CN105511500B - 一种空间目标动态光学特性地面模拟中目标和光源控制模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间目标动态光学特性地面模拟中目标和光源控制模拟系统及方法，包括太阳运动仿真模块，光源亮度模拟模块，目标运动仿真模块，五轴控制指令生成模块，目标三轴运动执行模块，光源两轴运动执行模块；通过太阳、目标的运动仿真生成太阳和目标的运动数据，并通过坐标映射和数据转换生成地面模拟设备中的目标和光源的控制指令，驱动执行机构完成目标和光源的控制模拟。本发明提供了一种基于空间环境下太阳和目标真实运动的地面模拟设备中目标和光源控制模拟方法，很好的支持空间目标动态光学特性的研究。

Description

一种空间目标动态光学特性地面模拟中目标和光源控制模拟 系统及方法

技术领域

本发明涉及一种空间目标动态光学特性地面模拟中目标和光源控制模拟系统及方法，具体来说是基于目标、太阳在空间环境下的位置关系变化的动态光学特性地面模拟技术。

背景技术

空间目标探测和识别是近年来空间领域一个重要的研究方向，空间目标光学特性是空间目标探测和识别研究的一个重要方面。在实际的空间环境下，空间目标和太阳在不断地发生运动变化，空间目标的辐亮度值也是不断变化的，并且与光源入射光强和空间目标的轨道、姿态变化密切相关。现阶段大多的目标光学特性模拟均是静态模拟，既设定光照条件和目标的位置，在该固定条件下研究目标的光学特性，该方法缺乏动态性，且由于条件参数设定没有考虑太阳和目标的运动的影响，用于空间目标的光学特性模拟上缺乏置信度。

在天基环境下获取空间目标动态光学特性非常困难，因此进行空间目标动态光学特性的地面模拟显得非常必要。在地面模拟中，太阳和目标的准确模拟是决定系统置信度的关键内容。因此如何应用地面模拟地面模拟设备动态的模拟太阳、空间目标的实际运动，并准确的模拟出太阳对目标的照度，太阳与目标的方位关系变化显得非常重要。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种空间目标动态光学特性地面模拟中目标和光源控制模拟系统及方法，具有高保真度、高置信度和高动态性的优点。

本发明技术解决方案：一种空间目标动态光学特性地面模拟中目标和光源控制模拟系统，其特征在于包括：太阳运动仿真模块，光源亮度模拟模块，目标运动仿真模块，五轴控制指令生成模块，目标三轴运动执行模块，光源二轴运动执行模块；其中：

太阳运动仿真模块：计算模拟过程中太阳在太阳系下的位置，并根据坐标系关系将太阳系下的位置矢量转换到地心惯性系下，得到地心惯性系下的太阳位置矢量，输出给光源亮度模拟模块和五轴控制指令生成模块；

目标运动仿真模块：完成空间目标的轨道和姿态动力学仿真与控制；根据给定的目标初始运动参数和控制模式，根据目标运动模型精度要求完成目标动力学模型的建立和数值积分方法的选择，进行目标运动仿真和控制系统仿真，模拟时需要与太阳运动仿真保持时间同步；每一仿真步长下输出目标的三轴姿态角、轨道六根数、地心惯性系下的位置矢量和速度矢量给五轴控制指令生成模块，输出地心惯性系下的目标位置矢量给光源亮度模拟模块；

光源亮度模拟模块：用于模拟太阳光的照射；接收太阳运动仿真模块输入的太阳位置矢量，接收目标运动仿真模块输入的地心惯性系下的目标位置矢量，根据太阳辐照度模型和光传输损耗模型，计算在太阳光强在目标处的入射光强，最后基于目标处的太阳入射光强，结合光源和模拟目标的实际距离，计算出模拟光源的亮度；

五轴控制指令生成模块：完成太阳和目标的运动信息到模拟目标三轴控制指令和光源两轴控制指令的变换；接收太阳运动模拟模块传入的地心惯性系下的太阳位置矢量，接收目标运动模拟模块输出的目标的三轴姿态角、轨道六根数、地心惯性系下的位置矢量和速度矢量，选定基准坐标系，计算基准坐标系下的太阳的高低角和方位角作为光源两轴控制指令，目标在基准坐标系下的三轴姿态角作为模拟目标三轴控制指令，将光源两轴控制指令输出给光源两轴运动执行模块，将目标三轴控制指令输出给目标三轴运动执行模块；

光源两轴运动执行模块：通过控制卡接收五轴控制指令生成模块输入的光源两轴控制指令，驱动步进电机完成对光源负载的两轴运动控制；

目标三轴运动执行模块：接收五轴控制指令生成模块输出的目标三轴控制指令，驱动步进电机完成对目标负载的三轴运动控制。

所述光源亮度模拟模块实现过程如下：

(1)接收太阳运动仿真模块输入的地心惯性系下的太阳位置矢量r_s，接收目标运动仿真模块输入的地心惯性系下的目标位置矢量r_T。

(2)计算太阳发光强度模型I_s，基于目标和太阳的相对位置矢量r_s-r_T,结合光传输损耗模型，计算目标处的太阳入射光强I_T；

(3)基于目标处的太阳入射光强I_T，结合模拟的光源和目标的实际距离r，计算出模拟光源的亮度。

所述五轴控制指令生成模块实现过程如下：

(1)接收太阳运动模拟模块输入的地心惯性系下的太阳位置矢量r_s，接收目标运动模拟模块输出的目标的三轴姿态角和姿态角速度轨道六根数(a,e,i,ω,Ω,u)、地心惯性系下的位置矢量r_T和速度矢量v_T，计算轨道系相对于地心惯性系的转换矩阵C_oi；

(2)计算太阳在目标轨道坐标系下的位置矢量r_s'，并基于位置矢量计算轨道坐标系下的高低角α和方位角β；

(3)选取基准坐标系。判断方位角大小，如果方位角基准坐标系选为目标的轨道坐标系，如果方位角基准坐标系选为与目标轨道坐标系x、y轴相反，z轴与目标轨道系重合的坐标系；

(4)计算基准坐标系下的太阳高低角α'和方位角β'，目标三轴姿态角根据基准坐标系和目标轨道坐标系的关系，计算基准坐标系相对于目标轨道坐标系转换矩阵，基于基准坐标系下的太阳位置矢量计算太阳的高低角和方位角，基于基准系、轨道系和目标本体系的关系计算基准坐标系下的目标三轴姿态角。

一种空间目标动态光学特性地面模拟中目标和光源控制模拟方法，其特征在于实现步骤为：

(1)首先运行太阳运动仿真模块和目标运动仿真模块，太阳运动仿真模块输出太阳在地心惯性系下的位置矢量，目标运动仿真模块输出目标的三轴姿态角、轨道六根数、地心惯性系下的位置矢量和速度矢量；

(2)光源亮度模拟模块输入地心惯性系下太阳的位置矢量和目标的位置矢量，根据太阳光辐射强度模型和光传输损耗模型，结合模拟光源和模拟目标的实际距离计算模拟光源的亮度；

(3)五轴控制指令生成模块输入地心惯性系下太阳的位置矢量，输入目标的三轴姿态角、轨道六根数、地心惯性系下的位置矢量和速度矢量，计算基准坐标系下的太阳的高低角和方位角并输出给光源两轴运动执行模块，计算基准坐标系下的目标的三轴姿态角输出给目标三轴运动执行模块；

(4)光源两轴运动执行模块接收基准坐标系下的太阳的高低角和方位角指令完成对光源负载的两轴运动控制；目标三轴运动执行模块接收基准坐标系下的目标的三轴姿态角完成对目标三轴的运动控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明以太阳和目标的在空间环境下的实际运动为依据进行动态目标光学特性的地面模拟，具备高保真性。

(2)本发明中太阳和目标的实际运动数据可根据精度要求采用不同的动力学模型和数值积分方法获取，以此为基础的光源和目标的控制模拟置信度和可扩展性高。

(3)本发明中光源和目标的控制模拟指令会随着太阳和目标的仿真推进以仿真步长为单位连续获取，五轴控制指令也可在每个仿真步长内获取和执行，因此动态目标光学特性的地面模拟过程呈现高动态性。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明使用的地面模拟设备结构图；

图3为本发明中日地月矢量关系图；

图4为本发明中太阳在目标轨道坐标系下高低角和方位角的描述。

具体实施方式

本发明面向空间目标动态光学特性模拟，使用时硬件环境包括控制计算机和地面模拟设备两部分。其中控制计算机负责执行太阳运动仿真模块，光源亮度模拟模块，目标运动仿真模块，五轴控制指令生成模块；地面模拟设备负责响应目标三轴运动执行模块，光源两轴运动执行模块，控制计算机与地面模拟设备采用网口进行数据传输。系统结构图如图1所示。

地面模拟设备如图2所示，图中1代表模拟光源方位角调整导轨，导轨角度范围为当模拟光源在导轨正中间时方位角为0度，；2代表模拟光源，光源的亮度值的设置来自光源亮度模拟模块；3代表模拟光源俯仰角调整轴，接收光源的俯仰角指令实现模拟光源的俯仰运动；4代表模拟目标；5代表模拟目标的姿态Z轴；6代表模拟目标的姿态Y轴；7代表模拟目标的姿态X轴。

太阳运动仿真模块：提供太阳的位置信息。采用高精度的太阳系行星历表内插的方法实现。采用DE405模型的切比雪夫插值获取太阳在特定时间在太阳系下的位置，并根据坐标关系将太阳系下的位置矢量转换到地心惯性系下，输出给光源亮度模拟模块和五轴控制指令生成模块。

地心赤道惯性坐标系下的太阳位置和速度坐标通过插值和矢量求和得到，如图3所示。太阳在地心惯性系下的位置矢量表示为r_s，，速度矢量表示为v'_s，由星历插值直接得到位置矢量r₁、r₃、r₄，r₁为月球相对地球的位置矢量，r₃为地月质心相对太阳系质心的位置矢量，r₄为太阳相对太阳系质心的位置矢量。r₂为地月质心相对地球位置矢量，根据矢量关系获取地心惯性系下太阳的位置矢量r_s。

目标运动仿真模块：完成空间目标的轨道和姿态动力学仿真与控制。根据给定的目标初始运动参数和控制模式，按照运动仿真精度需求，选用特定的数值积分方法和动力学模型，进行目标运动仿真，模拟时需要与目标运动仿真保持时间同步。每一仿真步长下输出目标的三轴姿态角、轨道六根数、地心惯性系下的位置矢量和速度矢量给五轴控制指令生成模块，输出地心惯性系下的位置矢量给光源亮度模拟模块。目标运动仿真时，轨道模型为：

其中，r为目标在地心惯性系下的位置矢量，F₀是地球中心引力加速度，F_z是是除地球中心引力加速度外其它各力学因素(亦即摄动源)对目标的摄动加速度，F_c为控制力加速度，t为目标运行时间。根据动力学模型的精度不同，考虑不同的摄动源模型。

目标姿态运动学模型均采用四元素法描述：

其中(q₁,q₂,q₃,q₄)为目标本体相对于轨道下的四元素，(ω_x,ω_y,ω_z)为目标在本体系中的三轴绝对角速度，(ω_ox,ω_oy,ω_oz)为目标轨道角速度在本体系的三轴分量。

目标姿态运动学方程：

其中w_s为目标在本体系中的绝对角速度，I_s为目标相对本体质心系的转动惯量，H_w为飞轮的转动惯量，T为目标所受的合外力矩。

基于反馈四元素的PID控制律下的控制力矩的计算公式为：

T_cx＝2*K_xp*q_1E*q_4E+K_xd*w_x

T_cy＝2*K_yp*q_1E*q_4E+K_yd*w_y

T_cz＝2*K_zp*q_1E*q_4E+K_zd*w_z

其中q_e＝(q_1E,q_2E,q_3E,q_4E)为误差四元素，(T_cx,T_cy,T_cz)为目标本体系下的三轴控制力矩,(K_xp,K_xd)为目标本体系下x轴的PD控制参数，(K_yp,K_yd)为目标本体系下y轴的PD控制参数，(K_zp,K_zd)为目标本体系下z轴的PD控制参数。

光源亮度模拟模块：主要用于模拟太阳光在地面模拟设备中入射光强。光源亮度模拟模块接收太阳运动仿真模块输入的太阳位置信息，接收目标运动仿真模块输入的目标位置矢量，根据太阳辐照度模型和光传输损耗模型，计算在太阳光强在目标处的入射光强，最后根据地面模拟设备中目标和光源的相对距离反推出光源处的亮度，完成光源亮度模拟。主要计算模型如下所示。

●太阳可见光波段辐出度计算模型：

其中，c₁,c₂为辐射常数，T₀为黑体温度，λ₁,λ₂为可见光波段的起止波长。

●太阳的发光强度模型：

其中，R_s为太阳半径，I_s为太阳出射光强。

●太阳光强在目标处的入射光强：

●其中，D_sT＝|r_s-r_T|，代表空间目标和太阳的实际相对距离，I_sT为太阳在目标处的入射光强。

●模拟光源的光强为：

其中r代表地面模拟设备中模拟光源和模拟目标的实际距离，I’_s代表模拟光源的出射光强。

五轴控制指令生成模块：完成太阳和目标的运动信息到地面模拟设备中目标三轴控制指令和光源两轴控制指令的变换。该模块接收太阳运动模拟模块传入的地心惯性系下的太阳位置矢量，接收目标运动模拟模块传入的三轴姿态角、轨道六根数、地心惯性系下的位置矢量和速度矢量。选定基准坐标系，计算基准坐标系下的太阳光源的高低角和方位角作为光源两轴控制指令，目标在基准坐标系下的三轴姿态角作为目标三轴控制指令。将光源两轴控制指令输出给光源两轴运动执行模块，将目标三轴控制指令输出给目标三轴运动执行模块。主要的计算过程如下。

(1)首先接收太阳运动仿真模块输入的地心惯性系下的太阳位置矢量r_s，接收目标运动仿真模块输入的目标在地心惯性系下的位置矢量r_T，速度矢量v_T，轨道六根数(a,e,i,ω,Ω,u)和三轴姿态角计算轨道系相对于地心惯性系的转换矩阵C_oi；

(2)计算太阳在目标轨道坐标系下的位置矢量r’_s，并基于位置矢量计算高低角α和方位角β；如图4所示。

r_s'＝C_oi*(r_s-r_T)

其中C_oi为目标轨道系相对于地心惯性系的转换矩阵，r_s为太阳在地心惯性系的位置矢量，r_T为目标在地心惯性系下的位置矢量，r_s'为太阳在目标轨道系下的位置矢量，(r’_{s_x},r’_{s_y},r’_{s_z})为太阳在目标轨道坐标系下的三轴位置坐标。

(3)选取基准坐标系。首先判断方位角大小，如果方位角基准坐标系选为目标的轨道坐标系，如果方位角基准坐标系选为于目标轨道坐标系的x、y轴相反的坐标系，此时基准坐标系与目标轨道坐标系的转换矩阵为：

(4)计算基准坐标系下的太阳高低角α'和方位角β'，目标三轴姿态角根据基准坐标系和目标轨道坐标系的关系，计算其转换矩阵，基于基准坐标系下的太阳位置矢量计算太阳高低角和方位角，基于基准系、轨道系和目标本体系的关系计算基准坐标系下的目标三轴姿态角。目标本体系相对于轨道系的转换矩阵为：

目标本体系相对于基准坐标系的转换矩阵计算公式为：

C_bp＝C_bo*(C_po)^T

基于C_bp转换矩阵，由3-1-2转序反解目标姿态角公式为：

其中分别为目标相对于基准坐标系的滚动角、俯仰角和偏航角，C_ij,i,j＝1,2,3分别为C_bp矩阵(i,j)位置的元素。反解出的姿态角即为目标本体相对于基准坐标系的三轴欧拉角，为目标相对于基准坐标系的三轴转角。

光源两轴运动执行模块：通过控制卡接收五轴控制指令生成模块输入的光源两轴控制指令，驱动步进电机完成对光源负载的两轴运动控制。

目标三轴运动执行模块：通过控制卡接收五轴控制指令生成模块输入的目标三轴控制指令，驱动步进电机完成对目标负载的三轴运动控制。

光源两轴运动指令和目标三轴运动指令由一块控制卡接收完成。五轴控制指令传输采用网口作为数据通信接口，选用UDP方式作为通信协议方式。主要负责传输光源和模拟目标的五轴控制指令数据，并提供一定数量的保留位，数据传输基于UDP协议开发实现。UDP数据包格式定义如下：

表1 UDP数据包格式

五轴控制指令生成模块发送的指令数据主要包括光源和目标的运动命令，其传输内容主要包括有：

表2 综合控制组件发送数据包格式

五轴控制指生成模块接收控制卡回传的指令执行结构数据，其数据传输内容主要包括：

表3 综合控制组件接收数据包格式

总之，本发明根据空间目标、太阳在空间环境的真实运动变化，应用计算机仿真的手段动态获取目标和太阳的运动参数，通过数据变换和坐标映射生成地面模拟设备的控制指令及光源亮度控制指令，完成对目标和光源的控制模拟，控制模拟过程具有高保真度、高置信度和可扩展性、高动态性的优点。

Claims (4)

1.一种空间目标动态光学特性地面模拟中目标和光源控制模拟系统，其特征在于：包括太阳运动仿真模块，光源亮度模拟模块，目标运动仿真模块，五轴控制指令生成模块，目标三轴运动执行模块，光源二轴运动执行模块；其中：

太阳运动仿真模块：计算模拟过程中太阳在太阳系下的位置，根据坐标系关系将太阳系下的位置矢量转换到地心惯性系下，得到地心惯性系下的太阳位置矢量，输出给光源亮度模拟模块和五轴控制指令生成模块；

目标运动仿真模块：完成空间目标的轨道和姿态动力学仿真与控制；根据给定的目标初始运动参数和控制模式，根据目标运动模型精度要求完成目标动力学模型的建立和数值积分方法的选择，进行目标运动仿真和控制系统仿真，模拟时需要与太阳运动仿真保持时间同步；每一仿真步长下输出目标的三轴姿态角、轨道六根数、地心惯性系下的位置矢量和速度矢量给五轴控制指令生成模块，输出地心惯性系下的目标位置矢量给光源亮度模拟模块；

光源亮度模拟模块：用于模拟太阳光的照射；接收太阳运动仿真模块输入的太阳位置矢量，接收目标运动仿真模块输入的地心惯性系下的目标位置矢量，根据太阳辐照度模型和光传输损耗模型，计算在太阳光强在目标处的入射光强，最后基于目标处的太阳入射光强，结合光源和模拟目标的实际距离，计算出模拟光源的亮度；

五轴控制指令生成模块：完成太阳和目标的运动信息到模拟目标三轴控制指令和光源两轴控制指令的变换；接收太阳运动仿真模块传入的地心惯性系下的太阳位置矢量，接收目标运动仿真模块输出的目标的三轴姿态角、轨道六根数、地心惯性系下的位置矢量和速度矢量，选定基准坐标系，计算基准坐标系下的太阳的高低角和方位角作为光源两轴控制指令，目标在基准坐标系下的三轴姿态角作为模拟目标三轴控制指令，将光源两轴控制指令输出给光源两轴运动执行模块，将目标三轴控制指令输出给目标三轴运动执行模块；

光源两轴运动执行模块：通过控制卡接收五轴控制指令生成模块输入的光源两轴控制指令，驱动步进电机完成对光源负载的两轴运动控制；

目标三轴运动执行模块：接收五轴控制指令生成模块输出的目标三轴控制指令，驱动步进电机完成对目标负载的三轴运动控制。

2.根据权利要求1所述的空间目标动态光学特性地面模拟中目标和光源控制模拟系统，其特征在于：所述光源亮度模拟模块实现过程如下：

(1)接收太阳运动仿真模块输入的地心惯性系下的太阳位置矢量r_s，接收目标运动仿真模块输入的地心惯性系下的目标位置矢量r_T；

(2)计算太阳发光强度模型I_s，基于目标和太阳的相对位置矢量r_s-r_T,结合光传输损耗模型，计算目标处的太阳入射光强I_T；

(3)基于目标处的太阳入射光强I_T，结合模拟的光源和目标的实际距离r，计算出模拟光源的亮度。

3.根据权利要求1所述的空间目标动态光学特性地面模拟中目标和光源控制模拟系统，其特征在于：所述五轴控制指令生成模块实现过程如下：

(1)接收太阳运动仿真模块输入的地心惯性系下的太阳位置矢量r_s，接收目标运动仿真模块输出的目标的三轴姿态角和三轴姿态角速度轨道六根数(a,e,i,ω,Ω,u)、地心惯性系下的位置矢量r_T和速度矢量v_T，计算轨道系相对于地心惯性系的转换矩阵C_oi；

(2)计算太阳在目标轨道坐标系下的位置矢量r′_s，并基于所述太阳在目标轨道坐标系下的位置矢量r′_s计算轨道坐标系下的太阳高低角α和方位角β；

(3)选取基准坐标系，判断方位角大小，如果方位角基准坐标系选为目标的轨道坐标系，如果方位角基准坐标系选为与目标轨道坐标系x、y轴相反，z轴与目标轨道系重合的坐标系；

(4)计算基准坐标系下的太阳高低角α'和方位角β'，目标三轴姿态角根据基准坐标系和目标轨道坐标系的关系，计算基准坐标系相对于目标轨道坐标系转换矩阵，基于基准坐标系下的太阳位置矢量计算太阳的高低角和方位角，基于基准系、轨道系和目标本体系的关系计算基准坐标系下的目标三轴姿态角。

4.一种空间目标动态光学特性地面模拟中目标和光源控制模拟方法，其特征在于实现步骤为：

(1)首先运行太阳运动仿真模块和目标运动仿真模块，太阳运动仿真模块输出太阳在地心惯性系下的位置矢量，目标运动仿真模块输出目标的三轴姿态角、轨道六根数、地心惯性系下的位置矢量和速度矢量；

(2)光源亮度模拟模块输入地心惯性系下太阳的位置矢量和目标的位置矢量，根据太阳光辐射强度模型和光传输损耗模型，结合模拟光源和模拟目标的实际距离计算模拟光源的亮度；

(3)五轴控制指令生成模块输入地心惯性系下太阳的位置矢量，输入目标的三轴姿态角、轨道六根数、地心惯性系下的位置矢量和速度矢量，计算基准坐标系下的太阳的高低角和方位角并输出给光源两轴运动执行模块，计算基准坐标系下的目标的三轴姿态角输出给目标三轴运动执行模块；

(4)光源两轴运动执行模块接收基准坐标系下的太阳的高低角和方位角指令完成对光源负载的两轴运动控制；目标三轴运动执行模块接收基准坐标系下的目标的三轴姿态角完成对目标三轴的运动控制。