CN115688440A - 一种月面数字环境构建仿真系统 - Google Patents

Abstract

一种月面数字环境构建仿真系统，地月时空基准模拟模块用于为整个仿真系统提供时空基准，以及不同时空基准间的转换关系；月表数据资源管理模块，利用遥感数据和影像数据，经对齐和多层次划分处理，生成月面多尺度栅格数据，用于根据视点位置实时动态加载；月面综合环境模拟模块，用于对月面光照、星空背景、地表材质、形貌特征、月尘散布进行建模；仿真任务工况管理模块，用于建立探测器模型和敏感器模型，并根据需求进行敏感器配置，为敏感器提供数据，获取敏感器输出的数据；月面场景渲染演示模块，用于对包括月表数据、月面综合环境、探测器模型的场景图像进行渲染。

Description

一种月面数字环境构建仿真系统

技术领域

本发明涉及一种月面数字环境构建仿真系统，属于深空探测技术领域。

背景技术

开展载人月球探测、月球基地建设等任务，对导航避障、定点着陆提出了更高的要求；其中，月面地形和月壤特性对环境感知、特征识别以及导航制导与控制算法的设计和验证具有重要影响。现有仿真环境多为包含典型月面地形特征的局部虚拟环境，或用于月面软着陆和月球车运动性能检测的力学环境、以及地面模拟的物理试验场环境。而着陆过程空间跨度大，各阶段工作任务和启用的敏感器不同，单一尺度的虚拟环境模拟难以支持着陆全过程感知决策算法的验证，目前尚不具备基于真实月面数据构建的大范围、可模拟多维属性的月面数字环境。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了月面数字环境精细构建问题。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种月面数字环境构建仿真系统，包括地月时空基准模拟模块、月表数据资源管理模块、月面综合环境模拟模块、仿真任务工况管理模块、月面场景渲染演示模块；

地月时空基准模拟模块用于为整个仿真系统提供时空基准，以及不同时空基准间的转换关系；

月表数据资源管理模块，利用遥感数据和影像数据，经对齐和多层次划分处理，生成月面多尺度栅格数据，用于根据视点位置实时动态加载；

月面综合环境模拟模块，用于对月面光照、星空背景、地表材质、形貌特征、月尘散布进行建模；

仿真任务工况管理模块，用于建立探测器模型和敏感器模型，并根据需求进行敏感器配置，为敏感器提供数据，获取敏感器输出的数据；

月面场景渲染演示模块，用于对包括月表数据、月面综合环境、探测器模型的场景图像进行渲染。

优选的，时空基准中的时间基准至少包括恒星时、世界时、历书时、太阳系质心力学时；

时空基准中的空间基准至少包括地球质心坐标系、月球质心坐标系、行星质心坐标系、太阳黄道坐标系、航天器本体系、敏感器坐标系。

优选的，所述根据视点位置实时动态加载时，在月面多尺度栅格数据的基础上，叠加虚拟地形和地面反射特性数据。

优选的，叠加虚拟地形数据的方法为：在真实地形数据分辨率之上，采用随机中点位移法对原有较低分辨率的月面数据进行内插加密，生成精细地形后添加随机布置月球陨石坑以及月球石块数据，生成具有细节特征的虚拟地形，最大限度模拟高分辨率的月面形貌。

优选的，叠加地面反射特性数据的方法为：在数字正摄影像图数据上，选择性叠加描述地表材质和多谱段反射特性的材料特性数据，根据表面材料的几何以及光学属性建立反射方程，计算双向反射分布函数或增加其它敏感器测量原理模拟所需的工程矢量数据。

优选的，利用遥感数据和影像数据，经对齐和多层次划分处理，生成月面多尺度栅格数据的方法为：

基于描述月球地貌形态空间分布的数字高程模型叠加数字正摄影像图数据，经过坐标配准和地形、地图分层级切片处理，获得月面多尺度栅格化地形数据。

优选的，月面多尺度栅格数据通过地理信息系统数据管理和流送插件进行实时动态加载。

优选的，对月面光照、星空背景、地表材质、形貌特征、月尘散布进行建模的方法包括：

获取恒星、太阳、行星、月球的位置，基于所述位置，进行行星可视化环境模型的搭建和星空背景模拟；

基于太阳和月球相对位置关系模拟月面光照及阴影，能够根据仿真时间和空间位置实时反映真实月表材质和形貌特征；

根据月尘颗粒仿真数据，建立粒子团的空间包络模型，用于实现羽流和月尘特性的场景建模和可视化模拟。

优选的，所述月尘颗粒仿真数据包括月尘颗粒的空间位置、月尘颗粒大小、密度、质量。

优选的，建立探测器模型和敏感器模型，并根据需求进行敏感器配置，为敏感器提供数据的方法为：

敏感器包括可见光成像、三维激光成像、测速测距类敏感器；

建模探测器本体三维数字模型，并根据型号配置，调用所需敏感器模型，根据任务需求进行各敏感器安装位置、部件参数和工作方式初始化；

根据敏感器输入接口，调取指定视场或方向的地形、图像、高度、斜距、反射特性，为敏感器模型测量模拟提供真值数据。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明在全月真实地形数据库和局部地区探测影像数据的基础上，增加月面综合环境参数化建模，手动添加或随机生成月面特征元素，构建小尺度细节特征的形貌数据，以最大限度模拟高分辨率的月面形貌；

(2)本发明建立的仿真系统能够根据着陆器所在位置，自动调取对应层级的地形数据，同时满足地形分辨率需求和仿真实时性要求；

(3)本发明可接收外部数据驱动，调用粒子系统仿真月尘环境，模拟探测器着陆过程中发动机羽流激起月尘的实时效果，最大程度还原探测器着落过程中真实环境；

(4)本发明建立的仿真系统不仅能够提供月面环境视景仿真，同时可作为可见光成像、三维激光成像、测速测距类敏感器等数字单机的目标对象，提供图像、三维测量和斜距等原始测量信息，为闭环仿真提供环境目标模拟。

附图说明

图1为本发明仿真系统的组成示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种月面数字环境构建仿真系统，即一种大范围月面数字环境精细构建仿真系统，如图1所示，包括：

(1)地月时空基准模拟模块：建立空间任务时空基准及转换模型，为探测任务仿真建模提供时空描述框架；其中，时间基准及转换模型包括恒星时(ST)、世界时(UTC)、历书时(ET)、太阳系质心力学时(TDB)等常用时间基准及其转换关系；空间基准及转换模型包括地球/月球/行星质心坐标系(固连系、J2000惯性坐标系)、太阳黄道坐标系、航天器本体系、敏感器坐标系等常用空间基准及其转换关系；

(2)月表数据资源管理模块：存储探月工程遥感测量和影像数据，经空间基准转换模型对齐和多层次划分处理，生成月面多尺度栅格化地形数据，载入仿真系统并根据视点位置实时动态加载，并叠加精细化虚拟地形和体现地面反射特性的材质数据；具体实施过程如下：

(2.1)基于描述月球地貌形态空间分布的数字高程模型(DEM)叠加数字正摄影像图(DOM)数据，经过坐标配准和地形、地图分层级切片处理，将月面多尺度栅格化地形数据通过地理信息系统(GIS)数据管理和流送插件载入仿真系统；

(2.2)采用细节层次技术(LOD)进行月面多尺度栅格化地形数据实时动态加载，在真实地形数据分辨率之上，应用分形技术，采用随机中点位移法等对原有较低分辨率的月面DEM数据进行内插加密，然后在生成的精细地形上手动添加或随机布置月球陨石坑以及月球石块等数据，生成具有小尺度细节特征的虚拟地形，最大限度模拟高分辨率的月面形貌；

(2.3)在DOM数据上，可选择性叠加描述地表材质和多谱段反射特性的材料特性数据，根据表面材料的几何以及光学属性建立反射方程，从而计算双向反射分布函数(BRDF)、或增加其它敏感器测量原理模拟所需的工程矢量数据，使月面地形作为感知目标具备多种耦合效应的模拟能力；

(3)月面综合环境模拟模块；对星空背景、月面光照、月表材质、形貌特征、月尘散布等综合环境进行参数化建模；具体实施过程如下：

(3.1)集成行星历表和恒星星表，可对恒星、太阳、行星、月球的位置进行精确获取，基于得到各行星位置数据，进行行星可视化环境模型的搭建和星空背景模拟；

(3.2)基于太阳和月球相对位置关系模拟月面光照及阴影，能够根据仿真时间和空间位置实时反映真实月表材质和形貌特征；

(3.3)接收来自数字月尘模拟系统的月尘颗粒仿真数据，包括月尘颗粒的空间位置、月尘颗粒大小、密度、质量等属性数据，建立粒子团的空间包络模型，综合光照、阴影、浓度及消隐技术处理用于实现数据驱动下的羽流和月尘特性的场景建模和可视化模拟；

(4)仿真任务工况管理模块：集成探测器模型和环境感知测量敏感器模型，可根据需求进行敏感器配置和参数配置，生成多样化任务场景和仿真工况；具体实施过程如下：

(4.1)集成环境感知类敏感器模型，包括可见光成像、三维激光成像、测速测距类敏感器。

(4.2)建模探测器本体三维数字模型，并根据型号配置，调用所需环境感知类敏感器模型，根据任务需求进行各敏感器安装位置、部件参数和工作方式等初始化；

(4.3)根据环境感知类敏感器输入接口，调取指定视场或方向的地形、图像、高度、斜距、反射特性等物理量，为敏感器模型测量模拟提供真值数据；

(4.4)根据星载控制逻辑或外部指令触发，调用敏感器数据采集和处理模块，将敏感器模拟或处理结果按照给定接口要求输出至控制系统，或进行数据存储、显示。

(5)月面场景渲染演示模块：基于三维渲染引擎和硬件加速技术，将由上述月表地形数据、月面综合环境和探测器模型组成的仿真场景图像进行实时渲染，实现大范围月面数字环境三维显示和场景漫游，可提供多视角显示和多通道视频流推送，以支持多任务系统联合仿真。

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。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种月面数字环境构建仿真系统，其特征在于，包括地月时空基准模拟模块、月表数据资源管理模块、月面综合环境模拟模块、仿真任务工况管理模块、月面场景渲染演示模块；

地月时空基准模拟模块用于为整个仿真系统提供时空基准，以及不同时空基准间的转换关系；

月表数据资源管理模块，利用遥感数据和影像数据，经对齐和多层次划分处理，生成月面多尺度栅格数据，用于根据视点位置实时动态加载；

月面综合环境模拟模块，用于对月面光照、星空背景、地表材质、形貌特征、月尘散布进行建模；

仿真任务工况管理模块，用于建立探测器模型和敏感器模型，并根据需求进行敏感器配置，为敏感器提供数据，获取敏感器输出的数据；

月面场景渲染演示模块，用于对包括月表数据、月面综合环境、探测器模型的场景图像进行渲染。

2.根据权利要求1所述的仿真系统，其特征在于，时空基准中的时间基准至少包括恒星时、世界时、历书时、太阳系质心力学时；

时空基准中的空间基准至少包括地球质心坐标系、月球质心坐标系、行星质心坐标系、太阳黄道坐标系、航天器本体系、敏感器坐标系。

3.根据权利要求1所述的仿真系统，其特征在于，所述根据视点位置实时动态加载时，在月面多尺度栅格数据的基础上，叠加虚拟地形和地面反射特性数据。

4.根据权利要求3所述的仿真系统，其特征在于，叠加虚拟地形数据的方法为：在真实地形数据分辨率之上，采用随机中点位移法对原有较低分辨率的月面数据进行内插加密，生成精细地形后添加随机布置月球陨石坑以及月球石块数据，生成具有细节特征的虚拟地形，最大限度模拟高分辨率的月面形貌。

5.根据权利要求3所述的仿真系统，其特征在于，叠加地面反射特性数据的方法为：在数字正摄影像图数据上，选择性叠加描述地表材质和多谱段反射特性的材料特性数据，根据表面材料的几何以及光学属性建立反射方程，计算双向反射分布函数或增加其它敏感器测量原理模拟所需的工程矢量数据。

6.根据权利要求1所述的仿真系统，其特征在于，利用遥感数据和影像数据，经对齐和多层次划分处理，生成月面多尺度栅格数据的方法为：

基于描述月球地貌形态空间分布的数字高程模型叠加数字正摄影像图数据，经过坐标配准和地形、地图分层级切片处理，获得月面多尺度栅格化地形数据。

7.根据权利要求1所述的仿真系统，其特征在于，月面多尺度栅格数据通过地理信息系统数据管理和流送插件进行实时动态加载。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的仿真系统，其特征在于，对月面光照、星空背景、地表材质、形貌特征、月尘散布进行建模的方法包括：

获取恒星、太阳、行星、月球的位置，基于所述位置，进行行星可视化环境模型的搭建和星空背景模拟；

基于太阳和月球相对位置关系模拟月面光照及阴影，能够根据仿真时间和空间位置实时反映真实月表材质和形貌特征；

根据月尘颗粒仿真数据，建立粒子团的空间包络模型，用于实现羽流和月尘特性的场景建模和可视化模拟。

9.根据权利要求8所述的仿真系统，其特征在于，所述月尘颗粒仿真数据包括月尘颗粒的空间位置、月尘颗粒大小、密度、质量。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的仿真系统，其特征在于，建立探测器模型和敏感器模型，并根据需求进行敏感器配置，为敏感器提供数据的方法为：

敏感器包括可见光成像、三维激光成像、测速测距类敏感器；

建模探测器本体三维数字模型，并根据型号配置，调用所需敏感器模型，根据任务需求进行各敏感器安装位置、部件参数和工作方式初始化；

根据敏感器输入接口，调取指定视场或方向的地形、图像、高度、斜距、反射特性，为敏感器模型测量模拟提供真值数据。

Images