一种基于多点测量的火星轨道地面精确模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多点测量的火星轨道地面精确模拟方法，步骤1：将5个红外反光球安装在飞行器模拟器表面，利用红外相机进行标定；步骤2：当飞行器模拟器开始在气悬浮平台上运动时，通过8台红外相机对飞行器模拟器上的红外反光球进行连续拍摄，并将拍摄的图像信息通过数据传输系统实时传送给数据处理计算机；步骤3：数据处理计算机收到图像信息后，计算各个时刻红外反光球的空间位置信息，进而确定飞行器模拟器的运动轨迹和姿态变化。本发明专利技术补充了飞行器的轨迹运动测量模拟，以提供真实轨道信息测量，为全物理轨道控制策略验证提供了轨控结果判断依据。控结果判断依据。控结果判断依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多点测量的火星轨道地面精确模拟方法


[0001]本专利技术属于深空探测仿真验证
，涉及基于多点测量的火星轨道地面精确模拟方法，用于火星探测捕获制动控制全物理的验证。

技术介绍

[0002]我国首次深空探测任务为2020年执行的火星探测，火星探测任务中火星引力捕获制动，是飞行器进入火星影响球开始至轨控发动机关机的重要飞行阶段，飞行器从转移段进入捕获制动段后，相对于天体沿着双曲线轨道飞行，其飞行速度大。为了使飞行器进入设计的任务轨道，必须对飞行器进行减速制动控制。为对制动捕获关键过程的轨控策略进行全物理仿真验证，需要按照设计模拟飞行器轨控过程中的轨道运动，因此轨道地面精确测量和模拟方法是火星探测的重要地面验证技术之一。目前现有的捕获制动策略验证方法主要是数据仿真验证和半实物仿真验证测试，无法实现飞行器在轨真实的轨道控制和飞行轨迹模拟，无法提供真实轨道信息的测量。为实现制动捕获关键过程的轨控策略全物理仿真验证，亟需对飞行器的轨迹运动进行模拟和测量。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于多点测量的火星轨道地面精确模拟方法，增加了飞行器的轨迹运动物理模拟和测量，为轨道控制策略全物理验证提供了判据。
[0004]本专利技术解决技术问题的方案是：
[0005]一种基于多点测量的火星轨道地面精确模拟方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1：将5个红外反光球安装在飞行器模拟器表面，利用红外相机进行标定；
[0007]步骤2：红外反光球标定完成后，当飞行器模拟器开始在气悬浮平台上运动时，通过8台红外相机对飞行器模拟器上的红外反光球进行连续拍摄，并将拍摄的图像信息通过数据传输系统实时传送给数据处理计算机；
[0008]步骤3：数据处理计算机收到图像信息后，计算各个时刻红外反光球的空间位置信息，进而确定飞行器模拟器的运动轨迹和姿态变化，所述飞行器模拟器的运动轨迹即为火星轨道。
[0009]优选的，红外相机的CMOS传感器分辨率2048
×
2048，信号采样帧频最高180FPS，能够在30m
×
30m捕捉空间内捕获16mm直径的标记点。
[0010]优选的，数据传输系统采用NetGear集线器和超六类网线，提供千兆网络传输速率，确保数据传输的实时性。
[0011]优选的，5个红外反光球成“十”字型布局，红外反光球表面采用二氧化钛涂层。
[0012]优选的，所述二氧化钛涂层对850nm的红外光线反光强烈。
[0013]优选的，所述步骤2中，8台红外相机对飞行器模拟器上的红外反光球进行连续拍摄的过程如下：
[0014]1)8台红外相机同时发射波长为850nm的红外光；
[0015]2)安装在飞行器模拟器表面的红外反光球对红外光进行反射；
[0016]3)8台红外相机从不同位置拍摄到由红外反光球反射的红外光图像。
[0017]优选的，每台红外相机以100FPS的频率对红外反光球进行拍摄，获取图像序列。
[0018]优选的，所述步骤3中，数据处理计算机收到图像信息后，计算各个时刻红外反光球的空间位置信息，进而确定飞行器模拟器的运动轨迹和姿态变化的方法如下：
[0019]1)t时刻，数据处理计算机根据8台红外相机拍摄的2D图像信息，基于多目视觉的空间交汇方程，实现红外反光球3D信息的恢复；
[0020]所述多目视觉的空间交汇方程数学模型如下：
[0021]设第i个红外反光球球心在世界坐标系的坐标为(x
w,i
,y
w,i
,z
w,i
)，且第i个红外反光球在第j台高速红外相机上的像素坐标为(x
j,i
,y
j,i
)，i＝1,2,3,4,5；
[0022]则有
[0023]AQ＝C
[0024]其中,Q＝[x
w,i y
w,i z
w,i
]T
；
[0025]C＝[C
1 C
2 ... C8]T
[0026]C
j
＝[f
j
t
j,x
‑
t
j,z
x
j,i f
j
t
j,y
‑
t
j,z
y
j,i
][0027]A＝[A
1 A
2 ... A8]T
[0028][0029]其中，f
j
为第j台高速红外相机焦距，(t
j,x
,t
j,y
,t
j,z
)为第j台高速红外相机在世界坐标系下的坐标，为第j台高速红外相机在世界坐标系下的旋转矩阵；
[0030]采用最小二乘法求解AQ＝C，获得第i个红外反光球球心在世界坐标系的坐标，即3D信息恢复结果：
[0031]Q＝(A
T
A)
‑1A
T
C；
[0032]2)确定高速红外相机的世界坐标系与飞行器运动坐标系的坐标变换关系，在火星轨道上以火星惯性系作为飞行器运动所在的坐标系，根据所述坐标变换关系和第i个红外反光球球心在世界坐标系的坐标，计算t时刻第i个红外反光球球心在飞行器运动坐标系的坐标(x
c,i
,y
c,i
,z
c,i
)；
[0033]计算公式如下：
[0034][0035]R
wc
为世界坐标系相对于飞行器运动坐标系的旋转矩阵；
[0036]T
wc
为世界坐标系相对于飞行器运动坐标系的平移矢量；
[0037]3)根据t时刻各红外反光球在飞行器运动坐标系中的坐标点，确定t时刻飞行器模
拟器的姿态，同时计算t时刻飞行器模拟器质心在飞行器运动坐标系中的坐标点；
[0038]4)数据处理计算机根据各个时刻飞行器模拟器的姿态和飞行器模拟器质心在飞行器运动坐标系中的坐标点，确定获得飞行器模拟器的姿态变化以及运动轨迹。
[0039]本专利技术采用的方法与现有技术相比，其优点和有益效果是：
[0040]本专利技术采用多台高速红外相机对飞行器上安装的标志点进行三维运动捕捉，提供了对实际飞行器位置及姿态的精确测量方法，相比于现有的飞行器轨迹和姿态的数学仿真，增加了飞行器的轨迹运动物理模拟和测量，为轨道控制策略全物理验证提供了判据。
附图说明
[0041]图1为本专利技术的基于多点测量的火星轨道地面精确模拟方法原理图。
具体实施方式
[0042]下面结合附图对本专利技术作进一步说明。
[0043]火星探测任务中，火星引力捕获制动，是飞行器进入火星影响球开始至轨控发动机关机的重要飞行阶段，飞行器从转移段进入捕获制动段后，相对于天体沿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多点测量的火星轨道地面精确模拟方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：将5个红外反光球安装在飞行器模拟器表面，利用红外相机进行标定；步骤2：红外反光球标定完成后，当飞行器模拟器开始在气悬浮平台上运动时，通过8台红外相机对飞行器模拟器上的红外反光球进行连续拍摄，并将拍摄的图像信息通过数据传输系统实时传送给数据处理计算机；步骤3：数据处理计算机收到图像信息后，计算各个时刻红外反光球的空间位置信息，进而确定飞行器模拟器的运动轨迹和姿态变化，所述飞行器模拟器的运动轨迹即为火星轨道。2.根据权利要求1所述的一种基于多点测量的火星轨道地面精确模拟方法，其特征在于：红外相机的CMOS传感器分辨率2048
×
2048，信号采样帧频最高180FPS，能够在30m
×
30m捕捉空间内捕获16mm直径的标记点。3.根据权利要求1所述的一种基于多点测量的火星轨道地面精确模拟方法，其特征在于：数据传输系统采用NetGear集线器和超六类网线，提供千兆网络传输速率，确保数据传输的实时性。4.根据权利要求1所述的一种基于多点测量的火星轨道地面精确模拟方法，其特征在于：5个红外反光球成“十”字型布局，红外反光球表面采用二氧化钛涂层。5.根据权利要求4所述的一种基于多点测量的火星轨道地面精确模拟方法，其特征在于：所述二氧化钛涂层对850nm的红外光线反光强烈。6.根据权利要求5所述的一种基于多点测量的火星轨道地面精确模拟方法，其特征在于：所述步骤2中，8台红外相机对飞行器模拟器上的红外反光球进行连续拍摄的过程如下：1)8台红外相机同时发射波长为850nm的红外光；2)安装在飞行器模拟器表面的红外反光球对红外光进行反射；3)8台红外相机从不同位置拍摄到由红外反光球反射的红外光图像。7.根据权利要求6所述的一种基于多点测量的火星轨道地面精确模拟方法，其特征在于：每台红外相机以100FPS的频率对红外反光球进行拍摄，获取图像序列。8.根据权利要求7所述的一种基于多点测量的火星轨道地面精确模拟方法，其特征在于，所述步骤3中，数据处理计算机收到图像信息后，计算各个时刻红外反光球的空间位置信息，进而确定飞行器模拟器的运动轨迹和姿态变化的方法如下：1)t时刻，数据处理计算机根据8台红外相机拍摄的2D图像信息，基于多目视觉的空间交汇方程，实现红外反光球3D信息的恢复；所述多目视觉的空间交汇方程数学模型如下：设第i个红外反光球球心在世界坐标系的坐标为(x
w，i
，y
w，...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂钦博，曹赫扬，刘付成，夏堃，朱津津，许贤峰，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：