一种空间目标动态光学特性地面模拟中目标和光源控制模拟系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种空间目标动态光学特性地面模拟中目标和光源控制模拟系统及 方法，具体来说是基于目标、太阳在空间环境下的位置关系变化的动态光学特性地面模拟 技术。
【背景技术】
[0002] 空间目标探测和识别是近年来空间领域一个重要的研究方向，空间目标光学特性 是空间目标探测和识别研究的一个重要方面。在实际的空间环境下，空间目标和太阳在不 断地发生运动变化，空间目标的辐亮度值也是不断变化的，并且与光源入射光强和空间目 标的轨道、姿态变化密切相关。现阶段大多的目标光学特性模拟均是静态模拟，既设定光照 条件和目标的位置，在该固定条件下研究目标的光学特性，该方法缺乏动态性，且由于条件 参数设定没有考虑太阳和目标的运动的影响，用于空间目标的光学特性模拟上缺乏置信 度。
[0003] 在天基环境下获取空间目标动态光学特性非常困难，因此进行空间目标动态光学 特性的地面模拟显得非常必要。在地面模拟中，太阳和目标的准确模拟是决定系统置信度 的关键内容。因此如何应用地面模拟地面模拟设备动态的模拟太阳、空间目标的实际运动， 并准确的模拟出太阳对目标的照度，太阳与目标的方位关系变化显得非常重要。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题:克服现有技术的不足，提供一种空间目标动态光学特性 地面模拟中目标和光源控制模拟系统及方法，具有高保真度、高置信度和高动态性的优点。
[0005] 本发明技术解决方案:一种空间目标动态光学特性地面模拟中目标和光源控制模 拟系统，其特征在于包括:太阳运动仿真模块，光源亮度模拟模块，目标运动仿真模块，五轴 控制指令生成模块，目标三轴运动执行模块，光源二轴运动执行模块;其中：
[0006] 太阳运动仿真模块:计算模拟过程中太阳在太阳系下的位置，并根据坐标系关系 将太阳系下的位置矢量转换到地心惯性系下，得到地心惯性系下的太阳位置矢量，输出给 光源亮度模拟模块和五轴控制指令生成模块；
[0007]目标运动仿真模块:完成空间目标的轨道和姿态动力学仿真与控制;根据给定的 目标初始运动参数和控制模式，根据目标运动模型精度要求完成目标动力学模型的建立和 数值积分方法的选择，进行目标运动仿真和控制系统仿真，模拟时需要与太阳运动仿真保 持时间同步;每一仿真步长下输出目标的三轴姿态角、轨道六根数、地心惯性系下的位置矢 量和速度矢量给五轴控制指令生成模块，输出地心惯性系下的目标位置矢量给光源亮度模 拟丰吴块；
[0008]光源亮度模拟模块：用于模拟太阳光的照射;接收太阳运动仿真模块输入的太阳 位置矢量，接收目标运动仿真模块输入的地心惯性系下的目标位置矢量，根据太阳辐照度 模型和光传输损耗模型，计算在太阳光强在目标处的入射光强，最后基于目标处的太阳入 射光强，结合光源和模拟目标的实际距离，计算出模拟光源的亮度；
[0009] 五轴控制指令生成模块:完成太阳和目标的运动信息到模拟目标三轴控制指令和 光源两轴控制指令的变换;接收太阳运动模拟模块传入的地心惯性系下的太阳位置矢量， 接收目标运动模拟模块输出的目标的三轴姿态角、轨道六根数、地心惯性系下的位置矢量 和速度矢量，选定基准坐标系，计算基准坐标系下的太阳的高低角和方位角作为光源两轴 控制指令，目标在基准坐标系下的三轴姿态角作为模拟目标三轴控制指令，将光源两轴控 制指令输出给光源两轴运动执行模块，将目标三轴控制指令输出给目标三轴运动执行模 块；
[0010] 光源两轴运动执行模块:通过控制卡接收五轴控制指令生成模块输入的光源两轴 控制指令，驱动步进电机完成对光源负载的两轴运动控制；
[0011]目标三轴运动执行模块:接收五轴控制指令生成模块输出的目标三轴控制指令， 驱动步进电机完成对目标负载的三轴运动控制。
[0012] 所述光源亮度模拟模块实现过程如下：
[0013] (1)接收太阳运动仿真模块输入的地心惯性系下的太阳位置矢量rs，接收目标运 动仿真模块输入的地心惯性系下的目标位置矢量r T。
[0014] (2)计算太阳发光强度模型Is，基于目标和太阳的相对位置矢量rs-r T，结合光传输 损耗模型，计算目标处的太阳入射光强It;
[0015] (3)基于目标处的太阳入射光强Ιτ，结合模拟的光源和目标的实际距离r，计算出 模拟光源的亮度。
[0016] 所述五轴控制指令生成模块实现过程如下：
[0017] (1)接收太阳运动模拟模块输入的地心惯性系下的太阳位置矢量rs，接收目标运 动模拟模块输出的目标的三轴姿态角和姿态角速度(奶叹P)、轨道六根数(a，e，i，ω，Ω， u)、地心惯性系下的位置矢量rT和速度矢量ντ，计算轨道系相对于地心惯性系的转换矩阵 Coi；
[0018] (2)计算太阳在目标轨道坐标系下的位置矢量rs '，并基于位置矢量计算轨道坐标 系下的高低角α和方位角β;
[0019] (3)选取基准坐标系。判断方位角大小，如果方位角# 基准坐标系选 为目标的轨道坐标系，如果方位角,# f，f〇基准坐标系选为与目标轨道坐标系x、y 轴相反，z轴与目标轨道系重合的坐标系；
[0020] (4)计算基准坐标系下的太阳高低角α'和方位角β'，目标三轴姿态角 根据基准坐标系和目标轨道坐标系的关系，计算基准坐标系相对于目标轨道坐标系转换矩 阵，基于基准坐标系下的太阳位置矢量计算太阳的高低角和方位角，基于基准系、轨道系和 目标本体系的关系计算基准坐标系下的目标三轴姿态角。
[0021] -种空间目标动态光学特性地面模拟中目标和光源控制模拟方法，其特征在于实 现步骤为：
[0022] (1)首先运行太阳运动仿真模块和目标运动仿真模块，太阳运动仿真模块输出太 阳在地心惯性系下的位置矢量，目标运动仿真模块输出目标的三轴姿态角、轨道六根数、地 心惯性系下的位置矢量和速度矢量；
[0023] (2)光源亮度模拟模块输入地心惯性系下太阳的位置矢量和目标的位置矢量，根 据太阳光辐射强度模型和光传输损耗模型，结合模拟光源和模拟目标的实际距离计算模拟 光源的亮度；
[0024] (3)五轴控制指令生成模块输入地心惯性系下太阳的位置矢量，输入目标的三轴 姿态角、轨道六根数、地心惯性系下的位置矢量和速度矢量，计算基准坐标系下的太阳的高 低角和方位角并输出给光源两轴运动执行模块，计算基准坐标系下的目标的三轴姿态角输 出给目标三轴运动执行模块；
[0025] (4)光源两轴运动执行模块接收基准坐标系下的太阳的高低角和方位角指令完成 对光源负载的两轴运动控制；目标三轴运动执行模块接收基准坐标系下的目标的三轴姿态 角完成对目标三轴的运动控制。
[0026] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0027] (1)本发明以太阳和目标的在空间环境下的实际运动为依据进行动态目标光学特 性的地面模拟，具备高保真性。
[0028] (2)本发明中太阳和目标的实际运动数据可根据精度要求采用不同的动力学模型 和数值积分方法获取，以此为基础的光源和目标的控制模拟置信度和可扩展性高。
[0029] (3)本发明中光源和目标的控制模拟指令会随着太阳和目标的仿真推进以仿真步 长为单位连续获取，五轴控制指令也可在每个仿真步长内获取和执行，因此动态目标光学 特性的地面模拟过程呈现高动态性。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明的系统结构图；
[0031 ]图2为本发明使用的地面模拟设备结构图；
[0032]图3为本发明中日地月矢量关系图；
[0033] 图4为本发明中太阳在目标轨道坐标系下高低角和方位角的描述。<