácđườngthẳngtrongảnh Với các tham số đầu vào phù hợp thì tỉ lệ xác định đường thẳng rất chínhxác.
HoughLinesP(img,rho,theta,threshold,minLineLength,maxLineGap)V ớicácthamsố: img:Ảnhcầnxácđịnhchứacácđườngthẳng rho:Độphângiảicầntínhtoángiátrịtínhtheođiểm ảnh. theta:Độphângiảigóctheoradian. threshold:ngưỡngpháthiện minLineLength:Sốlượngđiểmtốithiểuđểcóthểtạothànhđườngthẳng. maxLineGap:Khehởlớnnhấtđể2đườngcóthểcoilàmột.
Trong luận văn học viên sử dụng bộ tham số sau để xác định đường thẳngtrong ảnh:rho= 1,theta= pi / 180,threshold= 50,minLineLength= 50 vàmaxLineGap=10
Tuy nhiên đối với mỗi đường thẳng chúng ta nhìn thấy trong ảnh, khi ápdụng thuật toán HoughLinesP thì sẽ tìm thấy nhiều đường thẳng vừa ngắn vừachồng lấn lên nhau để tạo ra đường thẳng ban đầu.Vì thế cần có thuật toán hợpnhất các đường nhỏ này lại thành một đường duy nhất đại diện cho vệt kéo vệtinh đã nhìn thấy trong ảnh Bên dưới là một số hình ban đầu và sau khi nhậndạng đườngthẳng. Đường thẳng xác định được sẽ có điểm đầu và điểm cuối, tọa độ tính theođiểm ảnh Cùng với trường nhìn, ta sẽ chuyển các tọa độ điểm này về tọa độtính theođộđể dễdàngtính toánvà phùhợphơnvớicơ sởdữliệusao.
Bên dưới là ba tấm chụp tại ba vị trí liên tiếp của cùng một vệ tinh, các ảnhnày có chất lượng chụp tốt và đều có vệt kéo vệ tinh nằm gọn trong ảnh nênhoàn toàn đạt đủ yêu cầu của bài toán đề ra Và chỉ cần tối thiểu ba vị trí liêntiếp của vệ tinh để xác định được bộ thông số quỹ đạo của nó Càng nhiều ảnhchụp trong một lần xuất hiện thì độ chính xác để xác định thông số quỹ đạo sẽcàng caohơn.
Tuy nhiên, tồn tại một số hình ảnh nhiễu, vệt kéo mờ hoặc có mây khiến thuật toán không xác định được đủ số lượng sao cần thiết cho quá trình gán nhãn cũng như xác định vệt kéo và vệt tinh.
Thuậttoánmáy họcgán nhãn saotrong ảnh chụp
Quá trình xác định định danh hay tọa độ của các sao trong ảnh là quá trìnhdán nhãn sao tự động thường được gọi bằng các tên khác như “cảm biến sao”,“bộ theo dõi sao” Quá trình này cần thực hiện nhanh, chính xác, tin cậy vàkhông quá phức tạp,hiệu quả bằng cách sử dụng mạng nơ-ron và một phươngpháp trích xuất tính năng mạnh mẽ.Vì mạng nơ-ron lưu trữ các mẫu được liênkết với sao dẫn đường, nên việc tra cứu cơ sở dữ liệu sẽ bị loại bỏ khỏi quátrình so sánh [11] Do đó, thời gian tìm kiếm không bị ảnh hưởng bởi số lượngmẫu được lưu trữ trong mạng và làm cho độ phức tạp không đổiO(1).
Thuậttoánđượctrìnhbàycungcấphiệusuấttuyệtvờitrongmộtthiết kếđơngiảnvà nhẹ, làm cho mạng nơ-ron trở thành lựa chọn ưu tiên cho các thuật toán nhậndạng sao.
- Số lượng và phân bố của các ngôi sao xung quanh một ngôi sao nào đó, tacó sơđồtómtắtnhưsau:
Như hình trên ta thấy ngôi sao đang xét sẽ nằm ở trung tâm và các ngôi saoxunh quanh được thể hiện là các nốt màu vàng Tạo các đường tròn vànhkhuyênvới bánkính cáchđềunhauxungquanhngôisaocầnxác địnhvàthốngkê số lượng các sao nằm trong đó Như ở hình trên, vành khuyên thứ nhất chứa1 ngôi sao, vành khuyên thứ 2 không có, vành khuyên thứ 3 có 1 ngôi sao… vàvànhkhuyênthứ5chứa5ngôisao.Vìthếdữliệutươngứng𝑛 isẽ là1,0,1,0,
5,1tươngứngvớicácvànhkhuyênthứ1~6. Để giảm phương sai và cải thiện hiệu suất của mạng nơ-ron, biểu đồ cáckhoảng cách được phân loại làm đầu vào cho mạng là sự phân bố theo khoảngcách đến sao chính Mặc dù mẫu này chỉ lưu giữ thông tin không gian mộtchiều, nhưng vẫn đủ để đạt được hiệu suất và mô hình đó mang lại lợi ích bổsunglàcókhảnăngchống lạicácngôisaogiả(phát sinhdonhiễuthiếtbị,thiếtbịbaykhôngxácđịnh…).
- Có những góc xác định giữa sao đang xét với các sao xung quanh nó, cácgócnàykhôngthayđổivàdễdàngxácđịnhthôngquatọađộgiữachúng.
Trong thực tế, ảnh quan sát luôn chứa nhiều sao hơn so với các cơ sở dữ liệu trên cùng một vùng trời Điều này có nghĩa là khả năng một sao được phát hiện ở ngoài cơ sở dữ liệu là rất cao Để hạn chế vấn đề này, các sao sáng nhất trong ảnh được chọn làm sao dẫn đường, vì chúng có khả năng xuất hiện cao trong cơ sở dữ liệu Việc lựa chọn và sắp xếp sao theo độ sáng được thực hiện bằng thư viện Photutils chuyên dụng trong lĩnh vực trắc quang.
Từ hai đặc trưng trên, chúng ta dựa vào đó để tạo một mảng tham số chứathôngt i n p h â n b ố v à g ó c g i ữ a c á c n g ô i s a o D ữ l i ệ u n à y l à m ả n g [𝑛 1 , 𝑛 2 , 𝑛 3 … , 1 , 2 , 3 …] Sau đó xây d ng m ngựng mạng ại thời điểm n -ron v i c u trúc nhơng trình (1), (2), ới cấu trúc như ất cả các giá trị trong các phương trình (1), (2), ưhình sau:
Số lượng lớp cần huấn luyện tương ứng với số lượng sao đã phát hiện đượcra trong ảnh, để mô hình có thể học các đặc trưng của ngôi sao Và quá trìnhhọc này cần đến một số lượng lớn ảnh đã dán nhãn và việc dán nhãn được tiếnhành cũng ngay trên dữ liệu ảnh đã chụp được Các ảnh này phải chụp sao chomộtngôisaonàođó sẽxuấthiệntrongnhiềuảnhthìquátrìnhđộchính xáchọcmáy sẽ tốt hơn Ngoài ra một số lượng ảnh khác được mô phỏng tạo ra bằngcác thông tin từ tệp cơ sở dữ liệu, các ảnh này sẽ khớp với cấu hình chụp ảnhnhưkíchthướcảnh,trườngnhìn.Cộngthêmcácbiếnđổichothựctếhơnnhư xoayảnhđimột góc nhỏbấtkỳgiốngnhưviệcđặtthiếtbịchụpảnhbịxoayđi.Chitiếtvềquátrìnhdánnhãnnày sẽđượcđềcậpởphần3.1.4bêndưới. Đầu ra của mô hình là định danh của sao hay đơn giản hơn là xác định đượctọa độ (trong hệ tọa độ xích đạo) của nó được lưu trong cơ sở dữ liệu, tọa độnàykhôngđổi nênhoàntoànxácđịnhmộtngôisaonàođó.
#Tínhtoángócgiữa2điểmsovớiphươngngangdefcal_ angle(point,center_point)->float: ang_deg=math.degrees(math.atan2(point[1]-center_point[1],point[0]-center_point[0]))ifang_deg< 0: return360+ang_degels e: return ang_deg#Xácđịnhphân bốsao defcount_star_in_annulus(src,xc,yc,radius1,radius2,star):result=[
] for i in range(len(stars)):x,y=stars[i]
[0]ifdradius1: result.append([x,y]) i=0 count_stars=len(result)fi lterd_stars=[] while i