CN104217070A - 一种天基空间目标成像仿真方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种天基空间目标成像仿真方法及装置，方法包括：1）调用接口函数stkInit进行STK和Matlab的互联及初始化；2）通过Matlab命令行调用STK中的STK/Connect搭建场景，并进行参数设置，所述参数包括目标星和监视星的姿态、轨道以及关注的成像时间段；3）通过Matlab命令行调用STK/Connect搭建光照角及监视星指向目标星的相对矢量；4）输出所述成像时间段内预设步长的两星交会相对信息；5）根据所述两星交会相对信息获取成像弧段。本发明结合STk精确地轨道外推能力和Matlab灵活的编程能力及数据处理能力，能全面仿真计算天基成像所关注的信息，且计算精度高、操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及天基空间目标光学成像技术领域，具体的说，涉及一种天基空间目标成像仿真方法及装置。
背景技术
空间目标光学成像仿真在天基光学观测系统研制开发过程中具有重要的价值和意义。现有的关于天基空间目标成像仿真规划技术主要有两种方法。第一种方法：利用STK（Satellite Tool Kit，卫星工具包）中的Access模块进行可见性分析，继而确定成像弧段；该方法成熟、操作简单且计算精度高，但只能输出空间目标之间的相对距离、相对方位角、相对俯仰角等信息，无法给出成像所关注的太阳光照角、方位角速率、俯仰角速率、卫星星下点纬度等信息。第二种方法：利用Matlab建立卫星运动动力学方程，编程计算空间目标的成像机会，继而确定成像弧段；该方法虽然可以得到交会成像所关注的所有变量，但是计算复杂、工作量大且计算精度通常不如STK工具包中自带的轨道预报器。
因此，需要对现有的空间目标天基成像仿真方法进行改进，以解决现在技术在天基空间目标成像弧段仿真存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种天基空间目标成像仿真方法及装置，通过STK/Matlab联合仿真规划，充分利用STK中精确的轨道外推模型，同时结合Matlab强大灵活的数值计算能力，解决了现在技术在天基空间目标成像弧段仿真存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种天基空间目标成像仿真方法，包括以下步骤：（1）调用接口函数stkInit进行STK和Matlab的互联及初始化；（2）通过Matlab命令行调用STK中的STK/Connect搭建场景，并进行参数设置，所述参数包括目标星和监视星的姿态、轨道以及关注的成像时间段；（3）通过Matlab命令行调用STK/Connect搭建光照角及监视星指向目标星的相对矢量；（4）输出所述成像时间段内预设步长的两星交会相对信息；（5）根据所述两星交会相对信息获取成像弧段。
进一步，所述两星交会相对信息包括：成像时间、监视星与目标星之间相对距离、方位角、俯仰角、太阳光照角以及监视星的星下点位置。
步骤（5）进一步包括：根据所述两星交会相对信息，利用差分法求出方位角速率和俯仰角速率，同时筛选出满足预设成像约束条件的成像弧段。
进一步，所述成像约束条件包括：成像距离范围、方位角范围、俯仰角范围、方位角速率范围以及俯仰角速率范围。
为实现上述目的，本发明还提供了一种天基空间目标成像仿真装置，包括：一互联单元，用于调用接口函数stkInit进行STK和Matlab的互联及初始化；一场景搭建单元，用于通过Matlab命令行调用STK中的STK/Connect搭建场景，并进行参数设置，所述参数包括目标星和监视星的姿态、轨道以及关注的成像时间段；一光照角搭建单元，用于通过Matlab命令行调用STK/Connect搭建光照角；一相对矢量搭建单元，用于通过Matlab命令行调用STK/Connect搭建监视星指向目标星的相对矢量；一初步结果输出单元，用于输出所述成像时间段内预设步长的两星交会相对信息；一成像弧段获取单元，用于根据所述两星交会相对信息获取成像弧段。
进一步，所述初步结果输出单元输出的所述两星交会相对信息包括：成像时间、监视星与目标星之间相对距离、方位角、俯仰角、太阳光照角以及监视星的星下点位置。
所述成像弧段获取单元进一步用于：根据所述两星交会相对信息，利用差分法求出方位角速率和俯仰角速率，同时筛选出满足预设成像约束条件的成像弧段。
进一步，所述成像约束条件包括：成像距离范围、方位角范围、俯仰角范围、方位角速率范围以及俯仰角速率范围。
本发明的优点在于，结合STk精确地轨道外推能力和Matlab灵活的编程能力及数据处理能力，能够全面仿真计算天基成像所关注的信息，且计算精度高、操作方便。在进行天基空间目标成像仿真时，只需输入卫星的姿态、轨道及关注的时间段，并设置成像约束条件，便可得出对应时间段内的成像机会，并输出成像所关注的信息。
附图说明
图1，本发明所述天基空间目标成像仿真方法；
图2，本发明所搭建的光照角的示意图；
图3，本发明所述天基空间目标成像仿真装置的架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的天基空间目标成像仿真方法及装置的具体实施方式做详细说明。
参见图1，本发明所述天基空间目标成像仿真方法，包括以下步骤：S11：调用接口函数stkInit进行STK和Matlab的互联及初始化；S12：通过Matlab命令行调用STK中的STK/Connect搭建场景，并进行参数设置，所述参数包括目标星和监视星的姿态、轨道以及关注的成像时间段；S13：通过Matlab命令行调用STK/Connect搭建光照角及监视星指向目标星的相对矢量；S14：输出所述成像时间段内预设步长的两星交会相对信息；S15：根据所述两星交会相对信息获取成像弧段。以下是对上述步骤的详细描述。
S11：调用接口函数stkInit进行的互联及初始化。
STK中具有精确的轨道外推模型，Matlab具有强大灵活的编程能力及数据处理能力；用stkInit命令可以建立STK与Matlab的连接，实现STK/Matlab联合仿真规划，以充分利用STK和Matlab的优点。
S12：通过Matlab命令行调用STK中的STK/Connect搭建场景，并进行参数设置。
STK的重要模块之一STK/Connect提供用户在客户机/服务器环境下与STK连接的功能。联立STK和Matlab之后，通过Matlab命令行即可调用STK/Connect相关命令以搭建场景，并进行参数设置，包括：输入目标星和监视星的姿态、轨道等信息，并设置关注的成像时间段，还可以设置成像约束条件。
S13：通过Matlab命令行调用STK/Connect搭建光照角及监视星指向目标星的相对矢量。
联立STK和Matlab后，通过Matlab命令行即可调用STK/Connect相关命令，根据太阳、目标星和监视星的相对位置以搭建光照角，并搭建监视星指向目标星的相对矢量；从而得出对应时间段内的成像机会，并输出成像所关注的信息。所搭建的光照角如图2所示。
S14：输出所述成像时间段内预设步长的两星交会相对信息。
其中，所述两星交会相对信息包括：成像时间、监视星与目标星之间相对距离、方位角、俯仰角、太阳光照角以及监视星的星下点位置。其中，所述预设步长可以设置为0.25s、0.50 s等。
S15：根据所述两星交会相对信息获取成像弧段。
根据初步输出的成像时间、监视星与目标星之间相对距离、方位角、俯仰角、太阳光照角以及监视星的星下点位置，进行数据处理即可输出最终结果；也即根据所述两星交会相对信息利用差分法即可求出方位角速率和俯仰角速率，同时筛选出满足预设成像约束条件的成像弧段，从而输出成像所关注的信息。所述成像约束条件包括：成像距离范围、方位角范围、俯仰角范围、方位角速率范围以及俯仰角速率范围。所述成像约束条件可以在步骤S12的参数设置中完成。所述差分法为现有计算方法，此处不再赘述。
较之传统技术，本发明结合STk精确地轨道外推能力和Matlab灵活的编程能力及数据处理能力，能够全面仿真计算天基成像所关注的信息，且计算精度高、操作方便。在进行天基空间目标成像仿真时，只需输入卫星的姿态、轨道及关注的时间段，并设置成像约束条件，便可得出对应时间段内的成像机会，并输出成像所关注的信息。
参见图3，本发明所述天基空间目标成像仿真装置的架构图，所述装置包括互联单元31、场景搭建单元32、光照角搭建单元33、相对矢量搭建单元34、初步结果输出单元35以及成像弧段获取单元36。
所述互联单元31用于调用接口函数stkInit进行STK和Matlab的互联及初始化。STK中具有精确的轨道外推模型，Matlab具有强大灵活的编程能力及数据处理能力；用stkInit命令可以建立STK与Matlab的连接，实现STK/Matlab联合仿真规划，以充分利用STK和Matlab的优点。
所述场景搭建单元32用于通过Matlab命令行调用STK中的STK/Connect搭建场景，并进行参数设置。STK的重要模块之一STK/Connect提供用户在客户机/服务器环境下与STK连接的功能。联立STK和Matlab之后，通过Matlab命令行即可调用STK/Connect相关命令以搭建场景，并进行参数设置，包括：输入目标星和监视星的姿态、轨道等信息，并设置关注的成像时间段，还可以设置成像约束条件。
所述光照角搭建单元33用于通过Matlab命令行调用STK/Connect搭建光照角。联立STK和Matlab之后，通过Matlab命令行即可调用STK/Connect相关命令，根据太阳、目标星和监视星的相对位置以搭建光照角，所搭建的光照角如图2所示。
所述相对矢量搭建单元34用于通过Matlab命令行调用STK/Connect搭建监视星指向目标星的相对矢量。全部仿真规划搭建完毕，即可得出对应时间段内的成像机会，并输出成像所关注的信息。
所述初步结果输出单元35用于输出所述成像时间段内预设步长的两星交会相对信息。其中，所述两星交会相对信息包括：成像时间、监视星与目标星之间相对距离、方位角、俯仰角、太阳光照角以及监视星的星下点位置。
所述成像弧段获取单元36用于根据所述两星交会相对信息获取成像弧段。根据所述初步结果输出单元35输出的成像时间、监视星与目标星之间相对距离、方位角、俯仰角、太阳光照角以及监视星的星下点位置，进行数据处理即可输出最终结果；也即根据所述两星交会相对信息利用差分法即可求出方位角速率和俯仰角速率，同时筛选出满足预设成像约束条件的成像弧段，从而输出成像所关注的信息。所述成像约束条件包括：成像距离范围、方位角范围、俯仰角范围、方位角速率范围以及俯仰角速率范围。所述成像约束条件可以在所述场景搭建单元32的参数设置中完成。
以下给出本发明的一实施例，以验证本发明所述的天基空间目标成像仿真方法的实施效果。
采用本发明所述的天基空间目标成像仿真方法，仿真分析2014年4月16日 00:00:00 至2014年4月17日 00:00:00，监视星对某颗低轨卫星（目标星）的成像机会。联立STK和Matlab，并完成上述各种搭建后，即可进行仿真分析。
具体步骤如下：
Step1，输入目标星和监视星的姿态、轨道等信息，并设置关注的成像时间段为2014年4月16日 00:00:00 至2014年4月17日 00:00:00，预设步长设置为0.25s；
Step2，设置成像约束条件：成像距离<50km，方位角[-180°,180°]，俯仰角[-90°，90°]，方位角速率[-15°/s，15°/s]，俯仰角速率[-15°/s，15°/s]；
Step3，计算得到仿真结果，如表1所示。
表1，本发明一实施例的仿真结果。
通过表1可以看出，利用本发明所述的天基空间目标成像仿真方法进行天基空间目标成像仿真时，只需输入卫星的姿态、轨道及关注的时间段，并设置成像约束条件，便可得出对应时间段内的成像机会，并输出成像所关注的信息。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种天基空间目标成像仿真方法，其特征在于，包括以下步骤： （1）调用接口函数stkInit进行STK和Matlab的互联及初始化； （2）通过Matlab命令行调用STK中的STK/Connect搭建场景，并进行参数设置，所述参数包括目标星和监视星的姿态、轨道以及关注的成像时间段； （3）通过Matlab命令行调用STK/Connect搭建光照角及监视星指向目标星的相对矢量； （4）输出所述成像时间段内预设步长的两星交会相对信息； （5）根据所述两星交会相对信息获取成像弧段。
2.根据权利要求1所述天基空间目标成像仿真方法，其特征在于，所述两星交会相对信息包括：成像时间、监视星与目标星之间相对距离、方位角、俯仰角、太阳光照角以及监视星的星下点位置。
3.根据权利要求1所述天基空间目标成像仿真方法，其特征在于，步骤（5）进一步包括：根据所述两星交会相对信息，利用差分法求出方位角速率和俯仰角速率，同时筛选出满足预设成像约束条件的成像弧段。
4.根据权利要求3所述天基空间目标成像仿真方法，其特征在于，所述成像约束条件包括：成像距离范围、方位角范围、俯仰角范围、方位角速率范围以及俯仰角速率范围。
5.一种天基空间目标成像仿真装置，其特征在于，包括： 一互联单元，用于调用接口函数stkInit进行STK和Matlab的互联及初始化； 一场景搭建单元，用于通过Matlab命令行调用STK中的STK/Connect搭建场景，并进行参数设置，所述参数包括目标星和监视星的姿态、轨道以及关注的成像时间段； 一光照角搭建单元，用于通过Matlab命令行调用STK/Connect搭建光照角； 一相对矢量搭建单元，用于通过Matlab命令行调用STK/Connect搭建监视星指向目标星的相对矢量； 一初步结果输出单元，用于输出所述成像时间段内预设步长的两星交会相对信息； 一成像弧段获取单元，用于根据所述两星交会相对信息获取成像弧段。
6.根据权利要求5所述天基空间目标成像仿真装置，其特征在于，所述初步结果输出单元输出的所述两星交会相对信息包括：成像时间、监视星与目标星之间相对距离、方位角、俯仰角、太阳光照角以及监视星的星下点位置。
7.根据权利要求5所述天基空间目标成像仿真装置，其特征在于，所述成像弧段获取单元进一步用于：根据所述两星交会相对信息，利用差分法求出方位角速率和俯仰角速率，同时筛选出满足预设成像约束条件的成像弧段。
8.根据权利要求7所述天基空间目标成像仿真装置，其特征在于，所述成像约束条件包括：成像距离范围、方位角范围、俯仰角范围、方位角速率范围以及俯仰角速率范围。
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