CN111351506A - 一种基于3d打印的火星可见光目标特性精确模拟方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于3D打印的火星可见光目标特性精确模拟方法，通过制作3D模型的火星模拟球，模拟火星在火星探测器的导航敏感器探测到的姿态信息，并模拟火星实际光照条件，再通过导航敏感器接收火星模拟球生成的平行光实现对火星的光学仿真模拟，可用于火星探测器空间环境模拟实验和精度标定以及敏感器地面测试，能够在实验室内实现在太空环境下观测的目的，方法流程清晰，模拟精度高。

Description

一种基于3D打印的火星可见光目标特性精确模拟方法
技术领域
本发明涉及一种基于3D打印的火星可见光目标特性精确模拟方法，属于深空探测仿真验证技术领域。
背景技术
我国将于2020年发射火星探测器，一次实现“绕”、“落”、“巡”的常规三步走流程。随着探测器飞往火星，器地距离增加，相比于近地卫星，直接带来的影响就是通信延迟增大，星地无法实施实时的大回路控制，因此火星探测任务中，将光学自主导航作为探测器轨道递推的重要备份手段。
我国目前没有深空自主导航的工程经验，所以光学自主导航的地面验证尤其重要。但现有的半实物仿真系统中缺少对火星可见光目标特性的精确模拟，为实现对导航敏感器的精度标定，需要研究一种火星可见光目标特性精确模拟方法，为火星探测光学自主导航提供与火星光谱相匹配的均匀、稳定且具有一定辐照度的火星模拟信号，为交会对接敏感器、导航敏感器提供目标源。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，现有的半实物仿真系统中缺少对火星可见光目标特性的精确模拟的问题，为实现导航敏感器的精确标定，提出了一种基于3D打印的火星可见光目标特性精确模拟方法。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种基于3D打印的火星可见光目标特性精确模拟方法，步骤如下：
(1)对火星表面高山及峡谷分布情况进行等比例缩放，获取火星表面地形地貌参数，并以特定半径精度的3D模型为基础制作火星模拟球；
(2)确定火星探测器导航敏感器的位置，选取一个火星模拟球作为探测目标，并调节该火星模拟球相对于导航敏感器的放置角度，模拟该距离条件下火星于火星探测器导航敏感器的探测视场内姿态；
(3)保持导航敏感器位置不变，将探测目标更换为另一个火星模拟球，模拟不同距离条件下火星于火星探测器导航敏感器的探测视场内姿态，直至遍历所有火星模拟球；
(4)通过宽光谱光源及光源处理系统向各火星模拟球投射准直光线，以模拟真实空间中太阳对火星的照射条件，通过导航敏感器对火星模拟球进行成像，并对获取的图像进行处理以解算导航信息。
所述火星模拟球可根据火星探测器光学自主导航过程重的器火距离限制进行分类，种类数量为4种，各种类的火星模拟球半径分别为10mm、20mm、 100mm、500mm。
所述步骤(4)中，视星等范围为-20～10mv。
所述光源处理系统由反射镜及匀光板组成，用于将光线转化为均匀稳定的准直光线。
所述宽光谱光源由外部供电系统进行供电，并通过宽光谱光源的氙灯经由光源处理系统向火星模拟球投射准直光线。
所述火星模拟球相对于导航敏感器的放置角度通过安装支架进行调节。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供的一种基于3D打印的火星可见光目标特性精确模拟方法，为模拟火星在太空中的姿态位置并模拟火星的光学特性，通过使用3D打印技术制造火星模拟球，按照半径精度±0.5mm的3D模型进行火星地形地貌制作，同时通过能调节支架来模拟火星在导航敏感器视场内的姿态位置的方法，以更换不同大小的模拟球来模拟不同距离下的火星目标实现导航敏感器对火星的光学仿真模拟验证，达到在实验室内实现在太空环境下观测的目的，模拟精度提升，填补了目前深空自主导航方面缺少对火星可见光目标特性的精确模拟的技术空白。
附图说明
图1为发明提供的火星可见光目标模拟方法流程图；
具体实施方式
一种基于3D打印的火星可见光目标特性精确模拟方法，通过制作3D模型的火星模拟球，模拟火星在火星探测器的导航敏感器探测到的姿态信息，并模拟火星实际光照条件，再通过导航敏感器接收火星模拟球生成的平行光实现对火星的光学仿真模拟，具体步骤如下：
(1)模拟火星表面地形地貌
首先查询火星表面地形地貌资料，根据任务需求，对火星表面存在的高山及峡谷进行等比例缩放，获取获取火星表面地形地貌参数，以特定的半径精度进行3D模型制作，获得四种不同半径的火星模拟球，各火星模拟球半径不同主要是需要根据火星探测光学自主导航过程中4种典型的器火距离制作，半径一般选取10mm、20mm、100mm、500mm，可以在后续步骤中对导航敏感器与火星的实际距离进行模拟；
(2)模拟火星在导航敏感器探测视场内的典型姿态位置和大小
确定火星探测器导航敏感器的位置，保持导航敏感器位置不变，选取一个火星模拟球作为探测目标，并通过安装支架调节该火星模拟球相对于导航敏感器的放置角度，模拟该距离条件下火星于火星探测器导航敏感器的探测视场内姿态；
该火星模拟球姿态获取完毕后，探测目标更换为另一个火星模拟球，模拟不同距离条件下火星于火星探测器导航敏感器的探测视场内姿态，直至遍历所有火星模拟球，以模拟不同距离下导航敏感器探测视场内的火星目标；
(3)火星光照条件模拟及导航敏感器处理
通过宽光谱光源及光源处理系统向各火星模拟球投射准直光线以模拟火星光照条件，由电控系统为宽光谱光源提供电能点亮氙灯，氙灯的光线经过高质量反射镜和匀光板，将光线转化成均匀稳定的准直光线投射到火星模拟球。模拟火星模拟球产生的光线经过中继光学系统准直成平行光之后射出，视星等范围为-20～10mv。在连接的导航敏感器光学系统的入瞳处产生模拟的无穷远平行光，即实现对火星的光学仿真模拟。
下面结合具体实施例进行进一步说明：
在本实施例中，如图1所示，首先根据查询到的火星地形地貌的资料，根据要求的火星半径大小，对火星表面的高山和峡谷进行等比例缩放，按照半径精度±0.5mm的3D模型对火星模拟球进行地形地貌制作；同时根据火星探测光学自主导航过程中4种典型的器火距离制作了4只对应不同大小的火星模拟球，半径分别为10mm、20mm、100mm、500mm，用于模拟不同器火距离下的火星目标。然后，通过安装支架调节火星模拟球的角度，模拟火星在导航敏感器探测视场内的姿态位置；通过更换不同的火星模拟球作为模拟目标，模拟不同器火距离下导航敏感器探测视场内的火星目标。最后，由电控系统为宽光谱光源提供电能点亮氙灯，氙灯的光线经过高质量反射镜和匀光板，将光线转化成均匀稳定的准直光线投射到火星模拟球。模拟火星模拟球产生的光线经过中继光学系统准直成平行光之后射出，视星等范围为-20～10mv，即视星等的定义为观测者用肉眼观测火星的亮度。在连接的导航敏感器光学系统的入瞳处产生模拟的无穷远平行光，即实现对火星的光学仿真模拟。
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 (6)

1.一种基于3D打印的火星可见光目标特性精确模拟方法，其特征在于步骤如下：
(1)对火星表面高山及峡谷分布情况进行等比例缩放，获取火星表面地形地貌参数，并以特定半径精度的3D模型为基础制作火星模拟球；
(2)确定火星探测器导航敏感器的位置，选取一个火星模拟球作为探测目标，并调节该火星模拟球相对于导航敏感器的放置角度，模拟该距离条件下火星于火星探测器导航敏感器的探测视场内姿态；
(3)保持导航敏感器位置不变，将探测目标更换为另一个火星模拟球，模拟不同距离条件下火星于火星探测器导航敏感器的探测视场内姿态，直至遍历所有火星模拟球；
(4)通过宽光谱光源及光源处理系统向各火星模拟球投射准直光线，以模拟真实空间中太阳对火星的照射条件，通过导航敏感器对火星模拟球进行成像，并对获取的图像进行处理以解算导航信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的火星可见光目标特性精确模拟方法，其特征在于：所述火星模拟球可根据火星探测器光学自主导航过程中的器火距离限制进行分类，种类数量为4种，各种类的火星模拟球半径分别为10mm、20mm、100mm、500mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的火星可见光目标特性精确模拟方法，其特征在于：所述步骤(4)中，视星等范围为-20～10mv。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的火星可见光目标特性精确模拟方法，其特征在于：所述光源处理系统由反射镜及匀光板组成，用于将光线转化为均匀稳定的准直光线。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的火星可见光目标特性精确模拟方法，其特征在于：所述宽光谱光源由外部供电系统进行供电，并通过宽光谱光源的氙灯经由光源处理系统向火星模拟球投射准直光线。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的火星可见光目标特性精确模拟方法，其特征在于：所述火星模拟球相对于导航敏感器的放置角度通过安装支架进行调节。
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