一种卫星光学特性的实验室测量方法技术

本发明专利技术公开一种卫星光学特性的实验室测量方法，包括：步骤一、模拟卫星的姿态运动建立卫星姿态运动模型；步骤二、相对卫星姿态运动模型建立向所述卫星模型投射的光源模型，模拟太阳照射卫星；步骤三、相对卫星姿态运动模型和光源模型建立模拟探测器探测角度的探测器模型，所述探测器模型中的探测器方向朝向所述卫星姿态运动模型中的卫星模型。本发明专利技术通过对空间光学观测过程的等效处理，在实验室内模拟对卫星的光学观测；控制卫星姿态的转台方案设计，设计夹持目标模型的转台旋转轴系，模拟卫星的姿态控制；控制探测器旋转的绕心旋转部设计，模拟光学探测器相对运动；三轴转台与探测器组合设计，实现基于半圆形探测滑轨对全方位观测的模拟。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于空间目标监视
， 用于辅助分析卫星等空间目标的光学特性，有助于开展空间目标特征提取及识别工作。
技术介绍
卫星等空间目标光学特性的实验室模拟观测技术，是在实验室内模拟空间目标所 面临的空间光照条件和光源-目标-探测器三者之间的相对几何关系，实现对实际观测过程 (地基、天基光学观测）的模拟。通过实验室模拟观测，可以直接获得被测目标的可见光散射 特性数据，研究相位角、目标几何形状、表面材料、姿态等因素对目标光学特性的影响，可用 于分析数值建模无法模拟的问题，如加工工艺影响、材料表面特性等，是空间目标监视的重 要研究内容。 在进行地面实验室模拟时，考虑到光源（典型的如大型太阳模拟器等）和探测器 (光谱仪等接收器)通常较重，直接采用和实际观测情况对应的"以卫星本体坐标为基准"的 设备布局方法，即目标模型不动，光源和探测器同时绕目标作任意角度的2轴旋转，对转动 机构的强度和刚度要求很高，不仅增加成本而且还难以保证转动精度，国内外采用此类机 构的测量系统在测量范围和精度上都受到制约。目前，美国国家航空航天局/约翰逊空间中 心的光学测量中心(Optical Measurements Center)采用角度映射的方法，使光源和探测 器的观测相位角始终保持在水平面内，无需上下移动，较以卫星本体系为基准的布局设置 大大简化了设备布局，降低了成本。但由于中央机械臂承重能力小，旋转臂上无法安装大口 径光源，只能对空间碎片进行室内光学特性测量。国内对空间目标光学散射特性测试研究 较少，中科院安徽光机所、光电研究院、长春理工大学等单位均开展了对卫星缩比模型或样 片的光学特性实验室测量研究，但所用测量系统仅支持对小型目标的测量(0.3米直径以 内）且测量角度范围有限。北京航天部二院207所目标与环境光学特征国防科技重点实验室 搭建了一套空间目标可见光散射特性测量系统，被测目标放在姿态可调的旋转轴上，首次 实现了室内空间目标可见光散射特性的测试。上海宇航系统工程研究所牵头研制了空间目 标光学动态特性测试系统，探测器在周视测试车上进行升降及方位调整，与目标姿态控制 系统组成个六自由度姿态模拟系统。由于没有采用角度映射方法，上述两套对实际卫星的 实验室测量系统使用六自由度姿态模拟系统，不仅控制系统复杂并且设备成本较高。由于 受承重能力的限制，上述两方案所能模拟的空间角度非常有限。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出一种米级卫星模型光学特性的实验室测量方法，提 出太阳模拟器固定不动、探测器在水平面内运动、卫星做三轴姿态转动的实验室模拟测量 方案，采用角度映射的办法，实现与实际观测等效的观测效果。为充分利用室内空间以延长 探测器与模型之间的光路，本专利技术提出采用半圆形滑轨，通过空间映射模拟全方位观测的 方案。 本专利技术的目的通过以下技术方案来具体实现： -种卫星光学特性的实验室测量方法，包括： 步骤一、模拟卫星的运动建立卫星姿态运动模型； 步骤二、相对卫星姿态运动模型建立向所述卫星模型投射的光源模型，模拟太阳 对卫星的照射； 步骤三、相对卫星姿态运动模型和光源模型建立模拟探测器探测角度的探测器模 型，所述探测器模型中的探测器方向朝向所述卫星姿态运动模型中的卫星模型。 所述卫星模型、光源和探测器位于同一水平面内。所述卫星姿态运动模型包括转台和安装在转台上的三个相互正交的转台轴系，该 转台轴系包括相互正交的俯仰轴、偏航轴和滚动轴，使卫星模型可以绕转台中心旋转;其中 滚动轴穿过卫星模型，控制卫星模型转动的同时将卫星模型固定在转台中心。 所述光源中心的位置和投射方向固定不动。 所述的光源为太阳模拟器、氙灯光源、钨灯光源等。 所述探测器模型包括围绕所述卫星模型布置的滑轨和在滑轨上运动的探测器及 其支撑台。 所述探测器通过支撑台与所述滑轨连接。 所述滑轨为围绕所述卫星模型布置的半圆形轨道。 所述探测器为光谱仪、C⑶相机、光谱成像仪等设备。 一种使用所述卫星光学特性的实验室测量方法的测量系统，其特征在于，包括卫 星运动模型、光源和探测器模型;其中 所述卫星姿态运动模型，模拟卫星的姿态运动； 所述光源，向所述卫星姿态运动模型的卫星模型投射，模拟太阳照射卫星；所述探测器模型，所述探测器模型中的探测器方向朝向所述卫星姿态运动模型中 的卫星模型。 卫星光学特性实验室测量方案设计。通过对空间光学观测过程的等效处理，在实 验室内实现对卫星光学观测的等效模拟； 设计方案中，光源固定不同，光束对准目标中心照射；探测器运行在半圆形滑轨 上，模拟空间观测的相位角；目标夹持在三轴转台上，通过转台的旋转，模拟实现卫星本体 坐标下的太阳和探测器的方位角。光源中心、模型中心、探测器中心位于同一水平面。 控制卫星姿态的转台方案设计。根据测量方案，设计夹持目标模型的转台方案及 其旋转轴系，模拟卫星的姿态控制；设计转台可以控制卫星模型绕三个相互正交的轴旋转，分别是俯仰轴、偏航轴和 滚动轴。其中滚动轴穿过卫星模型，控制目标转动的同时将目标模型固定在转台中心。设计 转台可以容纳直径大于1米的卫星模型旋转。 控制探测器旋转的绕心旋转部设计。设计支撑探测器绕目标模型观测的旋转平 台，模拟光学探测器相对运动； 探测器放置在支撑台上，支撑台通过连接杆与转台底座相连，支撑台可以在光滑 导轨上运动。转台底座设置驱动装置，带动支撑台、探测器旋转，模拟空间观测中太阳、探测 器相对卫星的夹角，即相位角。三轴转台与探测器的组合设计，基于半圆形探测滑轨模拟全方位观测。为保证探测器与模型之间的距离尽可能大，本专利技术设计探测器运行在半圆形滑轨 上，运动半径根据实验室情况设置为最大。为实现对相位角的全覆盖，需要三轴转台配合绕 心旋转部转动，本专利技术对转动方法进行了设计。 本专利技术所设计的方案，针对的是对在轨卫星光学观测过程的模拟。运行在宇宙空 间的卫星，仅受到来自太阳的照射，包括地球反射在内的其他光线可忽略。探测器则是指对 卫星等空间目标进行光学观测的天基、地基光学探测器。所述的光源为太阳模拟器、氙灯光 源、钨灯光源等，探测器为光谱仪、CCD相机、光谱成像仪等设备； 本专利技术设计的三轴转台，打破过去单轴支撑目标模型的格局，将其中一个旋转轴 穿过目标模型，使转台可以承受更大重量的同时也保证了转动精度及转动稳定性。 本专利技术设计的探测器运行在半圆形导轨上，在实验室空间一定的条件下，半圆形 导轨可以使探测器与模型的距离最大化，使观测更加接近于实际空间观测情况。 探测器绕半圆形滑轨运动，使得直接模拟实际观测的角度受到限制。本专利技术提出 了映射方案，通过三轴转台和探测器的配合旋转，实现了对实际相位角的全覆盖。概括本专利技术提出，包括：1)卫星光学特性实 验室测量方案设计。通过对空间光学观测过程的等效处理，在实验室内实现对卫星光学观 测的等效模拟;2)控制卫星姿态的转台方案设计。根据测量方案，设计夹持目标模型的转台 旋转轴系，模拟卫星的姿态控制;3)控制探测器旋转的绕心旋转部设计。设计支撑探测器绕 目标模型观测的旋转平台，模拟光学探测器相对运动;4)三轴转台与探测器组合设计，实现 基于半圆形探测滑轨对全方位观测的模拟。对于在轨运行的卫星而言，卫星外表面包覆材料的加工会严重影响其光学特性， 而加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卫星光学特性的实验室测量方法，包括：步骤一、模拟卫星的运动建立卫星姿态运动模型；步骤二、相对卫星姿态运动模型建立向所述卫星模型投射的光源模型，模拟太阳照射卫星；步骤三、相对卫星姿态运动模型和光源模型建立模拟探测器探测角度的探测器模型，所述探测器模型中的探测器方向朝向所述卫星运动模型中的卫星模型。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张雅声，徐灿，李智，赵阳生，李鹏，杨露，宋旭民，王磊，李怡勇，汤亚锋，
申请(专利权)人：张雅声，
类型：发明
国别省市：北京;11