一種空間目標(biāo)動(dòng)態(tài)光學(xué)特性地面模擬中目標(biāo)和光源控制模擬系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種空間目標(biāo)動(dòng)態(tài)光學(xué)特性地面模擬中目標(biāo)和光源控制模擬系統(tǒng)及 方法，具體來(lái)說(shuō)是基于目標(biāo)、太陽(yáng)在空間環(huán)境下的位置關(guān)系變化的動(dòng)態(tài)光學(xué)特性地面模擬 技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 空間目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別是近年來(lái)空間領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向，空間目標(biāo)光學(xué)特性 是空間目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別研究的一個(gè)重要方面。在實(shí)際的空間環(huán)境下，空間目標(biāo)和太陽(yáng)在不 斷地發(fā)生運(yùn)動(dòng)變化，空間目標(biāo)的輻亮度值也是不斷變化的，并且與光源入射光強(qiáng)和空間目 標(biāo)的軌道、姿態(tài)變化密切相關(guān)?，F(xiàn)階段大多的目標(biāo)光學(xué)特性模擬均是靜態(tài)模擬，既設(shè)定光照 條件和目標(biāo)的位置，在該固定條件下研究目標(biāo)的光學(xué)特性，該方法缺乏動(dòng)態(tài)性，且由于條件 參數(shù)設(shè)定沒(méi)有考慮太陽(yáng)和目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)的影響，用于空間目標(biāo)的光學(xué)特性模擬上缺乏置信 度。
[0003] 在天基環(huán)境下獲取空間目標(biāo)動(dòng)態(tài)光學(xué)特性非常困難，因此進(jìn)行空間目標(biāo)動(dòng)態(tài)光學(xué) 特性的地面模擬顯得非常必要。在地面模擬中，太陽(yáng)和目標(biāo)的準(zhǔn)確模擬是決定系統(tǒng)置信度 的關(guān)鍵內(nèi)容。因此如何應(yīng)用地面模擬地面模擬設(shè)備動(dòng)態(tài)的模擬太陽(yáng)、空間目標(biāo)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)， 并準(zhǔn)確的模擬出太陽(yáng)對(duì)目標(biāo)的照度，太陽(yáng)與目標(biāo)的方位關(guān)系變化顯得非常重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種空間目標(biāo)動(dòng)態(tài)光學(xué)特性 地面模擬中目標(biāo)和光源控制模擬系統(tǒng)及方法，具有高保真度、高置信度和高動(dòng)態(tài)性的優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 本發(fā)明技術(shù)解決方案:一種空間目標(biāo)動(dòng)態(tài)光學(xué)特性地面模擬中目標(biāo)和光源控制模 擬系統(tǒng)，其特征在于包括:太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)仿真模塊，光源亮度模擬模塊，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)仿真模塊，五軸 控制指令生成模塊，目標(biāo)三軸運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊，光源二軸運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊;其中：
[0006] 太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)仿真模塊:計(jì)算模擬過(guò)程中太陽(yáng)在太陽(yáng)系下的位置，并根據(jù)坐標(biāo)系關(guān)系 將太陽(yáng)系下的位置矢量轉(zhuǎn)換到地心慣性系下，得到地心慣性系下的太陽(yáng)位置矢量，輸出給 光源亮度模擬模塊和五軸控制指令生成模塊；
[0007]目標(biāo)運(yùn)動(dòng)仿真模塊:完成空間目標(biāo)的軌道和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真與控制;根據(jù)給定的 目標(biāo)初始運(yùn)動(dòng)參數(shù)和控制模式，根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型精度要求完成目標(biāo)動(dòng)力學(xué)模型的建立和 數(shù)值積分方法的選擇，進(jìn)行目標(biāo)運(yùn)動(dòng)仿真和控制系統(tǒng)仿真，模擬時(shí)需要與太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)仿真保 持時(shí)間同步;每一仿真步長(zhǎng)下輸出目標(biāo)的三軸姿態(tài)角、軌道六根數(shù)、地心慣性系下的位置矢 量和速度矢量給五軸控制指令生成模塊，輸出地心慣性系下的目標(biāo)位置矢量給光源亮度模 擬豐吳塊；
[0008]光源亮度模擬模塊：用于模擬太陽(yáng)光的照射;接收太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)仿真模塊輸入的太陽(yáng) 位置矢量，接收目標(biāo)運(yùn)動(dòng)仿真模塊輸入的地心慣性系下的目標(biāo)位置矢量，根據(jù)太陽(yáng)輻照度 模型和光傳輸損耗模型，計(jì)算在太陽(yáng)光強(qiáng)在目標(biāo)處的入射光強(qiáng)，最后基于目標(biāo)處的太陽(yáng)入 射光強(qiáng)，結(jié)合光源和模擬目標(biāo)的實(shí)際距離，計(jì)算出模擬光源的亮度；
[0009] 五軸控制指令生成模塊:完成太陽(yáng)和目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息到模擬目標(biāo)三軸控制指令和 光源兩軸控制指令的變換;接收太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)模擬模塊傳入的地心慣性系下的太陽(yáng)位置矢量， 接收目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模擬模塊輸出的目標(biāo)的三軸姿態(tài)角、軌道六根數(shù)、地心慣性系下的位置矢量 和速度矢量，選定基準(zhǔn)坐標(biāo)系，計(jì)算基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的太陽(yáng)的高低角和方位角作為光源兩軸 控制指令，目標(biāo)在基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的三軸姿態(tài)角作為模擬目標(biāo)三軸控制指令，將光源兩軸控 制指令輸出給光源兩軸運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊，將目標(biāo)三軸控制指令輸出給目標(biāo)三軸運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模 塊；
[0010] 光源兩軸運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊:通過(guò)控制卡接收五軸控制指令生成模塊輸入的光源兩軸 控制指令，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成對(duì)光源負(fù)載的兩軸運(yùn)動(dòng)控制；
[0011]目標(biāo)三軸運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊:接收五軸控制指令生成模塊輸出的目標(biāo)三軸控制指令， 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成對(duì)目標(biāo)負(fù)載的三軸運(yùn)動(dòng)控制。
[0012] 所述光源亮度模擬模塊實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：
[0013] (1)接收太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)仿真模塊輸入的地心慣性系下的太陽(yáng)位置矢量rs，接收目標(biāo)運(yùn) 動(dòng)仿真模塊輸入的地心慣性系下的目標(biāo)位置矢量r T。
[0014] (2)計(jì)算太陽(yáng)發(fā)光強(qiáng)度模型Is，基于目標(biāo)和太陽(yáng)的相對(duì)位置矢量rs-r T，結(jié)合光傳輸 損耗模型，計(jì)算目標(biāo)處的太陽(yáng)入射光強(qiáng)It;
[0015] (3)基于目標(biāo)處的太陽(yáng)入射光強(qiáng)Ιτ，結(jié)合模擬的光源和目標(biāo)的實(shí)際距離r，計(jì)算出 模擬光源的亮度。
[0016] 所述五軸控制指令生成模塊實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：
[0017] (1)接收太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)模擬模塊輸入的地心慣性系下的太陽(yáng)位置矢量rs，接收目標(biāo)運(yùn) 動(dòng)模擬模塊輸出的目標(biāo)的三軸姿態(tài)角和姿態(tài)角速度(奶嘆P)、軌道六根數(shù)(a，e，i，ω，Ω， u)、地心慣性系下的位置矢量rT和速度矢量ντ，計(jì)算軌道系相對(duì)于地心慣性系的轉(zhuǎn)換矩陣 Coi；
[0018] (2)計(jì)算太陽(yáng)在目標(biāo)軌道坐標(biāo)系下的位置矢量rs '，并基于位置矢量計(jì)算軌道坐標(biāo) 系下的高低角α和方位角β;
[0019] (3)選取基準(zhǔn)坐標(biāo)系。判斷方位角大小，如果方位角# 基準(zhǔn)坐標(biāo)系選 為目標(biāo)的軌道坐標(biāo)系，如果方位角,# f，f〇基準(zhǔn)坐標(biāo)系選為與目標(biāo)軌道坐標(biāo)系x、y 軸相反，z軸與目標(biāo)軌道系重合的坐標(biāo)系；
[0020] (4)計(jì)算基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的太陽(yáng)高低角α'和方位角β'，目標(biāo)三軸姿態(tài)角 根據(jù)基準(zhǔn)坐標(biāo)系和目標(biāo)軌道坐標(biāo)系的關(guān)系，計(jì)算基準(zhǔn)坐標(biāo)系相對(duì)于目標(biāo)軌道坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩 陣，基于基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的太陽(yáng)位置矢量計(jì)算太陽(yáng)的高低角和方位角，基于基準(zhǔn)系、軌道系和 目標(biāo)本體系的關(guān)系計(jì)算基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的目標(biāo)三軸姿態(tài)角。
[0021] -種空間目標(biāo)動(dòng)態(tài)光學(xué)特性地面模擬中目標(biāo)和光源控制模擬方法，其特征在于實(shí) 現(xiàn)步驟為：
[0022] (1)首先運(yùn)行太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)仿真模塊和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)仿真模塊，太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)仿真模塊輸出太 陽(yáng)在地心慣性系下的位置矢量，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)仿真模塊輸出目標(biāo)的三軸姿態(tài)角、軌道六根數(shù)、地 心慣性系下的位置矢量和速度矢量；
[0023] (2)光源亮度模擬模塊輸入地心慣性系下太陽(yáng)的位置矢量和目標(biāo)的位置矢量，根 據(jù)太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度模型和光傳輸損耗模型，結(jié)合模擬光源和模擬目標(biāo)的實(shí)際距離計(jì)算模擬 光源的亮度；
[0024] (3)五軸控制指令生成模塊輸入地心慣性系下太陽(yáng)的位置矢量，輸入目標(biāo)的三軸 姿態(tài)角、軌道六根數(shù)、地心慣性系下的位置矢量和速度矢量，計(jì)算基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的太陽(yáng)的高 低角和方位角并輸出給光源兩軸運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊，計(jì)算基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的目標(biāo)的三軸姿態(tài)角輸 出給目標(biāo)三軸運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊；
[0025] (4)光源兩軸運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊接收基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的太陽(yáng)的高低角和方位角指令完成 對(duì)光源負(fù)載的兩軸運(yùn)動(dòng)控制；目標(biāo)三軸運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊接收基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的目標(biāo)的三軸姿態(tài) 角完成對(duì)目標(biāo)三軸的運(yùn)動(dòng)控制。
[0026] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0027] (1)本發(fā)明以太陽(yáng)和目標(biāo)的在空間環(huán)境下的實(shí)際運(yùn)動(dòng)為依據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)目標(biāo)光學(xué)特 性的地面模擬，具備高保真性。
[0028] (2)本發(fā)明中太陽(yáng)和目標(biāo)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)可根據(jù)精度要求采用不同的動(dòng)力學(xué)模型 和數(shù)值積分方法獲取，以此為基礎(chǔ)的光源和目標(biāo)的控制模擬置信度和可擴(kuò)展性高。
[0029] (3)本發(fā)明中光源和目標(biāo)的控制模擬指令會(huì)隨著太陽(yáng)和目標(biāo)的仿真推進(jìn)以仿真步 長(zhǎng)為單位連續(xù)獲取，五軸控制指令也可在每個(gè)仿真步長(zhǎng)內(nèi)獲取和執(zhí)行，因此動(dòng)態(tài)目標(biāo)光學(xué) 特性的地面模擬過(guò)程呈現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0031 ]圖2為本發(fā)明使用的地面模擬設(shè)備結(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖3為本發(fā)明中日地月矢量關(guān)系圖；
[0033] 圖4為本發(fā)明中太陽(yáng)在目標(biāo)軌道坐標(biāo)系下高低角和方位角的描述。<