一种基于模拟相机电信号的空间光学敏感器硬件在环仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模拟相机电信号的空间光学敏感器的硬件在环仿真方法。该方法首先由仿真计算机依据任务场景与具体参数，生成模拟的导航图片；之后仿真计算机将该导航图片传入FPGA中，FPGA依据导航相机电信号格式，将图像数据转换为导航相机的电信号，采用与导航相机的硬件接口定义相同的接口传入空间光学敏感器硬件中；最后空间光学敏感器硬件依据该导航图片完成航天器姿态或位置信息解算。该方法通过模拟导航相机的电信号，将渲染出的导航图片导入空间光学敏感器硬件中，从而可以完成空间光学敏感器的硬件在环仿真过程，有效地解决各类光学导航场景复杂难以搭建的问题，充分验证空间光学敏感器算法与硬件的可靠性。验证空间光学敏感器算法与硬件的可靠性。验证空间光学敏感器算法与硬件的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模拟相机电信号的空间光学敏感器硬件在环仿真方法


[0001]本专利技术涉及空间光学敏感器的仿真测试领域，特别涉及一种基于模拟相机的空间光学敏感器硬件在环仿真方法。

技术介绍

[0002]空间光学敏感器是指应用于空间环境中，采用可见光相机、红外相机或紫外相机，对行星、小天体、恒星等导航目标进行光学成像，从而解算航天器的位置和姿态信息的一类敏感器。空间光学敏感器包括但不限于星敏感器、红外成像式地球敏感器、紫外月球敏感器、火星敏感器和小天体敏感器等，广泛应用于各类近地空间与深空探测的航天任务中，是航天器确定自身姿态与位置的重要手段。
[0003]在空间光学敏感器研制与测试阶段，对其进行地面技术验证是必不可少的环节。地面技术验证方法主要包括全实物仿真、全数字仿真与硬件在环仿真。目前，针对各类空间探测任务，大型航天机构均会搭建大型全实物仿真测试场景，为空间光学敏感器提供逼真的信息输入，以测试敏感器的各项性能，从而保障敏感器在轨的正常运行。然而，受限于空间探测任务的复杂多变性，搭建航天器位置、姿态与太阳光照角度等均实时变化的全实物模拟测试场景是非常困难且昂贵的。数字仿真方法通过在仿真计算机中生成虚拟图像，模拟运行空间光学敏感器内部算法等，有效地加速了前期算法开发过程。然而，由于其全部运行在仿真计算机上，可信度稍低，无法充分对航天器软硬件进行考核。硬件在环仿真方法通过将部分系统硬件接入仿真回路中，同时引入部分数字仿真过程，极大地减小了测试的难度，也增加了仿真测试的灵活性。在空间光学敏感器图像处理算法和导航信息解算算法、以及全环路航天器导航算法和控制算法的研制测试过程中，硬件在环仿真方法均能够发挥重要作用。
[0004]目前的现有空间光学敏感器硬件在环仿真方法主要是采用显示屏输出软件生成的光学导航图像，从而可以为不同型号的导航相机提供接近真实的光学信号输入。长春理工大学与清华大学等均据此原理研制了多款动态星模拟器。然而光学信号输入受限于成像原理与成本，在动态场景模拟和分辨率上均有不足，且难以满足非可见光波段的空间光学敏感器使用。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于模拟相机电信号的空间光学敏感器硬件在环仿真方法，通过模拟导航相机的电信号，将渲染出的导航图片导入空间光学敏感器硬件中，从而可以完成空间光学敏感器的硬件在环仿真过程，有效地解决各类光学导航场景复杂难以搭建的问题，充分验证空间光学敏感器与硬件的可靠性。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0007]一种基于模拟相机电信号的空间光学敏感器硬件在环仿真方法，包括如下步骤：
[0008]1)仿真计算机根据导航目标的位置和姿态、环境背景、光照强度和角度、导航相机内部参数、导航相机的位置和姿态，生成模拟的导航图片；
[0009]2)仿真计算机将所述导航图片传入FPGA中后，FPGA依据导航相机电信号格式，将导航图片数据转换为导航相机的电信号，采用与导航相机的硬件接口定义相同的接口传入空间光学敏感器硬件中；空间光学敏感器硬件依据所述导航图片完成航天器姿态或位置信息解算。
[0010]上述技术方案中，进一步地，所述步骤1)具体为：
[0011]步骤1.1，导航场景搭建：依据任务目标，在三维渲染软件中建立包含导航目标、环境背景、光照和导航相机在内的光学导航场景；
[0012]步骤1.2，仿真参数生成与传递：由仿真计算机给出仿真参数，所述仿真参数具体包括导航目标的位置参数与姿态参数，导航相机的位置参数与姿态参数，以及光照强度和角度；并将所述仿真参数传递给三维渲染软件；
[0013]步骤1.3，导航图片渲染：在三维渲染软件中，依据所述仿真参数，渲染出导航相机所拍摄的导航图片；
[0014]步骤1.4，导航图片加工：仿真计算机对所述导航图片进行添加噪声、投影变换处理。
[0015]更进一步地，所述步骤2)具体为：
[0016]步骤2.1，导航图片传输与存储：仿真计算机将生成的导航图片传入FPGA中，FPGA将所述导航图片缓存到存储器中；
[0017]步骤2.2，模拟相机电信号生成：FPGA依据导航相机电信号格式，将图像数据转换为模拟相机电信号；
[0018]步骤2.3，模拟相机电信号传输：FPGA采用与导航相机的硬件接口定义相同的接口，将所述模拟相机电信号传入空间光学敏感器硬件中；
[0019]步骤2.4，空间光学敏感器导航图片解算：空间光学敏感器硬件接收到FPGA生成的模拟相机电信号之后，采用与处理真实导航相机电信号完全相同的方式处理所述模拟相机电信号，并依据接收到的导航图片完成航天器姿态或位置信息解算。
[0020]本专利技术的专利技术原理为：
[0021]本专利技术提出了一种基于模拟相机电信号的空间光学敏感器的硬件在环仿真方法。该方法首先由仿真计算机依据任务场景与具体参数，生成模拟的导航相机所拍摄导航图片；之后仿真计算机将该导航图片传入FPGA中，FPGA依据导航相机电信号格式，将图像数据转换为导航相机的电信号，采用与导航相机的硬件接口定义相同的接口传入空间光学敏感器硬件中；最后空间光学敏感器硬件依据该导航图片完成航天器导航信息解算。该方法通过模拟导航相机的电信号，将渲染出的导航图片导入空间光学敏感器硬件中，从而可以完成空间光学敏感器的硬件在环仿真过程，有效地解决各类光学导航场景复杂难以搭建的问题，充分验证空间光学敏感器算法与硬件的可靠性。
[0022]本专利技术与现有技术相比具有的有益效果：
[0023]1.本专利技术考虑了空间光学敏感器的内部结构，通过模拟导航相机电信号的方法将模拟导航照片传入空间光学敏感器中，极大地降低了硬件接入的成本。
[0024]2.本专利技术通过模拟导航相机电信号的方法，极大地减少了传统显示屏等光学信号
输入方案所带来的分辨率受限、难以模拟动态情况和难以模拟非可见光光谱的问题，可以生成更加真实的模拟导航图片，更好地测试空间光学敏感器图像处理算法和导航信息解算算法的性能与可靠性。
[0025]3.本专利技术提供了一种空间光学敏感器硬件在环仿真方法，极大地减小了测试的难度与成本，增加了仿真测试的灵活性，可以在全环路航天器导航算法和控制算法的研制测试过程中发挥重要作用。
附图说明
[0026]本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和以理解，其中：
[0027]图1为基于模拟相机电信号的空间光学敏感器硬件在环仿真方法的流程图；
[0028]图2为灰度相机输出电信号的时序示意图。
具体实施方式
[0029]本专利技术提供的一种基于模拟相机电信号的空间光学敏感器的硬件在环仿真方法，仿真过程中，空间光学敏感器的导航相机不接入敏感器，而由FPGA接入硬件，并提供与导航相机定义相同的电信号，以传输生成的导航图片。其实现步骤如下：
[0030]步骤1，导航场景搭建：依据任务目标，在三维渲染软件中建立包含导航目标、环境背景、光照本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模拟相机电信号的空间光学敏感器硬件在环仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：1)仿真计算机根据导航目标的位置和姿态、环境背景、光照强度和角度、导航相机内部参数、导航相机的位置和姿态，生成模拟的导航图片；2)仿真计算机将所述导航图片传入FPGA中后，FPGA依据导航相机电信号格式，将导航图片数据转换为导航相机的电信号，采用与导航相机的硬件接口定义相同的接口传入空间光学敏感器硬件中；空间光学敏感器硬件依据所述导航图片完成航天器姿态或位置信息解算。2.根据权利要求1所述的基于模拟相机电信号的空间光学敏感器硬件在环仿真方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：步骤1.1，导航场景搭建：依据任务目标，在三维渲染软件中建立包含导航目标、环境背景、光照和导航相机在内的光学导航场景；步骤1.2，仿真参数生成与传递：由仿真计算机给出仿真参数，所述仿真参数具体包括导航目标的位置参数与姿态参数，导航相机的位置参数与姿态参数，以及光照强度和角度；并将所述仿真参数传递...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓华健，王昊，金仲和，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：