CN113791630A - 火星椭圆轨道像移补偿控制地面验证系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种火星椭圆轨道像移补偿控制地面验证系统，包括地物环境创建平台、虚拟光学影像实时生成模块、高分相机存储处理模拟模块以及高分相机主控模拟模块。本发明通过全软件仿真的方式直观地呈现火星环绕器姿轨控系统与光学成像载荷之间的交互控制的成像结果，解决了环绕器平台与光学载荷之间的高度关联性试验难题，实现了平台与载荷间交互控制地面验证能力。本发明对于深空探测器光学载荷动态测试、试验验证的充分性有良好效果。本发明的应用取得降低试验成本、提高验证效率、直观评价交互控制下高分相机的动态成像质量等有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及航天器试验技术领域，具体地，涉及一种火星椭圆轨道像移补偿控制地面验证系统。
背景技术
火星探测需要使用高分相机完成对火星关键区域高分辨率成像探测。火星遥感轨道为存在进动的椭圆轨道，由于火星距离遥远，测定轨精度相对近地卫星较低，在此条件下实现近火弧段0.5m分辨率成像难度较大。同时，火星高分相机在轨成像期间需要进行精密的像移补偿控制。由于火星高分相机自身不具备偏流调整功能，因此只能通过向姿轨控系统发送偏流调整指令，配合完成高分相机的像移补偿功能。
为了直观地评价交互控制下高分相机的动态成像质量，需要高分相机输出一系列与姿轨控参数精确对应的图像信息。由于探测器难以在地面状态下带动高分相机进行不同姿态下的物理成像试验，因此，如何准确建立姿轨控参数与相机成像之间的映射关系是该试验的主要难点所在。
在公告号为CN107479565B的中国专利文献中，公开了一种基于椭圆轨道像移补偿计算方法，以圆轨道像移速度矢计算模型以及椭圆轨道的参数，建立椭圆轨道的像移速度矢模型，并计算航天器椭圆运动轨道速度，近地点轨道速度和远地点轨道速度；计算轨道速度与离心速度的夹角，并根据计算的夹角获得可得环绕速度和离心速度，计算椭圆轨道高度；将航天器的环绕速度转换到像面的像移速度分别经过景点星下垂线地平坐标系、行星坐标系、行星惯性坐标系、轨道坐标系、相机坐标系及像面坐标系；获得景点在相机像面的像移速度，根据获得像面的像移速度对椭圆轨道像移进行补偿。
《卫星机动过程成像的姿态规划与控制研究》文章编号1006-1630(2017)06-0013-07为查询到的与之接近的文献资料，主要讲的是星载相机在卫星机动过程中的姿态规划与控制，偏重成像过程中通过姿态控制补偿实现对地面目标的成像和补偿修正。
《成像设备和成像控制方法》CN1628270A主要保护的是电子照相技术的成像设备，侧重成像设备的组成，是单机设备层面上的，目的是能够始终精确调整图像的位置。
在公开号为CN108444446A的中国专利文献中，公开了一种像移补偿方法，包括：基于卫星轨道数据及星下点与目标物点的位置关系，获取所述星下点与所述目标物点的相对地理信息；基于所述星下点的速度矢量、所述相对地理信息及成像装置的旋转角速度，获取所述目标物点的像移速度矢量；基于所述目标物点的像移速度矢量，得到所述目标物点的像移补偿参数；基于所述像移补偿参数进行像移补偿。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种火星椭圆轨道像移补偿控制地面验证系统。
根据本发明提供的一种火星椭圆轨道像移补偿控制地面验证系统，包括以下模块：
地物环境创建平台：根据火星环绕器姿轨控参数随机生成火星表面三维景物信息；
虚拟光学影像实时生成模块：将地物环境创建平台生成的火星表面三维景物进行模拟光学成像处理，并将生成的虚拟图像输出显示；
高分相机存储处理模拟模块：接收并存储虚拟光学影像实时生成模块输出的图像数据，并对存储的图像数据进行下行预处理，根据高分相机主控模拟模块的指令输出显示；
高分相机主控模拟模块：接收火星环绕器姿轨控参数，进行实时的像移补偿计算，并将像移补偿参数传递给虚拟光学影像实时生成模块，使虚拟光学影像实时生成模块根据像移补偿参数对生成的图像进行调整。
优选的，所述地物环境创建平台实时接收火星环绕器的姿轨控参数，包括轨道参数、姿态参数和太阳高角，所述地物环境创建平台随机生成火星表面三维景物信息，并根据太阳高角模拟真实的地物辐照参数和阴影效果。
优选的，所述虚拟光学影像实时生成模块用于模拟高分相机的在轨成像，将火星表面不同经纬度的景物信息映射到二维图像矩阵的不同坐标位置，将火表不同高度的景物信息对应到二维图像不同程度的离焦状态，将火表不同光照条件的景物信息对应到二维图像的灰度值，从而实现三维地景信息的全纪录。
优选的，所述虚拟光学影像实时生成模块工作时调用的参数包括火星环绕器轨道参数、姿态参数、光照条件和高分相机的光学参数。
优选的，所述高分相机存储处理模拟模块对图像数据的下行预处理包括生成缩略图和区域提取，其中缩略图提取按TDI CCD全色1×1、2×2、4×4、8×8、16×16对原始图像进行抽点或融合处理；区域提取在原始图像中选择确定区域进行输出。
优选的，所述高分相机存储处理模拟模块对图像数据的处理算法通过动态链接库的形式连接到软件中，通过选取算法进行相应处理。
优选的，所述高分相机主控模块接收地面任务指令，通过RS422总线接收姿轨控广播的平台参数，进行实时的像移补偿计算，并将偏流角计算结果信息反馈给姿轨控系统，使其调整环绕器姿态。
优选的，所述像移补偿参数包括行频和级数。
优选的，所述高分相机主控模块与高分相机存储处理模拟模块通过千兆网进行数据交互，接收高分相机存储处理模拟模块下行预处理后的图像后并输出。
优选的，所述地物环境创建平台生成三维景物信息包括以下步骤：
步骤S1：将获取的火星表面的影像与地形数据分别拼接起来，并将重叠区域进行融合；
步骤S2：将拼接好的火星影像及地形数据载入到STK软件中；
步骤S3：建立新场景并选择火星为中心天体，建立火星环绕器目标，设置环绕器的轨道参数；
步骤S4：在火星环绕器上加入光学相机；
步骤S5：对STK二次开发，确定光学相机的可视范围；
步骤S6：显示可视范围内的三维景物；
步骤S7：对步骤S6中可视范围内的三维景物进行地形数据三维渲染。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过全软件仿真的方式直观地呈现火星环绕器姿轨控系统与光学成像载荷之间的交互控制的成像结果，解决了环绕器平台与光学载荷之间的高度关联性试验难题，实现了平台与载荷间交互控制地面验证能力；
2、本发明对于深空探测器光学载荷动态测试、试验验证的充分性有良好效果；
3、本发明的应用取得降低试验成本、提高验证效率、直观评价交互控制下高分相机的动态成像质量等有益效果。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明系统工作原理图；
图2为本发明地物环境创建平台组成结构示意图；
图3为本发明虚拟光学影像实时生成模块工作原理图；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种火星椭圆轨道像移补偿控制地面验证系统，通过三维景物生成和虚拟光学成像等手段，在姿轨控参数和虚拟光学影响之间建立起一对一的映射关系，通过全软件仿真的方式直观地呈现姿轨控系统与光学成像载荷之间的交互控制的成像结果，实现平台与载荷间交互控制地面验证。如图1所示，本验证系统包括地物环境创建平台、虚拟光学影像实时生成模块、高分相机存储处理模拟模块以及高分相机主控模拟模块。
地物环境创建平台根据火星环绕器姿轨控参数随机生成火星表面三维景物信息，地物环境创建平台实时接收火星环绕器的姿轨控参数包括轨道参数、姿态参数和太阳高角等信息，所述地物环境创建平台随机生成火星表面三维景物信息，并根据太阳高角模拟真实的地物辐照参数和阴影效果。地物环境创建平台实现火星环绕器对火星表面视景的仿真模拟，准确的确定环绕器在轨运行任意时刻的位置，并显示火星环绕器成像覆盖区域，确定光学相机成像可视区域的经纬度范围，并显示可视区域内的三维景物。
为实现火星环绕器对火星表面视景的仿真模拟，收集火星影像与地形数据，准确的确定环绕器在轨运行任意时刻的位置，并显示火星环绕器成像覆盖区域，确定光学相机成像可视区域的经纬度范围，并显示可视区域内的三维景物，进行三维渲染，依据太阳高度角等光照条件模拟真实的地物辐照参数和阴影效果，参照图2所示，具体的流程如下：
步骤S1：将获取的火星表面的影像与地形数据分别拼接起来，并将重叠区域进行融合；
步骤S2：将拼接好的火星影像及地形数据载入到STK软件中；
步骤S3：建立新场景并选择火星为中心天体，建立火星环绕器目标，设置环绕器的轨道参数；
步骤S4：在火星环绕器上加入光学相机；
步骤S5：对STK二次开发，确定光学相机的可视范围；
步骤S6：显示可视范围内的三维景物；
步骤S7：对步骤S6中可视范围内的三维景物进行地形数据三维渲染。
姿轨控系统根据光学相机提供的偏流角信息调整姿态，根据姿轨控系统参数的变化，可获取火星环绕器上光学相机任意时刻对火星表面的可视范围的经纬度。环绕器仿真模拟的时间步长可任意设置，可观察到在不同速度下的环绕器绕火飞行的模拟状态。在不同的可视范围内，均可看到火星表面的三维景物，并根据可视范围，在软件中进行火星表面的三维渲染，获取不同太阳高度角下的火星表面三维景物信息，经过成像变换获得高分推扫成像的二维图像。
虚拟光学影像实时生成模块基于火星高分相机的成像机理，将三维火表景物进行模拟光学成像处理，即将三维火星表面景物投影至相机探测器成像表面，并将虚拟图像通过高速图形卡输出至监视系统1和高分相机存储处理模拟模块，经高分相机存储处理模拟模块处理后的图像由监视系统2输出，与处理前的图像进行比较，定性验证存储处理系统的性能、效果。
虚拟光学影像实时生成系统的主要作用是模拟高分相机的在轨成像，将三维景物信息映射到二维的成像表面。随着GNC参数的变化，场景管理驱动单元不断更新三维地景信息，虚拟光学影像实时生成系统也将实时地生成二维的虚拟光学影像，该二维影像与GNC参数之间存在确定的一对一的映射关系。
虚拟光学影像实时生成系统工作过程中，需要调用环绕器的轨道参数、姿态参数、光照条件、火星高分相机、火星中分相机的光学参数等信息，依据几何光学成像原理，将火表不同经纬度的景物信息映射到二维图像矩阵的不同坐标位置，将火表不同高度的景物信息对应到二维图像不同程度的离焦(模糊处理)状态，将火表不同光照条件的景物信息对应到二维图像的灰度值，从而实现三维地景信息的全纪录，工作原理如图3所示。
高分相机存储处理模拟模块接收并存储虚拟光学影像实时生成模块输出的图像数据，并对存储的图像数据进行下行预处理，根据高分相机主控模拟模块的指令输出显示。按照实际在轨成像性能，在轨道260km条件下，行频大约8.1KHz，单片CCD像元数为6144，每个像元按照2B存储，单片的存储速率为96MB/s，三片CCD同时存储，最大速度近300MB/s。
当图像数据存储结束后，根据主控模拟系统发送的指令，对图像数据进行相应下行预处理，处理的方式包括生成缩略图和区域提取。缩略图提取可按TDI CCD全色1×1、2×2、4×4、8×8、16×16对原始图像进行抽点/融合处理；区域提取可以在原始图像中选择确定区域进行输出。通过软件模型高度仿真高分相机存储处理单元的各种算法，处理算法可通过动态链接库的形式连接到软件中，通过选取算法模型进行处理。处理后的图像数据送入监视系统进行显示，验证存储处理的各种算法的性能效果。
高分相机主控模拟模块接收火星环绕器姿轨控参数，进行实时的像移补偿计算，并将像移补偿参数传递给虚拟光学影像实时生成模块，使虚拟光学影像实时生成模块根据像移补偿参数对生成的图像进行调整。
高分相机主控模拟系统由一套专用的地面仿真系统完成，通过1553B总线接收载荷控制器转发的地面任务指令，通过RS422总线接收姿轨控系统广播的平台参数，进行实时的像移补偿计算，并将偏流角计算结果信息反馈给姿轨控系统，使其调整环绕器姿态。同时，主控模拟系统实时将像移补偿参数(行频、级数等调光参数)通过RS422接口传递给虚拟光学影像实时生成系统，使其根据参数输入对生成图像进行调整。此外主控模拟系统与存储处理模拟系统通过千兆网进行数据交互，接收存储处理模拟系统预处理后的图像，再通过串行LVDS发送卡输出图像数据。
主控模拟系统依据环绕器姿轨控单元输入的轨道姿态参数实时计算像移补偿参数，并将环绕器的姿态调整参数输出至环绕器姿轨控系统，该系统将依据姿态调整指令实时修正环绕器姿态，验证系统的运行过程是一个动态闭环的过程。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种火星椭圆轨道像移补偿控制地面验证系统，其特征在于，包括以下模块：
地物环境创建平台：根据火星环绕器姿轨控参数随机生成火星表面三维景物信息；
虚拟光学影像实时生成模块：将地物环境创建平台生成的火星表面三维景物进行模拟光学成像处理，并将生成的虚拟图像输出显示；
高分相机存储处理模拟模块：接收并存储虚拟光学影像实时生成模块输出的图像数据，并对存储的图像数据进行下行预处理，根据高分相机主控模拟模块的指令输出显示；
高分相机主控模拟模块：接收火星环绕器姿轨控参数，进行实时的像移补偿计算，并将像移补偿参数传递给虚拟光学影像实时生成模块，使虚拟光学影像实时生成模块根据像移补偿参数对生成的图像进行调整。
2.根据权利要求1所述的火星椭圆轨道像移补偿控制地面验证系统，其特征在于：所述地物环境创建平台实时接收火星环绕器的姿轨控参数，包括轨道参数、姿态参数和太阳高角，所述地物环境创建平台随机生成火星表面三维景物信息，并根据太阳高角模拟真实的地物辐照参数和阴影效果。
3.根据权利要求1所述的火星椭圆轨道像移补偿控制地面验证系统，其特征在于：所述虚拟光学影像实时生成模块用于模拟高分相机的在轨成像，将火星表面不同经纬度的景物信息映射到二维图像矩阵的不同坐标位置，将火表不同高度的景物信息对应到二维图像不同程度的离焦状态，将火表不同光照条件的景物信息对应到二维图像的灰度值，从而实现三维地景信息的全纪录。
4.根据权利要求3所述的火星椭圆轨道像移补偿控制地面验证系统，其特征在于：所述虚拟光学影像实时生成模块工作时调用的参数包括火星环绕器轨道参数、姿态参数、光照条件和高分相机的光学参数。
5.根据权利要求1所述的火星椭圆轨道像移补偿控制地面验证系统，其特征在于：所述高分相机存储处理模拟模块对图像数据的下行预处理包括生成缩略图和区域提取，其中缩略图提取按TDI CCD全色1×1、2×2、4×4、8×8、16×16对原始图像进行抽点或融合处理；区域提取在原始图像中选择确定区域进行输出。
6.根据权利要求5所述的火星椭圆轨道像移补偿控制地面验证系统，其特征在于：所述高分相机存储处理模拟模块对图像数据的处理算法通过动态链接库的形式连接到软件中，通过选取算法进行相应处理。
7.根据权利要求1所述的火星椭圆轨道像移补偿控制地面验证系统，其特征在于：所述高分相机主控模块接收地面任务指令，通过RS422总线接收姿轨控广播的平台参数，进行实时的像移补偿计算，并将偏流角计算结果信息反馈给姿轨控系统，使其调整环绕器姿态。
8.根据权利要求1所述的火星椭圆轨道像移补偿控制地面验证系统，其特征在于：所述像移补偿参数包括行频和级数。
9.根据权利要求1所述的火星椭圆轨道像移补偿控制地面验证系统，其特征在于：所述高分相机主控模块与高分相机存储处理模拟模块通过千兆网进行数据交互，接收高分相机存储处理模拟模块下行预处理后的图像后并输出。
10.根据权利要求1所述的火星椭圆轨道像移补偿控制地面验证系统，其特征在于：所述地物环境创建平台生成三维景物信息包括以下步骤：
步骤S1：将获取的火星表面的影像与地形数据分别拼接起来，并将重叠区域进行融合；
步骤S2：将拼接好的火星影像及地形数据载入到STK软件中；
步骤S3：建立新场景并选择火星为中心天体，建立火星环绕器目标，设置环绕器的轨道参数；
步骤S4：在火星环绕器上加入光学相机；
步骤S5：对STK二次开发，确定光学相机的可视范围；
步骤S6：显示可视范围内的三维景物；
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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