CN103942363B - 一种深空探测器光学载荷配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深空探测器光学载荷配置方法，具体步骤如下：创建探测器单元；创建星体表面环境单元；创建动态光照单元；创建光学载荷可视化单元：在光学载荷成像模型中，载入探测器单元、星体表面环境单元及动态光照单元，通过对探测器的位置姿态、星体表面环境参数、光照参数、光学载荷成像属性交互式动态设置和调整，获得不同工况下光学载荷成像效果的图像或视频，同时跟踪光学载荷视场遮挡情况和探测器星体表面阴影状态，从而获取最优光学载荷成像属性，并利用其进行光学载荷配置。本发明对不同工况下的图像或视频进行判断，从而使得配置的光学载荷满足在不同工况下的要求。

Description

一种深空探测器光学载荷配置方法

技术领域

本发明属于航天光学载荷技术领域，具体涉及一种深空探测器光学载荷配置方法。

背景技术

为了保障深空探测任务的顺利实施，确定探测器上光学载荷的成像效果和仪器配置种类至关重要，所获取的探测图像受到的关注度很高，而预先分析光学载荷的成像效果和确定仪器配置，是获取好的探测图像的前提。

为了展现光学载荷的成像效果和确定仪器配置，需对星体表面状态与探测器之间的相互影响以及光照情况，进行全面考虑。在早期论证、方案设计阶段，需要确定和分析各种光学载荷的成像效果和仪器配置，并较准确地分析和评估探测器在不同着陆姿态、不同星体表面状态和不同太阳光照情况下对星体表面的可视化效果。通过探测器星体表面工作状态可视化环境仿真分析，实现对各种光学载荷的实际效果的预估，不仅能较准确地评估探测器在星体表面工作时不同工况下的可视化效果，提高研制效率和设计水平、节约成本，还对飞行程序的准确制定、故障应对措施制定等方面具有重要意义。

目前用于深空探测器的光学载荷配置分析方法主要有：PROE软件分析、maya、3Dmax软件分析，纯理论的光学成像计算分析，不能直观、便捷、准确地确定和分析光学载荷的仪器配置和成像效果。

目前国外已有的深空探测器，主要类型包括用于轨道环绕探测的卫星，用于星体表面巡视或就位探测任务的探测器。这些仿真分析方法主要存在以下不足之处：

（1）ProE软件分析方法。在探测器构型布局的三维仿真基础上，简单分析光学载荷的安装位置，不能准确地分析光学载荷的视场遮挡情况和成像效果，以及不同着陆姿态、不同星体表面状态和不同太阳光照情况下的可视化效果。

（2）maya、3Dmax软件分析方法。在已确定光学载荷成像参数和安装布局的前提下，进行特定的着陆姿态、特定的星体表面状态和特定的太阳光照情况下的光学载荷可视化效果仿真，不能连续、直观分析不同着陆姿态、不同星体表面状态和不同太阳光照情况下光学载荷的成像效果，可交互性差。此外，在分析过程中，对深空探测器和星体表面环境需重新建模，建模时间长，操作冗余、复杂。

（3）纯理论的光学成像计算分析方法。只能分析光学载荷自身的成像参数和成像效果，而不能直观、准确地分析光学载荷的安装布局、不同着陆姿态、不同星体表面状态和不同太阳光照情况下的可视化效果。

为了同时实现直观、便捷、准确地确定和分析光学载荷的仪器配置和成像效果，以及评估探测器在不同着陆姿态、不同星体表面状态和不同太阳光照情况下对星体表面的可视化效果，确定深空探测器所搭载光学载荷的数量、安装位置、成像性能等仪器配置参数的要求，因此需要一种新形式的深空探测器光学载荷配置方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服基于ProE软件分析安装位置，光学载荷成像效果和可视化效果不直观，基于maya、3Dmax等软件交互性差，还需重新对深空探测器和星体表面环境建模的复杂性、冗余以及操作的繁琐，基于纯理论的光学成像计算分析不能直观分析光学载荷的安装位置和着陆姿态、星体表面环境、光照条件对其的影响因素等缺点，为确定深空探测器所搭载光学载荷的数量、安装位置、成像性能等仪器配置参数，以最小的资源代价实现最佳成像效果和最大范围的可视化效果，提出一种深空探测器光学载荷配置方法。

实现本发明的技术方案如下：

一种深空探测器光学载荷配置方法，具体步骤如下：

步骤一，创建探测器单元：导入探测器三维模型、模型轻量化处理、设置探测器模型材质属性、设置探测器模型机构运动部件的运动属性；

步骤二，创建星体表面环境单元：星体表面地形随机生成、星体表面典型地貌特征附加；

步骤三，创建动态光照单元：设置太阳高度角、方位角属性；

步骤四，创建光学载荷可视化单元：在光学载荷成像模型中，载入探测器单元、星体表面环境三维模型及动态光照单元，通过对探测器的位置姿态参数、星体表面环境参数、光照参数、光学载荷成像属性交互式动态设置和调整，获得不同工况下光学载荷成像效果的图像或视频，同时跟踪光学载荷视场遮挡情况和探测器星体表面阴影状态，从而获取最优光学载荷成像属性，并利用其进行光学载荷配置；具体的过程为：

（1）从星体表面环境单元中选取星体表面场景，将所选的星体表面场景、动态光照单元及探测器单元导入到光学载荷可视化单元中；

（2）在光学载荷可视化单元中设置初始光学载荷成像属性；具体包括如下步骤：

i）从任务需求出发，根据任务的关键点和关键环节，对任务需求进行细化，分解成任务的具体观测目标；

ii）设定初始探测器着陆姿态为标称姿态，初始星体表面环境为水平面，初始光照条件为在轨飞行中的标称状态，以最小的资源代价实现最佳成像效果和最大范围的可视化效果的原则，初步确定光学载荷的数量及其每个光学载荷观测的观测目标；

iii）考虑观测目标的位置，使光学载荷顺光成像，结合光学载荷视场角和成像距离，获取光学载荷成像属性的初始参数，所述成像属性包括光学载荷的数量、光学载荷的位置信息、视场角、焦距、有效像元素、成像距离、MTF及帧频，其中所述位置信息包括安装部位、俯仰角和偏航角；

（3）基于设置的成像属性，在选定的星体表面场景下对探测器的三维模型进行渲染，获取光学载荷成像效果的图像或视频；

（4）更新选定的探测器着陆姿态参数、星体表面环境参数和光照参数，获得不同工况下光学载荷成像效果的图像或视频，所述探测器着陆姿态参数包括着陆器姿态偏差角和着陆腿压缩量，所述星体表面环境参数包括坑的尺寸和位置、石块的尺寸和位置、斜坡的坡度和方向、平地的尺寸、山包的尺寸、凹地的尺寸，所述光照参数包括太阳高度角和方位角；

（5）根据光学载荷视场遮挡情况和探测器星体表面阴影状态，判断当前设定光学载荷成像属性所对应的图形或视频是否满足要求，若是则输出此时设定的光学载荷成像属性，否则，更新当前设置的光学载荷成像属性，并重复（3）～（5），直到输出的光学载荷成像效果的图像或视频满足任务需求为止；

（6）根据输出的光学载荷属性对探测器上的光学载荷进行配置。

进一步地，本发明更新当前设置的光学载荷成像属性的方式为：若预定观测目标未完整出现在图像上，则增大视场角、缩小焦距或增加成像距离。

进一步地，本发明更新当前设置的光学载荷成像属性的方式为：若呈现在图像上的预定观测目标被遮挡，则改变光学载荷的安装部位、俯仰角或偏航角。

进一步地，本发明更新当前设置的光学载荷成像属性的方式为：若视频中的预定观测目标运动不连贯，则调整帧频参数。

有益效果：

本发明所给出的深空探测器光学载荷配置方法，具有如下优点：

（1）本发明由于对不同工况下的图像或视频进行判断，因此可准确地分析和评估探测器在不同着陆姿态、不同星体表面状态和不同太阳光照情况下，光学载荷的可视化效果，从而使得配置的光学载荷满足在不同工况下的要求。

（2）本发明将成像属性确定为光学载荷的数量、安装位置信息等，因此利用本发明可综合优化深空探测器所搭载光学载荷的数量、安装位置、成像性能等仪器配置参数。

（3）本发明可利用在早期论证、方案设计阶段，实现对各种光学载荷的实际效果的预估，提高研制效率和设计水平、节约成本，还对飞行程序的准确制定、故障应对措施制定等方面具有重要意义。

附图说明

图1为本发明深空探测器光学载荷配置分析方法的流程图。

图2为举例中光学载荷输出静态图像的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明深空探测器光学载荷配置方法，具体实现步骤如下：

步骤一，创建探测器单元：导入、添加探测器属性。

a)探测器三维模型导入。导入Pro/E或其他CAD、外部文件格式定义的深空探测器模型；三维模型导入后，能够产生产品装配树，并能采用交互手段标记出相机模型，从而获得光学载荷的安装位置和布局信息。

b)模型轻量化。去除与光学载荷配置分析无关的设计信息，同时支持模型几何和拓扑信息的无损压缩与解压，从而使得模型导入后的尺寸大幅度降低。

c)设置探测器模型材质属性（材质的色彩、纹理、平滑度、透明度、反射率、折射率、发光度等）。为导入的三维模型附加渲染属性。这些渲染属性将会被后续光学载荷可视化单元所使用，以实现场景的真实感渲染。

d)设置探测器模型机构部件运动属性。为导入的三维模型附加机构部件运动属性（机构的运动轨迹、运动速度、转动角度等参数）。这些机构部件运动属性将会被后续光学载荷可视化单元所使用，实现机构运动动画录制。

e)探测器导出。将构建探测器单元设计完成的结果保存为工程数据文件，可供构建探测器单元自己重新装入编辑，或由光学载荷可视化单元装入使用进行光学载荷可视化仿真分析。

步骤二，创建星体表面环境单元。

a)星体表面地形随机生成。根据特定的星体表面倾斜度和粗糙度参数，自动随机生成一个初始的星体表面地形环境，可以进行参数化控制和交互式调整，还可由光学载荷可视化单元装入使用进行光学载荷可视化仿真分析。

b)星体表面典型地貌特征附加。根据坑、石块、平地、斜坡、山包、凹地等典型星体表面形貌环境的尺寸、坡度等参数的调整和设定，在初始出为可供光学载荷可视化单元载入的文件。星体表面地形环境上附加星体表面典型地貌特征。

c)星体表面环境三维模型导出。将星体表面环境编辑器已编辑好的星体表面环境导出。

步骤三，创建动态光照单元。

a)设置太阳高度角、方位角属性。用交互方式定义，通过获得的太阳在星体表面上的位置，即经度和纬度信息，得到太阳高度角和方位角。

b)动态光照导出。将太阳高度角、方位角由光学载荷可视化单元装入使用，进行光学载荷可视化仿真分析，用于计算阴影在场景中的分布情况。

步骤四，创建光学载荷可视化单元：在光学载荷成像模型中，载入探测器单元、星体表面环境及动态光照单元，通过对探测器的位置姿态参数、星体表面环境参数、光照参数、光学载荷成像属性等参数交互式动态设置和调整，获得不同工况下光学载荷成像效果的图像或视频，同时跟踪光学载荷视场遮挡情况和探测器星体表面阴影状态，从而获取最优光学载荷成像属性，并利用其进行光学载荷配置，获取最优光学载荷成像属性，并利用其进行光学载荷配置。

（1）星体表面场景选取。从星体表面环境单元中选取星体表面场景，将星体表面环境单元导出选定的星体表面环境三维模型（含典型星体表面形貌环境特征）、探测器单元导出的探测器单元（含机构部件运动定义、光学载荷的安装位置信息）及动态光照单元导出的动态光照模型导入到光学载荷可视化单元进行光学载荷可视化仿真分析。

例如：选取的星体表面环境为倾斜0°～15°月球坡面，探测器为月球着陆器(含在月球着陆器顶板上安装的一台光学载荷--相机)。

（2）设置初始光学载荷成像属性。光学载荷属性定义：光学载荷的数量、光学载荷的位置信息（安装部位、俯仰角和偏航角）、视场角、焦距、有效像元素、成像距离、MTF、帧频等性能参数进行交互性控制。

i）从任务需求出发，对任务需求进行细化和分解成任务观测的关键点和关键环节，即具体的观测目标；

ii）设定探测器着陆姿态为标称姿态，星体表面环境为水平面，光照条件为在轨飞行中的标称状态，结合探测器的构型布局条件，同时考虑为探测器节省资源利用，以最小的资源代价实现最佳成像效果和最大范围的可视化效果的原则（即在满足任务要求的成像效果和可视化范围的情况下，选用最小数量的光学载荷数量），初步确定光学载荷的数量及其每个光学载荷观测的具体观测目标；

iii）考虑观测目标的位置，光学载荷尽量顺光成像，结合光学载荷视场角和成像距离因素，获取光学载荷成像属性的初始参数，包括光学载荷的安装部位、俯仰角和偏航角的位置信息，视场角、焦距、有效像元素、成像距离、MTF及帧频的成像性能参数。

例如：初始光学载荷的属性设置如表1所示。

表1初始设定光学载荷的属性参数表

（3）基于设置的成像属性，在选定的星体表面场景下对探测器的三维模型进行渲染，获取光学载荷成像效果的图像或视频，并输出静态图像/视频。

（4）更新选定的探测器着陆姿态参数（包括着陆器姿态偏差角和着陆腿压缩量）、星体表面环境参数（包括坑的尺寸和位置、石块的尺寸和位置、斜坡的坡度和方向、平地的尺寸、山包的尺寸、凹地的尺寸）和光照参数（包括太阳高度角和方位角），获得不同工况（不同着陆姿态、不同星体表面状态和不同太阳光照情况）下光学载荷成像效果的图像或视频。光学载荷在静态拍照或动态摄像模式时的可视化效果直观显示，并可保存为图像文件或视频文件。

（5）根据光学载荷视场遮挡情况和探测器星体表面阴影状态，判断当前设定光学载荷成像属性所对应的图形或视频是否满足要求，若是则输出此时设定的光学载荷属性，否则，更新当前设置的光学载荷成像属性，并重复步骤（3）～（5），对光学载荷成像属性参数，如光学载荷的位置信息（包括安装部位、俯仰角和偏航角）、视场角、焦距、有效像元素、成像距离、MTF、帧频等性能参数进行适应性的修正和调整，直到输出的光学载荷成像效果的图像或视频满足任务需求为止。

本步骤中判断的条件可以为视场遮挡分析。对于给定的光学载荷状态，分析视场中观测目标物间的遮挡情况，从而判断出当前的成像属性是否满足要求。

例如：光学载荷视场内的观测目标（车轮和转移机构上的刻线标识）是否被其他物体遮挡分析。

本步骤中判断的条件可以为阴影状态分析。计算画面中阴影的分布情况。用于分析动态光照状态下光学载荷视场中阴影的分布情况，从而判断出当前的成像属性是否满足要求。

例如：设置动态光照在天东北坐标系下太阳高度角为15°～40°，方位角为120°～240°（光照的标称状态：太阳高度角为29°，方位角为125°），光学载荷视场内的目标（车轮和转移机构上的刻线标识）是否处于阴影的状态分析。

例如：根据以上步骤设置的参数可获得光学载荷的输出静态图像如图2所示。

本步骤中判断的条件还是其他的形式，在此不一一列举说明。

同时本步骤中采用交互方式来更新成像属性，交互方式定义：预览光学载荷成像效果，综合迭代调整光学载荷属性。通过交互式定义的光学载荷属性将被“视场遮挡分析”和“阴影状态分析”使用。

例如：若步骤（5）输出静态图像中目标未拍摄完整，没有达到预期要求，可通过调整光学载荷属性参数，增大视场角或缩小焦距或增加成像距离等交互式手段，直到步骤（5）最终输出图像中观测目标拍摄完整满足要求为止。

若步骤（5）输出静态图像中的观测目标被其他物体所遮挡，可通过调整光学载荷属性参数，改变安装位置或变化偏航、俯仰角度等交互式手段，直到步骤（5）最终输出图像中观测目标不被遮挡而满足要求为止。

若步骤（5）输出视频中的观测目标运动不连贯，可通过调整光学载荷属性中帧频参数，直到步骤（5）最终输出视频中观测目标运动连贯满足要求为止。

以上参数仅为例举，不局限于该分析方法。

本发明综合考虑任务需求、资源条件、安装位置、接口关系、不同工况等多方面因素，通过以上步骤一至步骤四，多次优化迭代，最终得到如下结果：

（1）确定光学载荷的配置数量、在探测器上的安装位置（含光学载荷的安装部位、偏航角、俯仰角状态）；

（2）确定光学载荷的成像性能参数（视场角、焦距、有效像元素、成像距离、MTF、帧频）；

（3）给出在多种工况下（不同太阳高度角、方位角的光照条件，不同着陆姿态，不同星体表面状态），光学载荷的可视化效果直观显示（静态图像/视频文件）。

Claims (4)

1.一种深空探测器光学载荷配置方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一，创建探测器单元：导入探测器三维模型、模型轻量化处理、设置探测器模型材质属性、设置探测器模型机构运动部件的运动属性；

步骤二，创建星体表面环境单元：星体表面地形随机生成、星体表面典型地貌特征附加；

步骤三，创建动态光照单元：设置太阳高度角、方位角属性；

步骤四，创建光学载荷可视化单元：在光学载荷成像模型中，载入探测器单元、星体表面环境单元及动态光照单元，通过对探测器的位置姿态、星体表面环境参数、光照参数、光学载荷成像属性交互式动态设置和调整，获得不同工况下光学载荷成像效果的图像或视频，同时跟踪光学载荷视场遮挡情况和探测器星体表面阴影状态，从而获取最优光学载荷成像属性，并利用其进行光学载荷配置；具体的过程为：

（1）从星体表面环境单元中选取星体表面场景，将所选的星体表面场景、动态光照单元及探测器单元导入到光学载荷可视化单元中；

（2）在光学载荷可视化单元中设置初始光学载荷成像属性；具体包括如下步骤：

i）从任务需求出发，根据任务的关键点和关键环节，对任务需求进行细化，分解成任务的具体观测目标；

ii）设定初始探测器着陆姿态为标称姿态，初始星体表面环境为水平面，初始光照条件为在轨飞行中的标称状态，以最小的资源代价实现最佳成像效果和最大范围的可视化效果的原则，初步确定光学载荷的数量及其每个光学载荷的观测目标；

iii）考虑观测目标的位置，使光学载荷顺光成像，结合光学载荷视场角和成像距离，获取光学载荷成像属性的初始参数，所述成像属性包括光学载荷的数量、光学载荷的位置信息、视场角、焦距、有效像元素、成像距离、MTF及帧频，其中所述位置信息包括安装部位、俯仰角和偏航角；

（3）基于设置的成像属性，在选定的星体表面场景下对探测器的三维模型进行渲染，获取光学载荷成像效果的图像或视频；

（4）更新选定的探测器着陆姿态参数、星体表面环境参数和光照参数，获得不同工况下光学载荷成像效果的图像或视频，所述探测器着陆姿态参数包括着陆器姿态偏差角和着陆腿压缩量，所述星体表面环境参数包括坑的尺寸和位置、石块的尺寸和位置、斜坡的坡度和方向、平地的尺寸、山包的尺寸、凹地的尺寸，所述光照参数包括太阳高度角和方位角；

（5）根据光学载荷视场遮挡情况和探测器星体表面阴影状态，判断当前设定光学载荷成像属性所对应的图形或视频是否满足要求，若是则输出此时设定的光学载荷成像属性，否则，更新当前设置的光学载荷成像属性，并重复步骤（3）～（5），直到输出的光学载荷成像效果的图像或视频满足任务需求为止；

（6）根据输出的光学载荷属性对探测器上的光学载荷进行配置。

2.根据权利要求1所述深空探测器光学载荷配置方法，其特征在于，所述更新当前设置的光学载荷成像属性的方式为：若预定观测目标未完整出现在图像上，则增大视场角、缩小焦距或增加成像距离。

3.根据权利要求1所述深空探测器光学载荷配置方法，其特征在于，所述更新当前设置的光学载荷成像属性的方式为：若呈现在图像上的预定观测目标被遮挡，则改变光学载荷的安装部位、俯仰角或偏航角。

4.根据权利要求1所述深空探测器光学载荷配置方法，其特征在于，所述更新当前设置的光学载荷成像属性的方式为：若视频中的预定观测目标运动不连贯，则调整帧频参数。