一种基于stk模型的空间目标可见性分析的方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于STK模型的空间目标可见性分析的方法。通过分析计算被观测目标的轨道情况、太阳、月亮、光学相机安装位置、视场角对观测的影响，以及计算被观测目标在观测卫星处的辐照度，综合判断该目标是否能被光学相机成功观测，提供了一种地面上数字模拟空间目标是否能被观测的判断方法。
【专利说明】—种基于STK模型的空间目标可见性分析的方法
【技术领域】
[0001]本专利属于空间目标探测领域，涉及一种基于天基光学观测的目标可见性判定方法。适用于空间目标探测的模拟仿真以及可见性判定。
【背景技术】
[0002]空间目标探测基本有两种途径:地基探测和天基探测。地面观测设备具有体积、重量、功耗等条件限制的优点，同时地球大气的干扰和固定布站的限制是其明显的缺点。天基光学观测不受空域的限制，距离目标较近，容易获取目标的图像特征，大大增强了对目标的观测能力。
[0003]天基光学观测的在轨目标可见性分析是天基光学观测系统中的关键问题之一。在2008年12月第12期的光电工程上发表的“在轨目标天基光学观测可见性预报与分析”推导出目标对于观测卫星的光学可见性判断模型，综合考虑地球遮挡与地光条件、地影条件、日光条件以及月光条件等多种条件对天基光学观测可见性分析的影响，得到了低轨观测卫星对低轨、中轨及高轨目标的可见时段，推导出一些有益的结论。但并没有考虑观测卫星本身对观测的限制，例如:光学相机的安装位置，光学相机的探测视场，相机本身灵敏度对观测的影响等。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种天基光学观测系统下，空间目标可见性的判断方法。
[0005]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:
[0006]步骤1:用STK软件建立空间目标以及轨道模型；由STK建模，加入了观测卫星上观测相机的真实数据，即安装位置、视场类型、视场角等，并导出需要时间段实时的轨道、角度、J2000下空间坐标等数据；
[0007]步骤2:从STK中导出所需要的角度以及坐标等数据；
[0008]步骤3:依据轨道周期建立时间间隔为I秒的角度以及空间坐标数据，将所有数据导入用MATLAB编写的判定算法中；
[0009]步骤4:依据目标轨道数据以及地影区分布时间判断空间目标处于地影区，若是则不可见，若不是则进入步骤5 ；
[0010]步骤5:依据相机的视轴指向、视场类型、视场角以及太阳矢量等条件综合判断太阳是否进入观测相机视场内，若是，则因为日光及其在光学系统衍射、反射等情况带来强烈的背景光，导致相机无法正常工作，无法观测目标，若不是则进入步骤6;
[0011]步骤6:依据相机的视轴指向、视场类型、视场角以及月亮矢量等条件综合判断月亮是否进入观测相机的视场内，同理，若是，则不可见，若不是则进入步骤7 ；
[0012]步骤7:依据相机的视轴指向、视场类型、视场角以及目标的空间坐标等条件综合判断判断空间目标是否进入观测相机的视场内，若不在，则不可见，若在，则进入步骤8 ；
[0013]步骤8:因为空间目标本身不发光，需要靠反射太阳光才能被卫星观测到，所以需要判断阳光、目标、观测卫星之间的几何关系，若不满足则不可见，若满足则进入步骤9 ；
[0014]步骤9:依据被观测目标本身的尺寸、构型、反射率等参数，以及太阳、目标、观测相机三者的实时空间角度数据计算该目标在观测相机处的光照度，观测相机一般都有门限照度要求，低于一定的光照度，则无法正常成像，即不可见，若光照度满足该观测条件，则可见。
[0015]由于采用了上述的技术方案，使得本发明相比现有的产品具有以下的优点:
[0016](I)运用STK工具建模得出太阳、月亮、目标、观测卫星、观测相机之间随轨道运行变化的空间角度以及空间坐标数据，使得MATLAB可分析各种复杂轨道运行时的目标可见性问题；
[0017](2)引入观测相机的视场角的判定条件，使得判断结果符合实际情况；
[0018](3)引入目标反射光在观测相机处光照度的判定条件，使得判断结果符合观测相机的实际使用情况。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为STK建模以及导出模型数据流程图。
[0020]图2为观测卫星对空间目标的观测模型。
[0021]图3为目标反射太阳光的计算模型。 【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0023]步骤1:参见附图1，将目标以及观测卫星的轨道信息输入STK软件，建立对应的轨道模型。在观测卫星上添加光学相机，设置探测器工作模式，视场的类型，张角，视轴等参数，使其符合实际工作状况；
[0024]步骤2:运行STK (Satellite Tool Kit)，查看目标以及观测卫星是否行进正常，若不正常需重新检查设置的参数再次运行直至运行正常。确认轨道正确后，设置后期运算需求的空间向量以及角度信息。如附图2所示，需要指向太阳和月亮的向量Sun和Moon，太阳、目标、观测卫星三者的夹角S1,太阳与探测器视轴的夹角S2,目标与探测器视轴的夹角S3，月亮与探测器视轴的夹角S4 ；
[0025]步骤3 --从STK软件的Iteport中，设置需求的时间间隔，比如I秒，导出所需的依据轨道周期排列的角度数据以及目标和观测卫星基于J2000坐标系的空间坐标数据；
[0026]步骤4:由STK中导出目标的光照时间，Sunlight Times时间段即为目标在光照区的时间，在这个时间段内，有可能被观测卫星观测到。否则，目标进入地影区，因为目标本身不发光，若不能被太阳光照射时，观测卫星肯定无法观测到目标；
[0027]步骤5:判断太阳是否进入观测视场，因为日光进入视场，会产生强烈的背景光，使得相机无法正常观测，对相机的探测器也有一定伤害。假设观测相机的半视场角为β (若视场为72°，则β为36° )，若S2S β，则认为太阳进入视场，这种情况下判定目标不可见，若S2>i3则继续往下的步骤；
[0028]步骤6:判断月亮是否进入观测视场，与日光一样，月亮的照度高达0.2671ux,远远高出普通的探测目标的光照度，基于本发明观测暗目标的适用条件，若S4S β，则认为月亮进入视场，这种情况下判定目标不可见，反之，则继续以下步骤；
[0029]步骤7:判断目标是否进入观测相机的视场，只有满足在几何空间上可见，该目标才能被探测成功，即若S3〈i3，则判定该目标进入视场，可能被探测到，反之，若S3>i3，肯定看不到目标。
[0030]步骤8:因为目标本身不发光，若太阳角度不合适，则观测相机处无法获取其反射光，同样无法观测到目标。因为立方体的目标从任意方向看过去，至多只能看到三个面，而且，其自身的长宽高三维的长度相对于目标和观测卫星之间的距离可以忽略不计，故而，从可见性分析的角度，目标可以简化成三个相互垂直的平板。
[0031]其中一块平板与目标以及观测卫星的空间位置关系如附图3所示。需要说明的是，此时平面中心指向太阳的向量和指向卫星的向量不一定共面。
[0032]对于图示这一面来说，当α>90°时，因为太阳光在背面，该平面无法反射阳光，故而肯定无法看见，当Y >90°时，因为观测相机在背面，该面肯定无法观测到。所以，只有当α <90°同时Y〈90°，该面才可能被看见。
[0033]步骤9:因为观测相机在光学系统固定，曝光时间设定不变的前提下，有一个门限照度Jm，即低于某个辐照度的目标无法被探测到，故而需要进一步计算，目标的反射光在观测相机处的辐照度。辐照度的计算公式I如下:
【权利要求】
1.一种基于STK模型的空间目标可见性分析的方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤1:用STK软件建立空间目标以及轨道模型；由STK建模，加入了观测卫星上观测相机的真实数据，即安装位置、视场类型、视场角等，并导出需要时间段实时的轨道、角度、J2000下空间坐标等数据； 步骤2:从STK中导出所需要的角度以及坐标等数据； 步骤3:依据轨道周期建立时间间隔为I秒的角度以及空间坐标数据，将所有数据导入用MATLAB编写的判定算法中； 步骤4:依据目标轨道数据以及地影区分布时间判断空间目标处于地影区，若是则不可见，若不是则进入步骤5; 步骤5:依据相机的视轴指向、视场类型、视场角以及太阳矢量等条件综合判断太阳是否进入观测相机视场内，若是，则因为日光及其在光学系统衍射、反射等情况带来强烈的背景光，导致相机无法正常工作，无法观测目标，若不是则进入步骤6 ； 步骤6:依据相机的视轴指向、视场类型、视场角以及月亮矢量等条件综合判断月亮是否进入观测相机的视场内，同理，若是，则不可见，若不是则进入步骤7 ； 步骤7:依据相机的视轴指向、视场类型、视场角以及目标的空间坐标等条件综合判断判断空间目标是否进入观测相机的视场内，若不在，则不可见，若在，则进入步骤8 ； 步骤8:因为空间目标本身不发光，需要靠反射太阳光才能被卫星观测到，所以需要判断阳光、目标、观测卫星之间的几何关系，若不满足则不可见，若满足则进入步骤9 ； 步骤9:依据被观测目标本身的尺寸、构型、反射率等参数，以及太阳、目标、观测相机三者的实时空间角度数据计算该目标在观测相机处的光照度，观测相机一般都有门限照度要求，低于一定的光照度，则无法正常成像，即不可见，若光照度满足该观测条件，则可见。
【文档编号】G06F17/50GK104036081SQ201410258901
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】丁国鹏, 凌丽, 郑伟波, 张涛, 李勉洪 申请人:中国科学院上海技术物理研究所