一种用于深空探测的火星目标模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种用于深空探测的火星目标模拟方法，属于深空探测应用领域。为了解决现有现有技术缺少一种能够对火星的位置、大小、轮廓、成像方位、成像灰度进行模拟的方法，在工程实践中存在技术空白的缺点，而提出一种用于深空探测的火星目标模拟方法。包括：将火星中心坐标从日心黄道坐标系变换到显示器平面坐标系和投影仪坐标系；根据火星探测器的成像视场和火星与火星探测器的相对距离关系计算出火星的成像大小；模拟火星被太阳照亮的区域以及未被照亮的区域；根据太阳、火星、探测器的相对位置关系计算火星轮廓的成像方位；将火星的星等映射到计算机的灰度，以显示在界面上。本发明专利技术适用于深空探测模拟软件。

A simulation method of Mars target for deep space exploration

The invention relates to a method for simulating a Mars target for deep space exploration, which belongs to the application field of deep space exploration. In order to solve the existing technology of the lack of a method to simulate the position and size and contour of Mars, imaging range, imaging gray, the existence of technology gaps shortcomings in engineering practice, and puts forward a simulation method for Mars target in deep space exploration. Including: the Mars center coordinates from heliocentric ecliptic coordinates to plane coordinate display and projector coordinates; calculate the image size of Mars according to the relative distance between the Mars and Mars and Mars imaging field; simulated Mars illuminated by the sun and unlit areas; imaging range profile calculation of Mars according to the relative position of the sun, Mars, Mars detector; gray magnitude is mapped to the computer to display in the interface. The invention is suitable for deep space exploration simulation software.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于深空探测的火星目标模拟方法，属于深空探测应用领域。
技术介绍
火星探测器的成本异常昂贵，并花费大量的人力物力，提高火星探测器的精度，降低火星探测器的故障成为必然要求。然而火星探测器的姿态敏感器实时拍摄实际星空并不现实，而且造价昂贵，并且很难做到实时性与动态性，这就对火星目标模拟提出了要求。在空间目标模拟上，采用的主流技术是动态星模拟器。动态星模拟器的工作原理是：根据接收到的仿真计算机输出的星体姿态角及轨道位置，通过坐标变换确定即时星敏感器光轴所对应的方向，并从星库中提取出星敏感器对应视场内的星图送到星图生成器上。由于星敏感器的输入信号是无穷远处的导航星，因此模拟器必须通过光学系统以平行光方式输出，为星敏感器接收。然而，在火星目标模拟研究方面，恒星像点是火星背景，火星本体目标模拟也是其中重要的组成部分。火星在较近距离时不能视作点，此时火星的坐标模拟方法与无穷远处的恒星模拟方法不同，同时火星的目标模拟中必须包含火星大小的模拟。由于火星不是光源，火星的亮度主要靠反射太阳光，这就需要对火星的明暗、轮廓、成像方位、成像灰度进行模拟，所以火星目标模拟是一个由远及近，由大到小的过程。需要对火星的位置、大小、轮廓、成像方位、成像灰度进行模拟。目前的星模拟技术主要集中在恒星像点模拟方面，在火星本体模拟上尚未出现工程实践的例子。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术缺少一种能够对火星的位置、大小、轮廓、成像方位、成像灰度进行模拟的方法，在工程实践中存在技术空白的缺点，而提出一种用于深空探测的火星目标模拟方法。一种用于深空探测的火星目标模拟方法，包括火星坐标模拟步骤、火星成像大小模拟步骤、火星成像轮廓模拟步骤、火星成像方位模拟步骤以及火星成像灰度模拟步骤：其中火星坐标模拟步骤用于将火星中心坐标从日心黄道坐标系变换到显示器平面坐标系和投影仪坐标系；火星成像大小模拟步骤用于根据火星探测器的成像视场和火星与火星探测器的相对距离关系计算出火星的成像大小；火星成像轮廓模拟步骤用于模拟火星被太阳照亮的区域以及未被照亮的区域；火星成像方位模拟步骤用于根据太阳、火星、探测器的相对位置关系计算火星轮廓的成像方位；火星成像灰度模拟步骤用于将火星的星等映射到计算机的灰度，以显示在界面上。本专利技术的有益效果为：可以对火星的明暗、轮廓、成像方位、成像灰度进行全面的模拟，可以有效的应用到火星探测器的地面目标模拟测试系统中。附图说明图1为本专利技术的用于深空探测的火星目标模拟方法的流程图；图2为本专利技术的SKY2000简化星表示意图；图3为日心黄道坐标系与姿态敏感器坐标系关系示意图；图4为任一恒星坐标的示意图；图5为姿态敏感器坐标系与CMOS平面坐标系关系示意图；图6为相机视场角的示意图；图7为火星成像大小模拟示意图；图8为太阳、火星、探测器构成的平面的示意图；图9为火星轮廓天体几何模型图；图10为火星轮廓二维投影图；图11为火星不同成像方位示意图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的用于深空探测的火星目标模拟方法，如图1所示，包括火星坐标模拟步骤SA、火星成像大小模拟步骤SB、火星成像轮廓模拟步骤SC、火星成像方位模拟步骤SD以及火星成像灰度模拟步骤SE：其中，火星坐标模拟步骤SA用于将火星中心坐标从日心黄道坐标系变换到显示器平面坐标系。火星成像大小模拟步骤SB用于根据火星探测器的成像视场和火星与火星探测器的相对距离关系计算出火星的成像大小。火星成像轮廓模拟步骤SC用于模拟火星被太阳照亮的区域以及未被照亮的区域。火星成像方位模拟步骤SD用于根据太阳、火星、探测器的相对位置关系计算火星轮廓的成像方位。火星成像灰度模拟步骤SE用于将火星的星等映射到计算机的灰度，以显示在界面上。需要说明的是，虽然图1中写了执行的顺序，但是各步骤之间没有明确的先后顺序，调换顺序后执行也能达到本专利技术的目的。由于火星不能视作点，也不是光源，所以本专利技术对其坐标、大小、轮廓、成像方位以及成像灰度进行了模拟。本专利技术首先进行火星的坐标模拟，在确定了火星探测器视轴指向的基础上，假设火星以其中心点形式存在，通过平移变换、旋转变换和坐标归一化处理，将J2000下火星中心坐标从日心黄道坐标系变换到显示器平面坐标系和投影仪坐标系下显示。在确定了火星探测器视轴指向和成像中心坐标之后，通过火星探测器的成像视场和火星与火星探测器的相对距离关系完成了对火星成像大小的模拟。然后对太阳、火星、探测器进行天体几何建模，模拟了火星被太阳照亮的区域和处于黑暗的区域。接着通过太阳、火星、探测器三者的相对位置关系完成了对火星轮廓成像方位的模拟。最后利用漫反射理论建立太阳光的照射在火星上的天体反射模型，得到火星的亮度信息后按照相同的线性映射将火星星等映射到计算机的灰度进行显示。下面具体说明每个步骤的内容：火星坐标模拟步骤：主要目的是确定火星在显示器平面坐标系和投影仪坐标系的坐标。首先确定火星探测器的中心坐标视轴指向，将描述火星探测器的姿态四元数转换为视轴的赤经、赤纬。然后将日心黄道坐标系SKY2000星表下火星坐标和火星探测器坐标向姿态敏感器坐标系下的坐标进行转换，具体的实现步骤是将火星坐标平移到以火星探测器为中心，三轴与日心黄道坐标系平行的坐标系上，再通过坐标归一化处理将火星设置为以火星探测器为中心的一个单位球上。最后通过与恒星坐标确定的类似的旋转变换处理确定火星在显示器平面坐标系和投影仪坐标系的中心坐标。火星成像大小模拟步骤：火星大小模拟决定了火星在CMOS像平面坐标系上成像的范围。本专利技术通过火星探测器的成像视场和火星与火星探测器的相对距离关系确定了火星的成像大小，然后通过CMOS相机面阵的模拟像元尺寸的大小确定成像的像元数。火星成像轮廓模拟步骤：火星轮廓模拟在CMOS平面坐标系上模拟了火星被太阳照亮的区域和处于黑暗的区域。本专利技术以太阳、火星和火星探测器所成的平面为基准平面的基础上建立了一个天体几何模型，得到了火星到探测器矢量与火星到太阳矢量夹角为0-180°时火星轮廓在CMOS平面的二维成像轮廓。并且通过判断矢量的数量积，得到火星到探测器矢量与火星到太阳矢量夹角不在0-180°时的轮廓确定方法。火星成像方位模拟步骤：火星成像方位决定了火星被照亮区域的朝向。本专利技术由太阳到火星的矢量r0确定了火星在CMOS面阵上的成像方位。首先将矢量r0在日心黄道坐标系转换到姿态敏感器坐标系，得到矢量r0′，r0′在CMOS平面坐标系下为r0″，由成像面与r0″的垂直关系得到火星的成像方位。火星成像灰度的模拟步骤：由于火星本体模拟中更加注重火星轮廓，所以本专利技术采用理想的朗伯反射理论，假设火星成像灰度不随观测角度而发生变化。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述方法还包括在所述各步骤前执行的预处理步骤，所述预处理步骤具体为：对SKY2000星表中的每个数据项中的参数进行删减，仅保留每个数据项在J2000下恒星的赤经、赤纬、星等的参数信息，并将所有数据项按照赤经由大到小进行排列。图2是SKY2000简化星表示意图。如图2所示，星表就是天文学中记录恒星星号、位置和星等信息的文件。本专利技术使用SKY2000星表，并对星表进行了删减，只保留人眼能够识别范围内的星等，包含了J2000下恒星的赤经本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于深空探测的火星目标模拟方法，其特征在于，包括火星坐标模拟步骤、火星成像大小模拟步骤、火星成像轮廓模拟步骤、火星成像方位模拟步骤以及火星成像灰度模拟步骤：其中，火星坐标模拟步骤用于将火星中心坐标从日心黄道坐标系变换到显示器平面坐标系；火星成像大小模拟步骤用于根据火星探测器的成像视场和火星与火星探测器的相对距离关系计算出火星的成像大小；火星成像轮廓模拟步骤用于模拟火星被太阳照亮的区域以及未被照亮的区域；火星成像方位模拟步骤用于根据太阳、火星、探测器的相对位置关系计算火星轮廓的成像方位；火星成像灰度模拟步骤用于将火星的星等映射到计算机的灰度，以显示在界面上。

【技术特征摘要】
1.一种用于深空探测的火星目标模拟方法，其特征在于，包括火星坐标模拟步骤、火星成像大小模拟步骤、火星成像轮廓模拟步骤、火星成像方位模拟步骤以及火星成像灰度模拟步骤：其中，火星坐标模拟步骤用于将火星中心坐标从日心黄道坐标系变换到显示器平面坐标系；火星成像大小模拟步骤用于根据火星探测器的成像视场和火星与火星探测器的相对距离关系计算出火星的成像大小；火星成像轮廓模拟步骤用于模拟火星被太阳照亮的区域以及未被照亮的区域；火星成像方位模拟步骤用于根据太阳、火星、探测器的相对位置关系计算火星轮廓的成像方位；火星成像灰度模拟步骤用于将火星的星等映射到计算机的灰度，以显示在界面上。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述各步骤前执行的预处理步骤，所述预处理步骤具体为：对SKY2000星表中的每个数据项中的参数进行删减，仅保留每个数据项在J2000下恒星的赤经、赤纬、星等的参数信息，并将所有数据项按照赤经由大到小进行排列。3.根据权利要求1所述，其特征在于，所述火星坐标模拟步骤包括：步骤A1：确定火星探测器的中心坐标视轴指向；步骤A2：将用于描述火星探测器的姿态四元数转换为视轴的赤经、赤纬；步骤A3：将日心黄道坐标系在星表下的火星坐标和火星探测器坐标转换为姿态敏感器坐标系下的坐标；步骤A4：确定火星在显示器平面坐标系和投影仪坐标系的中心坐标。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A2中，视轴的赤经α0、赤纬δ0的表达式为：其中，Azx＝2(q1q3+q2q4)，Azy＝2(q2q3-q1q4)，Azz＝-q12-q22+q3...

【专利技术属性】
技术研发人员：王骢，丁明理，韦双余，陈玉明，宋旭伟，张永强，李贤，杨光磊，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23