CN116481487A - 基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别方法和装置，包括获取并根据晷针针尖以及晷针针尖影相对行星表面的地理坐标；确定理论的第二太阳光线高度角和光线方位角；结合获取晷针针尖影获取时刻对应的第一太阳光线高度角和光线方位角，构造目标函数；并以目标函数最小为目标，求解得到行星地震仪方位角。本发明无需着陆器支撑腿上的主动振动设备，仅需行星巡视器或者着陆器光学照片即可完成行星地震仪方位角的确定，可降低系统复杂度，减轻着陆器支撑腿上额外设备带来的重量、体积和功耗。

Description

基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别方法与装置
技术领域
本发明涉及行星探测技术技术领域，更具体的说是涉及基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别方法与装置。
背景技术
布设行星地震仪是探测行星内部结构和行星地下资源的最有效手段，行星地震仪的布设分为无人布设和有人布设两种。无论哪种布设方式，都面临仪器布设后受到振动、扰动或者不均匀沉降等带来的仪器姿态变化，而这种变化需要有方法能够及时感知，才能确保行星地震仪观测数据的精度和应用效果。
目前，行星地震仪的方位主要基于主动源进行探测，具体探测方法参照专利号为202310458339.5，名称为一种行星地震仪的主动源方位角自动识别方法的中国专利。
该种方法虽然在无人工参与的情况下，可实现方位角的自动识别，但在行星地震仪每个支撑腿上设置震动激励装置，无疑增加了系统结构复杂度，增加了探测设备的重量、体积以及功耗。
发明内容
有鉴于此，本发明创新性的提出了一种基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别方法与装置，旨在不增加探测设备额外重量的情况下，实现行星地震仪方位角的自动识别。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明公开了一种基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别方法，包括，
获取晷针针尖相对行星表面的地理坐标；
获取行星地震仪表面晷针影的俯视图像；以及同一时刻的第一太阳光线高度角和光线方位角；
根据所述俯视图像，得到晷针针尖影相对行星表面的地理坐标；
根据所述晷针针尖相对行星表面的地理坐标和所述晷针针尖影相对行星表面的地理坐标，确定理论的第二太阳光线高度角和光线方位角；
基于第一太阳光线高度角和光线方位角和第二太阳光线高度角和光线方位角，构造目标函数；
以目标函数最小为目标，进行求解，得到行星地震仪方位角。
作为优选，晷针针尖相对行星表面的地理坐标为Q0N(X0N,Y0N,Z0N)，其表达式如下：
式中，为行星地震仪布设行星表面后的俯仰角，/>为行星地震仪布设行星表面后的翻滚角，/>为行星地震仪的方位角，H为晷针的长度。
作为优选，所述晷针影的俯视图像通过巡视器相机或着陆器相机拍照获得。
作为优选，根据如下公式获取同一时刻的第一太阳光线高度角和光线方位角；
式中，为太阳赤纬，H为太阳时角，φ为行星地震仪布设的地理纬度。
作为优选，所述晷针针尖影相对行星表面的地理坐标为，计算公式为：
式中，为行星地震仪布设行星表面后的俯仰角，/>为行星地震仪布设行星表面后的翻滚角，/>为行星地震仪的方位角，/>为晷针针尖影在行星地震仪坐标系中的坐标。
作为优选，通过下式获得，
X1B=kx*X1P
Y1B=ky*Y1P
Z1B=Z1P=0
式中，为晷针针尖影在俯视图像中的坐标，kx为晷面图案在所述俯视图像横轴方向的缩放比例，ky为晷面图案在所述俯视图像纵轴方向的缩放比例。
作为优选，所述第二太阳光线高度角和光线方位角，通过下述公式获得，
其中，/>，/>，/>为晷针针尖相对行星表面的地理坐标，为晷针针尖影相对行星表面的地理坐标。
作为优选，所述目标函数为：
式中，、/>为第一太阳光线方位角和光线高度角，/>和/>为第二太阳光线方位角和光线高度角。
另一方面，本发明公开了一种基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别装置，包括，
晷针针尖地理坐标获取单元，用于根据行星地震仪布设行星表面后的俯仰角、翻滚角和方位角，得到晷针针尖相对于行星表面的地理坐标；
晷针针尖影地理坐标获取单元，用于接收并根据针尖影俯视图像，以及行星地震仪布设行星表面后的俯仰角、翻滚角和方位角，得到晷针针尖影相对于行星表面的地理坐标；
行星地震仪方位角识别单元，用于确定获取俯视图像时的太阳光线高度角和光线方位角，并结合晷针针尖相对于行星表面的地理坐标和晷针针尖影相对于行星表面的地理坐标，构建目标函数，求解得到所述行星地震仪方位角。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别方法与装置，通过日晷影子图像，获得晷尖影相对于行星表面的坐标，并结合晷尖相对于行星表面的坐标，以及获取日晷影子图像时的太阳高度角和方位，构建目标函数；进一步，通过对目标函数求解，得到行星地震仪的方位角。本发明公开的方位角识别方法和装置具有以下有益效果，
1.与主动源的探测方法相比，无需着陆器支撑腿上的主动振动设备，仅需行星巡视器或者着陆器光学照片即可完成行星地震仪方位角的确定，降低系统复杂度，减轻着陆器支撑腿上额外设备带来的重量、体积和功耗；
2.通过行星日晷的影子图像、以及本发明公开的计算方式，无需等待天然行星地震信号，即可自动、快速、高效获得行星地震仪的方位角，从而能够为后续天然行星地震信号的分析处理提供依据。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别方法原理图；
图2为本发明布放行星表面的行星地震仪与行星巡视器示意图；
图3为本发明晷面与晷针及影子俯视图；
图4为本发明太阳高度角和光线方位角示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在行星地震仪的方位角感知领域，目前只有一种基于主动源的方位角识别方法，且其发明人与本申请相同。虽然该方案实现了方位角的准确识别，但显然增加了额外的重量、功耗，是行星地震仪的结构复杂化。
因此，本申请发明人继续进行深入性研究，并再次创新性的提出一种基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别方法和装置，以克服上一专利中展露出的技术缺陷。
本发明公开的方位角识别方法，无需在行星地震仪上增加额外的装置，而仅需通过光学照片及着陆器点的地面倾角和坐标参数即可实现行星地震仪方位角自动识别。
实施例一
具体的，本发明包括如下步骤，如图1所示，
获取晷针针尖相对行星表面的地理坐标；
获取行星地震仪表面晷针影的俯视图像；以及同一时刻的第一太阳光线高度角和光线方位角；
根据所述俯视图像，得到晷针针尖影相对行星表面的地理坐标；
根据所述晷针针尖相对行星表面的地理坐标和所述晷针针尖影相对行星表面的地理坐标，确定理论的第二太阳光线高度角和光线方位角；
基于第一太阳光线高度角和光线方位角和第二太阳光线高度角和光线方位角，构造目标函数；
以目标函数最小为目标，进行求解，得到行星地震仪方位角。
本发明先获取晷针影的俯视图像，再通过行星地震仪的姿态信息以及太阳和行星的相对位置关系，计算得到行星地震仪在行星表面的方位角。即通过行星日晷的影子图像、计算方式，无需等待天然行星地震信号，即可自动、快速、高效获得行星地震仪的方位角，从而能够为后续天然行星地震信号的分析处理提供依据。
为了使本领域技术人员清楚本发明方案的实施过程，首先对行星地震仪的结构进行说明。
实施例二
如图2所示，行星地震仪上表面主要由晷针、晷面组成，晷针在太阳光照射下可产生阴影。
本实施例中，为了方便区分晷针产生的阴影角度，在晷面各个不同方向划分了多个不同区域，如图3所示，左侧为照片，右侧为转换为俯视图。
在方位角的识别过程中，
首先晷针针尖相对行星表面的地理坐标为，若晷针长度为H，则晷针尖在行星地震仪坐标系中的坐标为/>，根据欧拉角转换坐标矩阵（/>,/>,/>），计算得到晷针尖在行星表面地理坐标/>，C为旋转矩阵，/>（与NS夹角）和/>（与EW夹角），为由行星地震仪内部姿态传感器得到其布设行星表面后的俯仰角和翻滚角，为行星地震仪的方位角；
其表达式如下：
其次，获取行星地震仪表面晷针影的俯视图像；本实施例中，所述晷针影的俯视图像通过巡视器相机或着陆器相机拍照获得；
同时获取同一时刻的第一太阳光线高度角和光线方位角。太阳高度角指行星表面一点某时刻指向太阳的空间方向向量与行星水平面的夹角，随时间变化。如图4所示，
若h为高度角，Az为方位角，则太阳高度角h和方位角Az由下式计算得到：
式中，为太阳赤纬，H为太阳时角，由星历表获得，φ为行星地震仪布设的地理纬度，可由飞行数据获得。
对于，晷针针尖影相对行星表面的地理坐标，设为，根据欧拉角转换坐标矩阵（/>,/>,/>），计算得到晷针尖影子Q1B在行星表面地理坐标，C为旋转矩阵，
计算公式为：
式中，为行星地震仪布设行星表面后的俯仰角，/>为行星地震仪布设行星表面后的翻滚角，/>为行星地震仪的方位角，/>为晷针针尖影在行星地震仪坐标系中的坐标。
其中，通过下式获得，
X1B=kx*X1P
Y1B=ky*Y1P
Z1B=Z1P=0
式中，为晷针针尖影在所述俯视图像中的坐标，kx为晷面图案在所述俯视图像横轴方向的缩放比例，ky为晷面图案在所述俯视图像纵轴方向的缩放比例。
进一步，第二太阳光线高度角和光线方位角，通过下述公式获得，
其中，/>，/>，/>为晷针针尖相对行星表面的地理坐标，/>为晷针针尖影相对行星表面的地理坐标。
本实施例中，基于第一太阳光线高度角和光线方位角和第二太阳光线高度角和光线方位角，构造的目标函数为：
式中，、/>为第一太阳光线方位角和光线高度角，/>和/>为第二太阳光线方位角和光线高度角。
以目标函数最小为目标，进行求解，得到行星地震仪方位角。本实施例，在求解时，得在1~360°、以1°为间隔变化。
实施例三
本实施例还公开了一种基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别装置，包括，
晷针针尖地理坐标获取单元，用于根据行星地震仪布设行星表面后的俯仰角、翻滚角和方位角，得到晷针针尖相对于行星表面的地理坐标；
晷针针尖影地理坐标获取单元，用于接收并根据针尖影俯视图像，以及行星地震仪布设行星表面后的俯仰角、翻滚角和方位角，得到晷针针尖影相对于行星表面的地理坐标；
行星地震仪方位角识别单元，用于确定获取俯视图像时的太阳光线高度角和光线方位角，并结合晷针针尖相对于行星表面的地理坐标和晷针针尖影相对于行星表面的地理坐标，构建目标函数，求解得到所述行星地震仪方位角。
本发明公开的方位角自动识别装置或方法，与现有技术相比，无需着陆器支撑腿上的主动振动设备，仅需行星巡视器或者着陆器光学照片即可完成行星地震仪方位角的确定，降低系统复杂度，减轻着陆器支撑腿上额外设备带来的重量、体积和功耗。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别方法，其特征在于，包括，
获取晷针针尖相对行星表面的地理坐标；
获取晷针影的俯视图像；以及同一时刻的第一太阳光线高度角和光线方位角；
根据所述俯视图像，得到晷针针尖影相对行星表面的地理坐标；
根据所述晷针针尖相对行星表面的地理坐标和所述晷针针尖影相对行星表面的地理坐标，确定理论的第二太阳光线高度角和光线方位角；
基于第一太阳光线高度角和光线方位角和第二太阳光线高度角和光线方位角，构造目标函数；
以目标函数最小为目标，进行求解，得到行星地震仪方位角。
2.根据权利要求1所述的一种基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别方法，其特征在于，晷针针尖相对行星表面的地理坐标为，其表达式如下：
；
式中，为行星地震仪布设行星表面后的俯仰角，/>为行星地震仪布设行星表面后的翻滚角，/>为行星地震仪的方位角，H为晷针的长度。
3.根据权利要求1所述的一种基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别方法，其特征在于，所述晷针影的俯视图像通过巡视器相机或着陆器相机拍照获得。
4.根据权利要求1所述的一种基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别方法，其特征在于，根据如下公式获取同一时刻的第一太阳光线高度角和光线方位角；
；
式中，为太阳赤纬，H为太阳时角，φ为行星地震仪布设的地理纬度。
5.根据权利要求1所述的一种基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别方法，其特征在于，所述晷针针尖影相对行星表面的地理坐标为，计算公式为：
；
式中，为行星地震仪布设行星表面后的俯仰角，/>为行星地震仪布设行星表面后的翻滚角，/>为行星地震仪的方位角，/>为晷针针尖影在行星地震仪坐标系中的坐标。
6.根据权利要求5所述的一种基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别方法，其特征在于，通过下式获得，
X1B=kx*X1P
Y1B=ky*Y1P
Z1B=Z1P=0
式中，为晷针针尖影在俯视图像中的坐标，kx为晷面图案在所述俯视图像横轴方向的缩放比例，ky为晷面图案在所述俯视图像纵轴方向的缩放比例。
7.根据权利要求1所述的一种基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别方法，其特征在于，所述第二太阳光线高度角和光线方位角，通过下述公式获得，
；
其中，/>，/>，/>为晷针针尖相对行星表面的地理坐标，/>为晷针针尖影相对行星表面的地理坐标。
8.根据权利要求1所述的一种基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别方法，其特征在于，所述目标函数为：
；
式中，、/>为第一太阳光线方位角和光线高度角，/>和/>为第二太阳光线方位角和光线高度角。
9.一种基于行星日晷的行星地震仪方位角自动识别装置，其特征在于，包括，
晷针针尖地理坐标获取单元，用于根据行星地震仪布设行星表面后的俯仰角、翻滚角和方位角，得到晷针针尖相对于行星表面的地理坐标；
晷针针尖影地理坐标获取单元，用于接收并根据针尖影俯视图像，以及行星地震仪布设行星表面后的俯仰角、翻滚角和方位角，得到晷针针尖影相对于行星表面的地理坐标；
行星地震仪方位角识别单元，用于确定获取俯视图像时的太阳光线高度角和光线方位角，并结合晷针针尖相对于行星表面的地理坐标和晷针针尖影相对于行星表面的地理坐标，构建目标函数，求解得到所述行星地震仪方位角。
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