CN108647416A - 一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法 - Google Patents
一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法,首先对帆板模型进行简化得到两个分别用于杂光直接进入分析、用于杂光一次镜面反射进入分析的简化模型,然后分别计算太阳光、月球光、地面地气光的可视范围角,最后利用杂光光源、干扰途径和敏感器特性推导出的判别公式,分别进行杂光直接进入干扰分析、杂光反射进入干扰分析。本发明提出的成像式敏感器动态杂光快速分析方法,解决了在引入考虑挠性附件振动的整星动力学条件下,利用杂光光源、干扰途径和相机特性推导可大幅降低运算量的直接判别算法,可考虑挠性附件表面反射产生的动态杂光干扰,分析效率显著提升,具有很好的使用价值。
Description
技术领域
本发明涉及杂光干扰分析的应用技术领域,特别是一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法。
背景技术
空间站将在核心舱实施太阳翼挠性测量与控制试验,通过在轨辨识获取太阳翼动力学参数。为确保试验过程挠性测量相机不受太阳光、月面光、地面/地气光等各类杂光干扰,需针对挠性测量相机(成像式敏感器)开展完善的空间杂光干扰分析,以优化挠性测量与控制试验开展时机与测试条件。
针对前述目标,现有通用杂光分析算法/软件存在以下问题:
1.对于星体反射光干扰,仅能在整星为刚体的假设条件下建模并开展分析,难以考虑帆板、天线等挠性附件起振时,表面反射产生的动态杂光。
2.通常采用数亿条光线在多个固定位置、姿态条件下进行直接打靶分析(如TracePro),大量传播路径计算为无效运算,分析效率过低(通常一次需三四个月),难以用于挠性测量控制试验开展时机、测试条件的精细优化。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供了一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法,解决了在引入考虑挠性附件振动的整星动力学条件下,利用杂光光源、干扰途径和相机特性推导可大幅降低运算量的直接判别算法,较传统所用的蒙特卡洛打靶分析方法可考虑挠性附件(如太阳帆板)表面反射产生的动态杂光干扰;充分利用杂光光源、干扰途径和相机特性,分析效率显著提升;可推广用于系统试验、整星模飞,实时分析各类敏感器受扰情况。
本发明的技术解决方案是:一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法,包括如下步骤:
(1)对帆板模型进行简化得到简化模型A、简化模型B,其中,简化模型A用于杂光的直接进入分析,简化模型B用于一次镜面反射进入分析;其中,杂光包括太阳光、月球光、地面地气光;
(2)分别计算太阳光、月球光、地面地气光的可视范围角;
(3)进行杂光直接进入干扰分析;
(4)进行杂光反射进入干扰分析。
所述的简化模型A包括第一帆板区域的四个顶点、第二帆板区域的四个顶点;简化模型B包括对第一帆板区域、第二帆板区域进行有限元节点选取,得到的所有有限元节点。
所述的分别计算太阳光、月球光、地面地气光的可视范围角为
θs=0.5°
θm=0.5°
θe=arcsin(Re/R)
式中,θs、θm、θe分别为太阳光、月球光、地面地气光可视范围角,R为地心距,Re为地球半径。
所述的进行杂光直接进入干扰分析方法包括如下步骤:
(31)判断杂光或者地心矢量与成像式敏感器左右相机探头光轴矢量的夹角,是否小于杂光可视范围角与成像式敏感器左右相机半视场角的和,若不小于,则杂光不直接进入成像式敏感器相机视场,若小于,则转入步骤(32);
(32)判断帆板是否遮挡进杂光区域,若完整遮挡,则杂光不直接进入成像式敏感器相机视场,若不能完全遮挡,则杂光直接进入成像式敏感器相机视场,产生直接进入干扰。
所述的判断杂光矢量或者地心矢量与成像式敏感器左右相机探头光轴矢量的夹角,是否小于可视范围角与成像式敏感器左右相机半视场角的和的方法为:
计算得到太阳光与相机探头光轴矢量的夹角θs_ia、月亮光与相机探头光轴矢量的夹角θm_ia、地心矢量与相机探头光轴矢量的夹角θe_ia为:
式中,Sx_b代指Ss_b、Sm_b、Se_b,Ss_b、Sm_b、Se_b分别为太阳光矢量、月亮光矢量、地心矢量,θx_ia代指θs_ia、θm_ia、θe_ia,||·||为矢量的二范数,Sp_b为成像式敏感器在航天器本体几何系下相机探头光轴矢量;
if(θx_ia<θx+Fc)
相应类型杂光遮挡保护判断...
else
认为相应杂光无直接入射干扰...
end
式中,θx代指θs、θm、θe,Fc为成像式敏感器相机探头半视场角。
所述的判断帆板是否遮挡进杂光区域的方法为:
(321)采用简化模型A,在成像式敏感器左右相机探头系下求解探头与第一帆板区域、第二帆板区域各个顶点连线的单位矢量;
(322)根据探头与第一帆板区域、第二帆板区域各个顶点连线的单位矢量判断第一帆板区域、第二帆板区域是否能覆盖杂光进入区域,当第一帆板区域、第二帆板区域均不能覆盖杂光进入区域时,则成像式敏感器左右相机受到杂光直接入射干扰。
所述的杂光反射进入干扰分析的方法包括如下步骤:
(41)按有限元节点遍历计算反射后杂光矢量;
(42)计算有限元节点至相机连线矢量与反射后杂光矢量的夹角,具体方法为:计算成像式敏感器在航天器本体几何系下探头至第i个有限元节点单位矢量Spni_b,并求Spni_b与光轴矢量Sp_b夹角θpni_ia。
式中,
式中,Pni_b=PII+M1(90°)M2(-α)Pni_f为第i个有限元节点在航天器本体几何系下坐标,i为正整数,α为帆板的转角;
(43)判断有无反射进入干扰。
所述的按有限元节点遍历计算反射后杂光矢量的方法为:
(411)计算帆板系下第i个有限元节点的实时位置Pni_f、姿态Ani_f为:
Pni_f=rni_f+Φniη(t)
Ani_f=A123(Γniη(t))
其中,Pni_f为帆板第i个有限元节点的实时位置,rni_f为帆板第i个有限元节点静止时坐标,η(t)∈RQ为模态坐标,Φni∈R3×Q为帆板第i个有限元节点的平动振型参数,Ani_f为帆板坐标系至第i个有限元节点坐标系转换阵,Γni∈R3×Q为帆板第i个有限元节点的转动振型参数,Q=15为模态阶数,A123(θ)=M3(θ3)M2(θ2)M1(θ1),θ1~θ3为θ的第1~3个坐标、M1、M2、M3分别为;
(412)将杂光矢量或者地心矢量投影到第i个有限元节点坐标系,对Z坐标取反得到杂光矢量或者地心矢量在第i个节点处反射后矢量为
式中,Sx_ni1~Sx_ni3为中间量Sx_ni的XYZ分量,Sx_ni为
Sx_ni=Ani_fAf_bSx_b
Af_b=M2(α)M1(-90°)。
所述的计算有限元节点至相机连线矢量与反射后杂光矢量的夹角的方法为:
计算航天器本体几何系下,探头至第i个有限元节点单位矢量Spni_b,进而计算其与光轴矢量Sp_b夹角θpni_ia为
式中,
式中,Pni_b=PII+M1(90°)M2(-α)Pni_f为第i个有限元节点在航天器本体几何系下坐标,PII为航天器本体坐标下中-y轴指向帆板的安装位置,Prw_b为探头在航天器本体几何系下坐标。
所述的判断有无反射进入干扰的方法为:
(431)判断θpni_ia是否小于半视场角Fc,如果小于则转入步骤(432)进行反射杂光干扰判断,否则认为该节点不会对相机产生反射杂光干扰;
(432)计算Spni_b与航天器本体几何坐标系下反射后矢量Sx_b的夹角θpnix_ia,如小于杂光可视范围角,则认为发生干扰,其中,
本发明与现有技术相比的优点在于:
本发明提出的成像式敏感器动态杂光快速分析方法,解决了在引入考虑挠性附件振动的整星动力学条件下,利用杂光光源、干扰途径和相机特性推导可大幅降低运算量的直接判别算法,可考虑挠性附件表面反射产生的动态杂光干扰;分析效率显著提升;可推广用于系统试验、整星模飞,实时分析不同工况下各类敏感器受扰情况。
附图说明
图1为本发明简化的帆板理想平板模型;
图2为本发明动态杂光快速分析方法流程图;
图3为本发明杂光直接入射遮挡保护判断流程图;
图4为本发明杂光进入区域两侧密集点示意图;
图5为本发明判断密集点是否在帆板投影下方法示意图。
具体实施方式
本发明针对现有技术的不足,提出一种分析动态杂光快速分析方法,将复杂的空间光路分析过程按“杂光干扰途径”划分为“直接进入”和“一次镜面反射进入”干扰分析两部分,然后利用杂光光源、干扰途径和相机特性推导直接判别公式,实现快速杂光干扰分析。
本发明一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法,包括如下步骤:
(1)(基础步骤1)对帆板模型采用两种方式进行简化,分别用于杂光的直接进入分析和一次镜面反射进入分析,记为简化模型A和B。
简化模型A:对于杂光直接进入分析,帆板主要考虑其对杂光的遮挡效应。帆板的挠性振动对于杂光遮挡效果影响不明显,因此采用理想平板模型。如图1所示,该模型包含两块帆板和中间伸展结构的平面信息。实现时,认为中间的抬升机构不具备遮挡能力,仅包含1、3区域各自四个顶点(1a~1d,3a~3d)在帆板坐标系下位置信息。
简化模型B:对于反射进入分析,仅考虑挠性振动产生的曲面对杂光的一次反射,在图1的1、3区域选取有限元节点即可。因此简化模型B包括1、3区域所有选中节点信息:帆板局部坐标系下初始位置、模态振型(平动/转动);
(2)(基础步骤2)有限元节点筛选:以步骤(1)中的简化模型B为基础,对挠性附件上的节点进行筛选,通过仿真比对确定不影响分析结论的最大节点筛选间隔,以降低运算量;
(3)(基础步骤3)计算各类杂光的可视范围角:对于太阳、月球光认为其可视范围角为固定值(0.5°),对于地面/地气光,需用地心距和地球半径求出绕地心矢量的可视范围角(与轨道有关)。
θs=0.5°
θm=0.5°
θe=arcsin(Re/R)
式中,θs,θm,θe分别为太阳光、月球光、地面/地气光可视范围角,R为当前地心距,Re为地球半径;
(4)以步骤(1)模型A、步骤(2)数据为基础进行杂光直接进入干扰分析。所述的杂光直接进入干扰分析方法包括如下步骤:
(4.1)根据杂光/光轴夹角与相机视场角、杂光可视范围角相互间关系,初步判断有无杂光直接入射干扰风险:判断杂光矢量(对于太阳、月球)/地心矢量(对于地面、地气)与左/右相机宽/窄视场探头光轴矢量的夹角是否小于,可视范围角加上相应的半视场角。如果小于,则认为杂光有直接进入测量相机视场,发生杂光干扰的可能性,需进一步判断帆板是否能遮挡住可能进杂光的区域:
式中,Sx_b代指Ss_b、Sm_b、Se_b,Ss_b、Sm_b、Se_b分别为太阳/月亮光、地心矢量,θx_ia代指θs_ia、θm_ia、θe_ia,θs_ia、θm_ia、θe_ia分别为太阳/月亮光、地心矢量与相机探头光轴矢量的夹角,||·||为矢量的二范数,Sp_b为航天器本体几何系下各相机探头光轴矢量。
if(θx_ia<θx+Fc)
相应类型杂光遮挡保护判断...
else
认为相应杂光无直接入射干扰...
end
式中,θx代指θs、θm、θe,Fc为各相机探头半视场角。
(4.2)有直接入射干扰风险情况下,进一步判断挠性附件是否能遮挡住杂光(遮挡保护判断),如果完全遮挡则认为无干扰发生,否则判断发生干扰。
所述的遮挡保护判断方法包括如下步骤:
(4.2.1)采用简化模型A,在相机探头系下,求解探头与图1中1、3区域各顶点连线的单位矢量。
(4.2.2)判断1或3区域是否能覆盖住杂光进入区域;一旦不能覆盖,则认为相应相机受到干扰。
(5)以步骤(1)模型B、步骤(2)数据为基础进行杂光反射进入干扰分析。所述的杂光反射进入干扰分析方法包括如下步骤:
(5.1)按有限元节点遍历计算反射后杂光矢量,具体包括如下步骤:
(5.1.1)根据模态坐标和节点振型,计算帆板系下节点实时位置、姿态:
Pni_f=rni_f+Φniη(t)
Ani_f=A123(Γniη(t))
Pni_f为第i个节点的实时位置,rni_f为帆板静止时节点坐标,η(t)∈RQ为模态坐标,Φni∈R3×Q为平动振型参数,Ani_f为帆板坐标系至第i个有限元节点坐标系转换阵,Γni∈R3 ×Q为转动振型参数,Q=15为模态阶数,α为帆板的转角,A123(θ)=M3(θ3)M2(θ2)M1(θ1),θ1~θ3为θ的第1~3个坐标、M1、M2、M3分别为;
(5.1.2)将杂光/地心矢量投影到节点坐标系,对Z坐标取反得到杂光在第i个节点处反射后矢量为
式中,Sx_ni1~Sx_ni3为中间量Sx_ni的XYZ分量,Sx_ni为
Sx_ni=Ani_fAf_bSx_b
Af_b=M2(α)M1(-90°)
(5.2)各有限元节点均作为新的近场光源处理,计算“该节点至相机连线矢量”与“反射后杂光矢量”(由步骤(5.1.2)给出)的夹角,具体方法为:计算航天器本体几何系下,探头至第i个有限元节点单位矢量Spni_b,并求其与光轴矢量Sp_b夹角θpni_ia。
式中,
式中,Pni_b=PII+M1(90°)M2(-α)Pni_f为第i个有限元节点在航天器本体几何系下坐标,PII为II象限安装位置,Prw_b为探头在航天器本体几何系下坐标。
(5.3)根据步骤(3)所得各类杂光可视范围角和步骤(5.2)所得“连线矢量”与“反射矢量”夹角,判断有无反射进入干扰,具体包括如下步骤:
(5.3.1)判断θpni_ia是否小于半视场角Fc,如果小于则进行反射杂光干扰判断,否则认为该节点不会对相机产生反射杂光干扰:
if(θpni_ia<Fc)
进行反射杂光干扰判断...
else
认为节点不产生反射杂光干扰...
end
(5.3.2)计算Spni_b与航天器本体几何坐标系下反射后矢量Sx_b的夹角θpnix_ia,如小于杂光可视范围角,则认为发生干扰。
式中,
式中,
if(θpnix_ia<θx)
节点产生反射杂光干扰...
else
认为节点不产生反射杂光干扰...
end
综上所述本发明一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法,包括如下步骤:
(1)对帆板模型进行简化,得到A、B两种简化模型;
(2)通过仿真确定筛选间隔,对挠性附件上节点进行筛选;
(3)计算各类杂光的可视范围角;
(4)根据杂光/光轴夹角与相机视场角、杂光可视范围角相互间关系,初步判断有无杂光直接入射干扰风险;
(5)判断挠性附件是否能遮挡住杂光(遮挡保护判断),如果完全遮挡则认为无干扰发生,否则判断发生干扰;
(6)按有限元节点遍历计算反射后杂光矢量;
(7)计算各节点至相机连线矢量与反射后杂光矢量夹角;
(8)根据各类杂光可视范围角和“连线矢量”与“反射矢量”夹角,判断有无杂光反射进入干扰;
如图2所示为本发明实施例中一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法的流程图,该方法包括:
101 帆板模型简化;
102 挠性附件节点筛选;
103 杂光可视范围角计算;
104 杂光直接入射干扰风险判断;
105 杂光直接入射遮挡保护判断;
106 节点反射后杂光矢量计算;
107 反射后杂光矢量夹角计算;
108 杂光反射进入干扰判断。
具体来讲,在本发明实施例中,步骤101中的简化模型A可通过增加帆板边缘的有限元节点进一步改善帆板遮挡保护判断精度,简化模型B可利用步骤102的多次数值比对结果来进行节点优化筛选,筛选完成后步骤102可跳过。
进一步,在本发明实施例中,通过图3对步骤105中判断帆板是否完全覆盖杂光进入区域的方法进行解释说明。首先,帆板1、3区域之间是分开的,如果单一区域不能覆盖杂光进入区,杂光必然进入,因此对各区域独立开展遮挡效果分析。其次,如图4所示,杂光进入区总为两个圆(视场、杂光)相交部分,通过立体几何方法可求解出进入区两侧弧线上的密集点。再次,如图5所示,可通过计算多边形各相邻顶点与各密集点连线的夹角之和是否等于360°判断各密集点是否在1、3区域投影内,如果密集点全部在1、3任意区域投影内,即判断杂光被帆板遮挡,否则认为发生杂光直接入射干扰。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)对帆板模型进行简化得到简化模型A、简化模型B,其中,简化模型A用于杂光的直接进入分析,简化模型B用于一次镜面反射进入分析;其中,杂光包括太阳光、月球光、地面地气光;
(2)分别计算太阳光、月球光、地面地气光的可视范围角;
(3)进行杂光直接进入干扰分析;
(4)进行杂光反射进入干扰分析。
2.根据权利要求1所述的一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法,其特征在于:所述的简化模型A包括第一帆板区域的四个顶点、第二帆板区域的四个顶点;简化模型B包括对第一帆板区域、第二帆板区域进行有限元节点选取,得到的所有有限元节点。
3.根据权利要求1或2所述的一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法,其特征在于:所述的分别计算太阳光、月球光、地面地气光的可视范围角为
θs=0.5°
θm=0.5°
θe=arcsin(Re/R)
式中,θs、θm、θe分别为太阳光、月球光、地面地气光可视范围角,R为地心距,Re为地球半径。
4.根据权利要求1或2所述的一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法,其特征在于:所述的进行杂光直接进入干扰分析方法包括如下步骤:
(31)判断杂光或者地心矢量与成像式敏感器左右相机探头光轴矢量的夹角,是否小于杂光可视范围角与成像式敏感器左右相机半视场角的和,若不小于,则杂光不直接进入成像式敏感器相机视场,若小于,则转入步骤(32);
(32)判断帆板是否遮挡进杂光区域,若完整遮挡,则杂光不直接进入成像式敏感器相机视场,若不能完全遮挡,则杂光直接进入成像式敏感器相机视场,产生直接进入干扰。
5.根据权利要求4所述的一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法,其特征在于:所述的判断杂光矢量或者地心矢量与成像式敏感器左右相机探头光轴矢量的夹角,是否小于可视范围角与成像式敏感器左右相机半视场角的和的方法为:
计算得到太阳光与相机探头光轴矢量的夹角θs_ia、月亮光与相机探头光轴矢量的夹角θm_ia、地心矢量与相机探头光轴矢量的夹角θe_ia为:
式中,Sx_b代指Ss_b、Sm_b、Se_b,Ss_b、Sm_b、Se_b分别为太阳光矢量、月亮光矢量、地心矢量,θx_ia代指θs_ia、θm_ia、θe_ia,||·||为矢量的二范数,Sp_b为成像式敏感器在航天器本体几何系下相机探头光轴矢量;
if(θx_ia<θx+Fc)
相应类型杂光遮挡保护判断...
else
认为相应杂光无直接入射干扰...
end
式中,θx代指θs、θm、θe,Fc为成像式敏感器相机探头半视场角。
6.根据权利要求5所述的一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法,其特征在于:所述的判断帆板是否遮挡进杂光区域的方法为:
(321)采用简化模型A,在成像式敏感器左右相机探头系下求解探头与第一帆板区域、第二帆板区域各个顶点连线的单位矢量;
(322)根据探头与第一帆板区域、第二帆板区域各个顶点连线的单位矢量判断第一帆板区域、第二帆板区域是否能覆盖杂光进入区域,当第一帆板区域、第二帆板区域均不能覆盖杂光进入区域时,则成像式敏感器左右相机受到杂光直接入射干扰。
7.根据权利要求1所述的一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法,其特征在于:所述的杂光反射进入干扰分析的方法包括如下步骤:
(41)按有限元节点遍历计算反射后杂光矢量;
(42)计算有限元节点至相机连线矢量与反射后杂光矢量的夹角,具体方法为:计算成像式敏感器在航天器本体几何系下探头至第i个有限元节点单位矢量Spni_b,并求Spni_b与光轴矢量Sp_b夹角θpni_ia。
式中,
式中,Pni_b=PII+M1(90°)M2(-α)Pni_f为第i个有限元节点在航天器本体几何系下坐标,i为正整数,α为帆板的转角;
(43)判断有无反射进入干扰。
8.根据权利要求7所述的一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法,其特征在于:所述的按有限元节点遍历计算反射后杂光矢量的方法为:
(411)计算帆板系下第i个有限元节点的实时位置Pni_f、姿态Ani_f为:
Pni_f=rni_f+Φniη(t)
Ani_f=A123(Γniη(t))
其中,Pni_f为帆板第i个有限元节点的实时位置,rni_f为帆板第i个有限元节点静止时坐标,η(t)∈RQ为模态坐标,Φni∈R3×Q为帆板第i个有限元节点的平动振型参数,Ani_f为帆板坐标系至第i个有限元节点坐标系转换阵,Γni∈R3×Q为帆板第i个有限元节点的转动振型参数,Q=15为模态阶数,A123(θ)=M3(θ3)M2(θ2)M1(θ1),θ1~θ3为θ的第1~3个坐标、M1、M2、M3分别为;
(412)将杂光矢量或者地心矢量投影到第i个有限元节点坐标系,对Z坐标取反得到杂光矢量或者地心矢量在第i个节点处反射后矢量为
式中,Sx_ni1~Sx_ni3为中间量Sx_ni的XYZ分量,Sx_ni为
Sx_ni=Ani_fAf_bSx_b
Af_b=M2(α)M1(-90°)。
9.根据权利要求8所述的一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法,其特征在于:所述的计算有限元节点至相机连线矢量与反射后杂光矢量的夹角的方法为:
计算航天器本体几何系下,探头至第i个有限元节点单位矢量Spni_b,进而计算其与光轴矢量Sp_b夹角θpni_ia为
式中,
式中,Pni_b=PII+M1(90°)M2(-α)Pni_f为第i个有限元节点在航天器本体几何系下坐标,PII为航天器本体坐标下中-y轴指向帆板的安装位置,Prw_b为探头在航天器本体几何系下坐标。
10.根据权利要求9所述的一种成像式敏感器动态杂光快速分析方法,其特征在于:所述的判断有无反射进入干扰的方法为:
(431)判断θpni_ia是否小于半视场角Fc,如果小于则转入步骤(432)进行反射杂光干扰判断,否则认为该节点不会对相机产生反射杂光干扰;
(432)计算Spni_b与航天器本体几何坐标系下反射后矢量的夹角θpnix_ia,如小于杂光可视范围角,则认为发生干扰,其中,
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