CN116400389A - 一种4π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置 - Google Patents
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Abstract
一种4Π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置，涉及空间光学跟踪与测量技术领域。解决传统动态空间目标模拟器的视场不足、精度较低、动态性能差等问题，本发明在测试时，全天球目标显示装置上模拟生成4Π全天球星空场景和空间动态目标，模拟光学监视卫星在轨时主动发现空间目标并跟踪观测的过程。星载光学载荷对全天球空间目标显示器上的星空场景进行成像，通过图像处理对空间目标进行探测与角度测量，并根据空间目标的运动轨迹调整待测光学载荷的运动姿态，实现对空间目标的监视和跟踪。本发明通过对在轨光学监视卫星从发现空间目标到持续跟踪的全过程进行仿真，分析并评估光学载荷的目标跟踪性能。
Description
技术领域
本发明涉及空间光学跟踪与测量技术领域，具体涉及一种4Π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置。
背景技术
空间目标模拟装置是一种用于测试空间目标光学监视系统功能的装置，通常与被测光学载荷和主计算机一起组成闭环测试系统，能够实时模拟星空场景和空间目标。它的工作原理是：根据仿真计算机给出的星体姿态角和轨道位置，通过坐标变换计算出光学载荷光轴的方向，模拟生成视场内的星图场景和空间目标。由于待观测的空间目标可能位于在轨光学监视卫星的任何方位，即全天球4Π立体角的方位上，因此需要构建出一种可以模拟显示4Π全天球上空间目标的仿真系统，对在轨光学监视卫星从发现空间目标到持续跟踪的全过程进行仿真实验。此外，由于高动态目标(如卫星、飞船、空间碎片)在视场中的运动速度极快，会很快离开观测视场，因此需要卫星平台主动进行姿态调整，完成对空间目标的观察测量与跟踪瞄准。综合以上需求，在空间目标光学监视技术研究中，需要一种大视场、高精度、高动态的全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置。
目前的空间目标模拟器主要通过准直系统将显示器件投影至光学载荷入瞳来模拟空间目标，由于受到准直光学系统视场角的限制，最大视场角只有40°左右，因此难以模拟高速运动的空间目标。此外，现有空间目标模拟器的模拟精度受到显示器件的分辨率限制，难以实现对空间目标的高精度模拟。准直光学系统也会引入畸变、场曲等光学像差，进一步降低了空间目标的模拟精度。以上存在的问题越来越无法满足全天球实时模拟空间目标的要求。近年来，国内外的研究工作主要集中在提高模拟器视场角和空间目标模拟精度等方面，空间目标模拟器仅见于星敏感器的研究中，缺乏专门针对4Π全天球空间目标的模拟装置和实验环境，无法为空间目标光学监视技术的研究提供有效指导。
发明内容
本发明为解决传统动态空间目标模拟器的视场不足、精度较低、动态性能差等问题，提供了一种4Π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种4Π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置，包括：全天球空间目标显示器、视频信号处理器，网络控制交换机、三轴气浮高精度旋转台、待测试光学载荷、星空模拟计算机、图像处理计算机和动力学仿真计算机；
所述天球空间目标显示器由球面拼接的LED显示面板组成；
所述待测光学载荷固定在三轴气浮高精度旋转台上，
通过所述全天球空间目标显示器生成星空场景和空间动态目标，所述待测光学载荷对所述全天球空间目标显示器生成的星空场景和空间动态目标进行成像后传送至图像处理计算机；
所述图像处理计算机对接收的图像通过空间动态目标的识别与跟踪算法，提取出空间动态目标的运动参数，通过计算分析获得空间动态目标的方位信息，并传送至动力学仿真计算机；
所述动力学仿真计算机根据空间动态目标相对角度变化量，采取相应的控制策略，并且将控制指令传送至三轴气浮高精度旋转台和星空模拟计算机；
所述三轴气浮高精度旋转台接收到控制指令后，通过控制三轴气浮高精度旋转台改变待测光学载荷的姿态角，使所述待测光学载荷始终对准全天球空间目标显示器上的空间运动目标，完成待测光学载荷对空间动态目标的跟踪观测；
所述星空模拟计算机接收所述动力学仿真计算机传送的卫星位置、速度和姿态信息，然后根据预定的参数，模拟生成待测光学载荷所视区域的空间动态目标和实时星空场景并传送至视频信号处理器；
所述视频信号处理器对接收的空间动态目标和实时星空场景图像进行融合处理，生成全天球视频影像，并将所述全天球视频影像传送至网络控制交换机；
所述网络控制交换机将所述全天球视频影像进行分解后传送至天球空间目标显示器的每个LED显示面板，所述每个LED显示面板按相同的刷新率同步进行场景刷新。
本发明的有益效果：
本发明所述的4Π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置。测试时，全天球目标显示装置上模拟生成4Π全天球星空场景和空间动态目标，模拟光学监视卫星在轨时主动发现空间目标并跟踪观测的过程。星载光学载荷对全天球空间目标显示器上的星空场景进行成像，通过图像处理对空间目标进行探测与角度测量，并根据空间目标的运动轨迹调整待测光学载荷的运动姿态，实现对空间目标的监视和跟踪。
本发明中，使用球面拼接LED显示面板实现全天球空间目标及星空场景仿真，模拟卫星真实在轨场景下对空间动态目标的监视和跟踪过程。最后通过计算机处理，具体分析评估待测试光学载荷的目标跟踪算法性能。本实验装置对于空间目标光学监视技术研究具有非常重要的指导意义。
附图说明
图1为本发明的一种4Π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置的示意图；
图2为本发明的一种4Π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置的工作流程图；
图3为全天球空间目标显示及星空场景模拟数据流程图；
图4为视频信号处理器生成的星空场景及空间动态目标模拟图；
图5为视景变换投影关系示意图；
图6为本发明的一种4Π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置的结构示意图；
图中：1、全天球空间目标显示器，2、视频信号处理器，3、网络控制交换机，4、三轴气浮高精度旋转台安装支撑架，5、待测试光学载荷，6、星空模拟计算机，7、图像处理计算机，8、动力学仿真计算机。
具体实施方式
以下结合附图给出的实施例，对本发明的模拟装置作进一步详细描述。
如图1所示，一种4Π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置的示意图。一种4Π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置，包括：全天球空间目标显示器1、视频信号处理器2，网络控制交换机3、三轴气浮高精度旋转台、转台安装支撑架4、待测试光学载荷5、星空模拟计算机6、图像处理计算机7和动力学仿真计算机8。
在水平平台上安装外部铝合金转台支撑架；
通过动力学仿真计算机8发送姿态调整指令给三轴气浮高精度旋转台；
待测光学载荷5固定在三轴气浮高精度旋转台上，根据相应姿态调整指令改变姿态，模拟在轨卫星飞行时的姿态调整过程。
待测光学载荷5将模拟的动态光学目标成像在相机的焦平面上，通过感光元件接收后，将视频信号传输给图像处理计算机7。
图像处理计算机7用于处理待测光学载荷采集的图像，通过对空间动态目标进行识别与跟踪，提取出空间动态目标的运动参数，通过计算分析得出目标的准确方位，发送给动力学仿真计算机。
星空模拟计算机6负责接收动力学仿真计算机传递的卫星位置、速度和姿态信息，以及空间动态目标的位置与速度信息，模拟产生卫星搭载的待测光学载荷所视区域的星空场景。
视频信号处理器2对星空模拟计算机输出的视频信号进行拼接融合处理，形成整幅全天球星空场景与空间动态目标影像，通过HDMI信号传输给网络控制交换机。
网络交换机3将整幅全天球空间目标和星空场景画面分解，通过CAT6网线分别传送给每个LED显示控制单元，并且按照系统的特定刷新率同步进行场景刷新。
本实施方式所述的模拟装置中，图像处理计算机7和动力学仿真计算机8之间采用数据传输线相连接；动力学仿真计算机8和星空模拟计算机6之间采用数据传输线相连接；星空模拟计算机6与视频信号处理器2之间采用视频信号线相连接；视频信号处理器2与网络控制交换机3之间采用HDMI信号线相连接；组成完整球面的球面显示器的单个LED控制单元与网络控制交换机之间使用CAT6网线相连接；图像处理计算机和待测试光学载荷之间使用视频信号收发器、PCI图像采集卡连接；动力学仿真计算机与三轴气浮高精度旋转台之间使用无线收发机相连接，用于姿态调整指令的接收。
具体工作原理说明：在进行仿真实验之前，需要通过针孔模型标定算法来确定待测试光学载荷的内部参数和畸变系数。测试时，将待测试光学载荷固定在三轴气浮高精度旋转台上，并打开气浮轴承以模拟卫星在轨时的微重力和微摩擦力状态。运行仿真系统，全天球目标显示装置上生成星空场景和空间目标。待测光学载荷对全天球空间目标显示器上的星空场景进行成像，并通过无线传输方式发送给图像处理计算机。图像处理计算机基于实验前的畸变系数对画面进行校正，采用运动目标识别算法对空间目标进行探测，计算得到空间目标的方位信息。然后将信息发送给动力学仿真计算机，根据空间运动目标的相对角度变化量，采取相应的控制策略，将姿态调整指令通过无线收发机发送给三轴气浮高精度旋转台。转台接收到控制指令后，通过控制转台机构改变待测光学载荷姿态角，使之始终对准空间运动目标，从而完成待测光学载荷对空间动态目标的跟踪观测。
如图2所示为本实施例一种4Π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置的工作流程图，具体包括以下内容：
通过全天球空间目标显示器为待测光学载荷提供星图场景和空间动态目标，之后由星载光学载荷对全天球目标显示器进行成像；
图像处理计算机7对画面进行畸变校正，对空间目标进行探测，获取空间目标的方位信息；
动力学仿真计算机8根据空间目标相对角度变化量，发送给三轴气浮高精度旋转台和星空模拟计算机；
星空模拟计算机6负责接收动力学仿真计算机传递的卫星位置、速度和姿态信息，然后根据预设参数，模拟生成空间动态目标和实时星空场景；
视频信号处理器对目标和场景画面进行融合处理，生成全天球视频影像；
网络控制交换机3将整幅全天球画面进行分解，传送给每个LED显示面板的控制单元；
三轴气浮高精度旋转台接收到姿态调整指令，控制转台机构改变待测光学载荷姿态角，始终对准空间运动目标；
图3表示全天球空间目标显示及星空场景模拟装置的数据流程图。
网络交换机将整幅全天球空间目标和星空场景画面分解，通过CAT6网线分别传送给每个LED显示控制单元，并且按照系统设定的帧率同步进行场景刷新。
星空模拟计算机6与视频信号处理器2连接，接收监视卫星数据和空间目标数据；
视频信号处理器2根据接收的场景驱动数据，进行场景相应运动体的位置运算，包括：卫星在轨位置的计算(基于监视卫星数据)、空间目标位置的计算(基于空间目标数据)、日月位置的计算(基于监视卫星的时间戳)；视频信号处理器处理完深空模拟计算机发送的数据后，通过HDMI视频接口输出给网络控制交换机。图4为视频信号处理器生成的星空场景及空间动态目标模拟图。
如图5所示，图5为仿真系统中待测光学载荷坐标系、全天球空间目标显示器坐标系、目标方向及其屏幕投影位置的关系。确定空间目标质心坐标在光学载荷坐标系内的方向后，就可以通过视景变换求得空间动态目标在显示屏幕上的准确位置。由于在光学载荷坐标系Oc-xyz中，x轴为光学载荷视线中心方向，而按照视景坐标的定义，屏幕坐标的Sx轴是水平向右的。由于视景定义时可以直接采用和硬件设备物理尺度相同的尺度，所以光学载荷坐标和屏幕坐标之间只存在旋转变换关系，而没有尺度差异。由图5可见，屏幕坐标面和光学载荷视场坐标的yz面是平行的，光学载荷到屏幕的距离为d，光学载荷坐标内的矢量
的延长线和屏幕坐标的交点就是该直线上x＝d的点。屏幕坐标和光学载荷视场坐标的对应关系为：
Sx＝-y；Sy＝z
其中Sx为屏幕坐标的X轴，Sy为屏幕坐标的Y轴。
设光学载荷视场坐标系内的矢量
可表示为:
其中m，n，l为
在三轴坐标系中的投影长度。
则由该矢量引出的直线方程为：
该直线和屏幕的交点坐标为：
x＝d；
故相对于光学载荷视轴方向为单位矢量
的目标点在屏幕上的投影坐标为：
计算出目标点的屏幕坐标后，就可以根据屏幕的物理尺寸判断目标点投影是否在屏幕内，并在相应位置绘制目标点。
下面结合实例对本发明进行详细说明：
如图6所示，图6为全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置的结构示意图；
全天球空间目标显示器由五种不同尺寸规格的LED面板拼接成一个完整球面。其中，每一块LED面板对应球面上跨度为20度经度与20度纬度的区域。全天球可以先按照20度经度，共划分为共18个球面；然后再以20度纬度，将一个经度范围内的球面区域划分为8个区域。由于全天球具有对称性，因此南北半球的LED面板可以互换。
图6中，图中①②③④⑤表示组成全天球空间目标显示器的五种规格的LED显示面板。①②③④分别构成全天球空间目标显示器上不同纬度的显示区域，⑤构成全天球空间目标显示器上南北两极点的显示区域。其中①为LED显示面板对应0°～20°N和0°～20°S的球面显示区域；②为LED显示面板对应20°～40°N和20°～40°S的球面显示区域；③为LED显示面板对应40°～60°N和40°～60°S的球面显示区域；④为LED显示面板对应60°～80°N和60°～80°S的球面显示区域；①②③④对应的经度范围为20°，18组显示面板首尾相接构成一个完整的360°圆周；⑤为LED显示面板对应80°N～90°N和80°S～90°S的球面显示区域；全天球空间目标显示装置共使用规格为①、②、③、④四个区域的LED显示面板各36块，区域⑤的LED面板2块，共计146块。
本实施方式使用球面拼接LED显示面板实现全天球空间目标及星空场景仿真，模拟卫星真实在轨场景下对空间动态目标的监视和跟踪过程，通过计算机处理，具体分析评估待测试光学载荷的目标跟踪算法性能。本实验装置对于空间目标光学监视技术研究具有非常重要的指导意义。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种4Π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置，该模拟装置包括全天球空间目标显示器、视频信号处理器，网络控制交换机、三轴气浮高精度旋转台、待测试光学载荷、星空模拟计算机、图像处理计算机和动力学仿真计算机；其特征是：
所述天球空间目标显示器由球面拼接的LED显示面板组成；
所述待测光学载荷固定在三轴气浮高精度旋转台上，
通过所述全天球空间目标显示器生成星空场景和空间动态目标，所述待测光学载荷对所述全天球空间目标显示器生成的星空场景和空间动态目标进行成像后传送至图像处理计算机；
所述图像处理计算机对接收的图像通过空间动态目标的识别与跟踪算法，提取出空间动态目标的运动参数，通过计算分析获得空间动态目标的方位信息，并传送至动力学仿真计算机；
所述动力学仿真计算机根据空间动态目标相对角度变化量，采取相应的控制策略，并且将控制指令传送至三轴气浮高精度旋转台和星空模拟计算机；
所述三轴气浮高精度旋转台接收到控制指令后，通过控制三轴气浮高精度旋转台改变待测光学载荷的姿态角，使所述待测光学载荷始终对准全天球空间目标显示器上的空间运动目标，完成待测光学载荷对空间动态目标的跟踪观测；
所述星空模拟计算机接收所述动力学仿真计算机传送的卫星位置、速度和姿态信息，然后根据预定的参数，模拟生成待测光学载荷所视区域的空间动态目标和实时星空场景并传送至视频信号处理器；
所述视频信号处理器对接收的空间动态目标和实时星空场景图像进行融合处理，生成全天球视频影像，并将所述全天球视频影像传送至网络控制交换机；
所述网络控制交换机将所述全天球视频影像进行分解后传送至天球空间目标显示器的每个LED显示面板，所述每个LED显示面板按相同的刷新率同步进行场景刷新。
2.根据权利要求1所述的一种4Π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置，其特征在于：所述视频信号处理器根据接收的空间动态目标和实时星空场景图像，进行星空场景中空间动态目标的位置运算，包括卫星在轨位置的计算、空间目标位置的计算以及日月位置的计算；视频信号处理器处理完星空模拟计算机发送的数据后，通过HDMI视频接口传送至网络控制交换机。
3.根据权利要求1所述的一种4Π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置，其特征在于：还包括转台安装支撑架，所述三轴气浮高精度旋转台安装在所述转台安装支撑架上。
4.根据权利要求1所述的一种4Π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置，其特征在于：
所述图像处理计算机和动力学仿真计算机之间采用数据传输线连接；动力学仿真计算机和星空模拟计算机之间采用数据传输线连接；星空模拟计算机与视频信号处理器之间采用视频信号线连接；视频信号处理器与网络控制交换机之间采用HDMI信号线连接。
5.根据权利要求1所述的一种4Π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置，其特征在于：所述全天球空间目标显示器中单个LED控制单元与网络控制交换机之间使用CAT6网线连接；图像处理计算机和待测试光学载荷之间使用视频信号收发器、PCI图像采集卡连接；动力学仿真计算机与三轴气浮高精度旋转台之间使用无线收发机连接，用于姿态调整指令的接收。
6.根据权利要求1所述的一种4Π全天球空间目标显示及跟踪观测模拟装置，其特征在于：采用所述模拟装置进行模拟的方法为：
步骤一、通过全天球空间目标显示器为待测光学载荷提供星图场景和空间动态目标，然后由星载光学载荷对全天球目标显示器进行成像；
步骤二、星载光学载荷对全天球目标显示器进行成像，图像处理计算机对图像进行畸变校正，并对空间目标进行探测，获取空间目标的方位信息；
步骤三、动力学仿真计算机根据空间目标相对角度变化量，发送至三轴气浮高精度旋转台和星空模拟计算机；
所述星空模拟计算机负责接收动力学仿真计算机传递的卫星位置、速度和姿态信息，然后根据预设参数，模拟生成空间动态目标和实时星空场景；
视频信号处理器对目标和场景画面进行融合处理，生成全天球视频影像；
网络控制交换机将整幅全天球画面进行分解，传送至每个LED显示面板的控制单元；
步骤四、所述三轴气浮高精度旋转台接收到姿态调整指令，控制转台机构改变待测光学载荷姿态角，始终对准空间运动目标。
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