CN101915581B - 一种用于深空探测的彗星光学面信号模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于深空探测的彗星光学面信号模拟方法，运用OpenGL三维图形库编程实现了光学信号的模拟，对彗星的面信号运用粒子系统进行重建接着根据模拟器输入的时间、观测平台的位置以及相机的指向，生成相应方向的模拟信号，并投影到高性能显示器上，完成光学信号在空间和辐射亮度上的数/模转换，最终形成模拟的光学信号。该方法绘制简单直观，效果较好，为深空探测尤其是彗星撞击探测中光学导航相机提供了可靠的动态光学信号。
Description
技术领域
本发明属于航天导航技术领域，尤其涉及一种用于深空探测的彗星光学面信号模拟方法。
背景技术
2005年美国“深度撞击号”(DeepImpact)飞船发射的“撞击器”(Impactor)成功撞击了“坦普尔1号”(Tempel1)彗星，从此拉开了人类撞击彗星探索的序幕。这次撞击探测中光学导航是撞击器能够准确击中目标的重要保障，在光学导航中，无论是导航相机的测试，还是光学导航中数据处理方案的验证，都离不开星空及目标彗星的光学信号，在探测器实际拍得真实的星空及目标彗星图像前，唯一获得光学信号的途径就是地面实验室环境下的模拟仿真。
目前，国内外已有多家单位成功研制了恒星模拟器，较好的满足了利用恒星的姿态进行测量的测试实验工作，但是导航相机单纯获取恒星信息只能用于姿态确定，要确定探测器与目标彗星的相对位置，还必须获得目标彗星的准确光学信息。
在彗星距离探测器较近时，彗星中的慧核会完全暴露出来，此时探测器观测到的是面信号，目前还没有较为有效的方法对彗星的面信号进行模拟，以获得目标彗星的准确光学信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于深空探测的彗星光学面信号模拟方法，以获得目标彗星的准确光学信息。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于深空探测的彗星光学面信号模拟方法，该方法包括以下步骤：
（1）利用现有的成熟技术绘制出具有准确时空关系和亮度等级的星空背景；
（2）依照彗星的面信号光学信号模型，计算出在不同方位，不同距离上，探测器所能观测到的亮度等级，并运用三角面拟合几何体方法对目标彗星的面信号进行重建；
（3）根据模拟器输入的时间、观测平台的位置以及导航相机的指向，生成目标彗星相应方向的模拟信号；
（4）将投影到高性能显示器上，完成光学信号在空间和辐射亮度上的数/模转换，最终形成模拟的光学信号。
对目标彗星的面信号进行重建的具体步骤如下；
①利用三角面拟合几何体的技术来实现慧核的几何模型重建：三角面拟合几何体即用三角面无限逼近几何体的真实几何形状；
②根据彗星面信号的反射度模型生成相应的反射度纹理；
③将步骤②所得反射度纹理叠加到彗星几何模型上；
④在步骤③的基础上添加太阳光照模型。
彗星的面信号光学信号模型如下：
其中，
为探测器相对彗核的天顶角；
为光线通过厚度
至高度
的彗发区段时该区段彗发的光学厚度；
太阳光照模型中太阳对光学探测器的简单影响模型如下式所示： 
。
在日心黄道坐标系中，探测器对太阳的观测相角
为导航相机成像方向与太阳方向直接的夹角，其公式如下：
其中，探测器到太阳的距离为
，敏感器成像方向为矢量
。
本发明用于深空探测的彗星光学面信号模拟方法运用OpenGL三维图形库编程实现了光学信号的模拟，对彗星的面信号运用粒子系统进行重建接着根据模拟器输入的时间、观测平台的位置以及相机的指向，生成相应方向的模拟信号，并投影到高性能显示器上，完成光学信号在空间和辐射亮度上的数/模转换，最终形成模拟的光学信号。该方法绘制简单直观，效果较好，为深空探测尤其是彗星撞击探测中光学导航相机提供了可靠的动态光学信号。
附图说明
图1是彗星形态示意图；
图2是探测器敏感器成像方向与太阳方向之间的关系图；
图3是模拟器输入参数生成光学信号的流程图；
图4是彗星面信号生成流程图；
图5是探测器实拍“坦普尔1号”面信号影像图；
图6是“坦普尔1号” 实拍时本发明模拟器彗星面模拟信号图。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式对本发明做进一步介绍：
1. 彗星光学信号模型
如图1所示是彗星形态示意图，典型的彗星形态包括四个部分： 即彗核、彗发、彗尾及彗云，其中彗核与彗发合起来称彗头，但只是对多数彗星而言。有些彗星形态并不一定四部分都有，有些不仅没有彗尾，连彗发都没有。就是同一颗彗星， 在绕日运行过程中，它的形态也是不断变化的，在接近太阳时，逐渐出现彗发和彗尾；而远离太阳时， 彗发和彗尾又逐渐消失了。
在彗星距离探测器较近时，慧核将完全暴露出来，此时探测器观测到的将是面信号， 慧核本身不发光，其入射到光学导航相机的光信号来自对太阳直接辐射能量的反射。但是彗核表面包裹着一层大气，近于球形，也即慧发， 是彗星接近太阳出彗核中蒸发出来的气体和微小尘粒，由于这些气体分子和微小尘粒的影响，太阳光线在透过慧发时，会产生相应的衰减,表示衰减程度的系数可以称为消光系数，若入射光亮度为
，在吸收和散射物质密度为的介质中经过光路
后，光亮度减弱了
，则消光系数表示为
当光线通过厚度至高度
的慧发区段时，该区段慧发的光学厚度可由消光系数来定义，即
（2）
当太阳天顶角为
时，光线通过的路径会产生变化，这时其透过率
可表达为
又因为太阳所发出的总辐射量在空间方向上的分布是均匀的，在波长范围内太阳在行星表面产生的照度
则可表示为
其中
如下式（5）所示，为太阳的辐射照度；到
为包裹慧核的大气（即慧发）的厚度；
为慧核上相应的太阳天顶角。
式（5）中，太阳半径
m ，
为波长
，
为黑体的温度
，
为第一辐射常数，
为第二辐射常数， = 5900K（通常太阳辐射可以认为是温度为5900K的黑体辐射），
为太阳与行星的距离。照度
的单位为
。
彗核反射后到达探测器的辐射照度为（在垂直传感时）：
（6）
当探测器相对彗核的天顶角为
时，探测器的接收到的辐射照度则为
以上就是探测器与彗星较近时，慧核完全暴露的情况下，慧核的面信号光学模型，也就是彗星彗核面信号的反射度模型。
2. 太阳干扰模型
在彗星面信号的模拟过程中，太阳的干扰也是不可忽视的。太阳对各类深空光学探测器的工作都存在重大影响，因为一旦太阳进入探测器视场，将会导致探测器CCD 曝光饱和，无法分辨出任何天体有效信号，严重时还可能导致CCD的损坏。因此，信号模拟时必须对太阳的干扰进行建模。
如图2所示，定义导航相机成像方向与太阳方向直接的夹角为观测相角，假设在日心黄道坐标系中，探测器到太阳的距离为
，敏感器成像方向为矢量
，那么，
通常，太阳对光学探测器的简单影响模型如下式所示，
（9）
探测器对观测相角
都有一定限制，只有观测相角小于等于某一阈值指标时，太阳才会对成像产生干扰。
3.彗星光学信号的模拟实现
如图3所示，本发明用于深空探测的彗星光学信号模拟方法以彗星的光学信号为基础，在VC++6.0中，运用OpenGL三维图形库编程实现了光学信号的模拟，首先利用现有的成熟技术绘制出具有准确时空关系和亮度等级的星空背景，具体过程可描述如下：在利用星历表中的数据计算得到恒星的精确位置，以及恒星的星等值后，利用OpenGL三维图形库对星空背景进行三维重建，恢复恒星在空间中的位置，将恒星星等线性映射到【0，1】区间，利用OpenGL绘制三维点来表示恒星，利用函数指定不同亮度(颜色)来区分不同的照在星空背景绘制完成后，依照彗星的面信号光学信号模型，对彗星的面信号进行重建，接着根据模拟器输入的时间、观测平台的位置以及相机的指向，计算出需要显示的区域，生成相应方向的模拟信号（该计算过程相当于将照相机指向要显示的方向拍照），其具体过程如下：根据模拟器输入的时间，观测平台的位置和导航相机的指向计算出彗星在导航相机中的位置，其中位置计算公式如（10）：
上式中坐标单位为光年， 的为彗星的赤经、赤纬，单位为弧度。
为彗星到地球的距离。利用OpenGL图形开发包，采用三角面拟合几何体技术，完成相应得彗星面信号模拟。模拟信号生成后投影到高性能显示器上，完成光学信号在空间和辐射亮度上的数/模转换，最终形成模拟的光学信号。
慧核的几何建模可以利用自然天体表面的三维建模方法，但是慧核有其自身的特殊性，如无法得到其DEM和表面的影像数据，慧核不一定类似于球体，很可能是不规则的几何体，采用自然天体几何维建模方法工作量将非常巨大，而得到的绘制效率和模拟效果不一定能满足要求，因此这里采用一种三角面拟合几何体的技术来实行慧核的几何模型重建。
为了进一步理解使用三角面拟合几何体的概念，本文在此使用称为顶点数组的数据结构，用此数据结构去描述被拟合的几何体。顶点数组中每一个元素代表一个顶点，其结构中包含有该顶点的纹理坐标
、法向量值以及顶点坐标
，每一个三角面由三个顶点构成，在三角面结构中不存放构成三角面的三个顶点的坐标，而是存放了三个顶点的索引值p0, p1, p2。对于任意一个几何体，可用有限个三角面拟合，并配以相应的纹理信息数据。几何体（Geometry）由三角面数组构成，并且包含该几何体的纹理名（texturename）以及纹理物体号（textureID）。
如图4所示，几何建模完成后并不能完成面信号的模拟，这里实现面信号模拟的方法是反射度纹理叠加光照模型，首先根据面信号的反射度模型生成相应的反射度纹理，然后加上太阳光照模型，最终实现面信号的模拟，其具体的实现过程如下：
第一步：利用三角面拟合几何体的技术来实现慧核的几何模型重建。
这步的作用主要是完成慧核的几何模型的构建，主要方法是用多个三角面来无限逼近慧核的真实几何形状。逼近的程度由慧核与视点的远近来决定，慧核与视点较远时，逼近的程度较低；当慧核与视点较近时，逼近的程度较高。
第二步：根据面信号的反射度模型生成相应的反射度纹理。
首先，根据慧核的真实面貌给定一个基础纹理，该纹理主要反映慧核的基本面貌，然后再利用面信号反射度模型生成各点处的反射度，然后将反射度结果叠加到基础纹理上，得到新的反射度纹理。
第三步：将反射度纹理叠加到几何模型上。
计算出各点处的纹理坐标，利用OpenGl提供的纹理映射机制，将得到的反射度纹理叠加到几何模型上。
第四步：添加太阳光照模型，最终实现面信号的模拟：根据公式（8）和（9），当探测器对太阳的观测相角
小于等于某一阈值指标
时，太阳会对成像产生干扰。这时，相机的镜头会曝光过度，所以此时，面成像为一片模糊的面；当探测器对太阳的观测相角
大于该阈值指标
时，则不考虑太阳干扰模型。
4.本发明用于深空探测的彗星面光学信号模拟方法的实验验证：
为了验证本发明提出的彗星面光学信号方法的可行性和适用性，本方法以“深空撞击”探测任务为背景，模拟探测器在接近目标天体时对目标彗星成像信号：在以本发明方法为核心的模拟器系统中输入时间、探测器的位置、光学相机指向等参数后，由工作站生成相应的光学信号并显示在高分辨率显示器上，其比较结果如下： 2005年7月4号下午1点52分左右，深度撞击号成功撞击“坦普尔1号”彗星，图5是撞击舱在撞击发生前6分钟拍摄的“坦普尔1号”彗星影像图，图6为相应时间的彗星模拟信号。
从试验结果可以看出，本发明用于深空探测的彗星光学信号模拟方法所生成的光学信号与深度撞击中探测器实际拍摄到的信号强度和相对位置关系正确，满足精度要求，可以为彗星撞击实验中光学导航相机提供准确的光学模拟信号。
Claims (4)
1.一种用于深空探测的彗星光学面信号模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)利用现有的成熟技术绘制出具有准确时空关系和亮度等级的星空背景；
(2)依照彗星的面信号光学信号模型，计算出在不同方位，不同距离上，探测器所能观测到的亮度等级，并运用三角面拟合几何体方法对目标彗星的面信号进行重建；
(3)根据模拟器输入的时间、观测平台的位置以及导航相机的指向，生成目标彗星相应方向的模拟信号；
(4)将投影到高性能显示器上，完成光学信号在空间和辐射亮度上的数/模转换，最终形成模拟的光学信号；
其中，对目标彗星的面信号进行重建的具体步骤如下；
①利用三角面拟合几何体的技术来实现彗核的几何模型重建；三角面拟合几何体即用三角面无限逼近几何体的真实几何形状；
②根据彗星面信号的反射度模型生成相应的反射度纹理；
③将步骤②所得反射度纹理叠加到彗星几何模型上；
④在步骤③的基础上添加太阳干扰模型。
2.权利要求1所述的用于深空探测的彗星光学面信号模拟方法，其特征在于：彗星的面信号光学信号模型如下：
其中，α为探测器相对彗核的天顶角；
为在λ1～λ2波长范围内太阳在行星表面产生的照度，β为此时的太阳天顶角；
为太阳的辐射照度，其中太阳半径Rs＝6.9599×108m，λ为波长(μm)，T0为黑体的温度(K)，C1＝3.742×10-4W·μm2为第一辐射常数，C2＝14388μm·K为第二辐射常数，T0＝5900K，D为太阳与行星的距离。
3.根据权利要求1所述的用于深空探测的彗星光学面信号模拟方法，其特征在于：太阳干扰模型中太阳对光学探测器的简单影响模型如下式所示：
其中，θ为导航相机成像方向与太阳方向之间的夹角，称为观测相角θ；Tθ为阈值指标。
4.权利要求3所述的用于深空探测的彗星光学面信号模拟方法，其特征在于：在日心黄道坐标系中，探测器对太阳的观测相角θ为导航相机成像方向与太阳方向之间的夹角，其公式如下：
其中，探测器到太阳的距离为r，敏感器成像方向为矢量p。
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