一种用于深空探测的彗星光学面信号模拟方法技术

本发明专利技术提供了一种用于深空探测的彗星光学面信号模拟方法，运用ＯｐｅｎＧＬ三维图形库编程实现了光学信号的模拟，对彗星的面信号运用粒子系统进行重建接着根据模拟器输入的时间、观测平台的位置以及相机的指向，生成相应方向的模拟信号，并投影到高性能显示器上，完成光学信号在空间和辐射亮度上的数／模转换，最终形成模拟的光学信号。该方法绘制简单直观，效果较好，为深空探测尤其是彗星撞击探测中光学导航相机提供了可靠的动态光学信号。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于航天导航
，尤其涉及一种用于深空探测的彗星光学面信号模 拟方法。
技术介绍
2005年美国“深度撞击号”(De印Impact)飞船发射的“撞击器”(Impactor)成功 撞击了“坦普尔1号”(Tempell)彗星，从此拉开了人类撞击彗星探索的序幕。这次撞击探 测中光学导航是撞击器能够准确击中目标的重要保障，在光学导航中，无论是导航相机的 测试，还是光学导航中数据处理方案的验证，都离不开星空及目标彗星的光学信号，在探测 器实际拍得真实的星空及目标彗星图像前，唯一获得光学信号的途径就是地面实验室环境 下的模拟仿真。目前，国内外已有多家单位成功研制了恒星模拟器，较好的满足了利用恒星的姿 态进行测量的测试实验工作，但是导航相机单纯获取恒星信息只能用于姿态确定，要确定 探测器与目标彗星的相对位置，还必须获得目标彗星的准确光学信息。在彗星距离探测器较近时，彗星中的慧核会完全暴露出来，此时探测器观测到的 是面信号，目前还没有较为有效的方法对彗星的面信号进行模拟，以获得目标彗星的准确 光学fe息。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，以获得目标 彗星的准确光学信息。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案一种用于深空探测的彗星光学面信 号模拟方法，该方法包括以下步骤(1)利用现有的成熟技术绘制出具有准确时空关系和亮度等级的星空背景；(2)依照彗星的面信号光学信号模型，计算出在不同方位，不同距离上，探测器所能观 测到的亮度等级，并运用三角面拟合几何体方法对目标彗星的面信号进行重建；(3)根据模拟器输入的时间、观测平台的位置以及导航相机的指向，生成目标彗星相应 方向的模拟信号；(4)将投影到高性能显示器上，完成光学信号在空间和辐射亮度上的数/模转换，最终 形成模拟的光学信号。对目标彗星的面信号进行重建的具体步骤如下；①利用三角面拟合几何体的技术来实现慧核的几何模型重建三角面拟合几何体即用 三角面无限逼近几何体的真实几何形状；②根据彗星面信号的反射度模型生成相应的反射度纹理；③将步骤②所得反射度纹理叠加到彗星几何模型上；④在步骤③的基础上添加太阳光照模型。E1" _ ^ C" -T(Z1^Z2)-SecQ'JJ J ''J X -J _ Gd1τ r A τ 其中，α为探测器相对彗核的天顶角；.T(ZpZ2) = ^KiPdZ为光线通过厚度；至高度&的彗发区段时该区段彗发的光学厚度；Ex = E0e~T(Zl'Z2>sece为在n波长范围内太阳在行星表面产生的照度，0为此 时的太阳天顶角；^e = 1 Oia KcID'1 Γ r [ Φ (s Z螂)-1Γ以为太阳的辐射照度，其中太阳半径li2IR = 6.9599 χIO8 m ,义为波长(辨〉，T0 为黑体的温度(ζ) , C1 = 3.742χIO^r-^m2为第一辐射常数，C2 = 14388/ · K为第二辐射常数，T0 = 5900Κ, D为太阳与行星 的距离。太阳光照模型中太阳对光学探测器的简单影响模型如下式所示 je>r#不受太阳影响受太阳影响 °在日心黄道坐标系中，探测器对太阳的观测相角θ力导航相机成像方向与太阳方 向直接的夹角，其公式如下r Pθ = arccosf-) ηιρΓ其中，探测器到太阳的距离为r，敏感器成像方向为矢量P。本专利技术用于深空探测的彗星光学面信号模拟方法运用OpenGL三维图形库编程实 现了光学信号的模拟，对彗星的面信号运用粒子系统进行重建接着根据模拟器输入的时 间、观测平台的位置以及相机的指向，生成相应方向的模拟信号，并投影到高性能显示器 上，完成光学信号在空间和辐射亮度上的数/模转换，最终形成模拟的光学信号。该方法绘制简单直观，效果较好，为深空探测尤其是彗星撞击探测中光学导航相机提供了可靠的动 态光学信号。附图说明 图1是彗星形态示意图2是探测器敏感器成像方向与太阳方向之间的关系图； 图3是模拟器输入参数生成光学信号的流程图； 图4是彗星面信号生成流程图； 图5是探测器实拍“坦普尔1号”面信号影像图；图6是“坦普尔1号”实拍时本专利技术模拟器彗星面模拟信号图。 具体实施例方式下面结合具体的实施方式对本专利技术做进一步介绍 1.彗星光学信号模型如图1所示是彗星形态示意图，典型的彗星形态包括四个部分即彗核、彗发、彗尾及 彗云，其中彗核与彗发合起来称彗头，但只是对多数彗星而言。有些彗星形态并不一定四部 分都有，有些不仅没有彗尾，连彗发都没有。就是同一颗彗星，在绕日运行过程中，它的形 态也是不断变化的，在接近太阳时，逐渐出现彗发和彗尾；而远离太阳时，彗发和彗尾又逐 渐消失了。在彗星距离探测器较近时，慧核将完全暴露出来，此时探测器观测到的将是面信 号，慧核本身不发光，其入射到光学导航相机的光信号来自对太阳直接辐射能量的反射。 但是彗核表面包裹着一层大气，近于球形，也即慧发，是彗星接近太阳出彗核中蒸发出来 的气体和微小尘粒，由于这些气体分子和微小尘粒的影响，太阳光线在透过慧发时，会产生相应的衰减，表示衰减程度的系数可以称为消光系数，若入射光亮度为L，在吸收和散射 物质密度为P的介质中经过光路式后，光亮度减弱了 ，则消光系数表示为产令 (1) pi,,当光线通过厚度Z1至高度Z2的慧发区段时，该区段慧发的光学厚度TXZ1,Z2)可由消 光系数来定义，即mZjy^i^i，Ζ··η,》—J ^ ^ydjLi (2)当太阳天顶角为5时，光线通过的路径会产生变化，这时其透过率Tt而.’巧可表达为 TiZl^e) =(3)又因为太阳所发出的总辐射量在空间方向上的分布是均勻的，在為 為波长范围内太 阳在行星表面产生的照度尾则可表示为E1 =E0e~T(Zl'E2>seca (4)其中馬如下式(5)所示，为太阳的辐射照度；到Z2为包裹慧核的大气(即慧发)的厚 度；0为慧核上相应的太阳天顶角。E1 = 10" E'q ZTj J^ ；T5 "1 λ (5)11JliJ式(5)中，太阳半径R. =6,9599x10' m , 1为波长U— , 为黑体的温度(幻， =周=为第一辐射常数， = 4388/ .|为第二辐射常数，ΓΛ = 5900Κ (通常太阳辐射可以认为是温度为5900K的黑体辐射)￡力太阳与行星的距离。照度p的单位为 WZm1 ο彗核反射后到达探测器的辐射照度为(在垂直传感时) J ^ = ρβτβ~Τ(Ζι'Ζ2) (6)当探测器相对彗核的天顶角力”时，探测器的接收到的辐射照度则为 Ef = pzET€-T(Zl'Z2>seca (7)以上就是探测器与彗星较近时，慧核完全暴露的情况下，慧核的面信号光学模型，也就 是彗星彗核面信号的反射度模型。2.太阳干扰模型在彗星面信号的模拟过程中，太阳的干扰也是不可忽视的。太阳对各类深空光学探测 器的工作都存在重大影响，因为一旦太阳进入探测器视场，将会导致探测器CCD曝光饱和， 无法分辨出任何天体有效信号，严重时还可能导致CCD的损坏。因此，信号模拟时必须对太 阳的干扰进行建模。如图2所示，定义导航相机成像方向与太阳方向直接的夹角为观测相角3，假设在 日心黄道坐标系中，探测器到太阳的距离为r，敏感器成像方向为矢量P，那么，Γ ·ρ = arccQs(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于深空探测的彗星光学面信号模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：（１）利用现有的成熟技术绘制出具有准确时空关系和亮度等级的星空背景；（２）依照彗星的面信号光学信号模型，计算出在不同方位，不同距离上，探测器所能观测到的亮度等级，并运用三角面拟合几何体方法对目标彗星的面信号进行重建；（３）根据模拟器输入的时间、观测平台的位置以及导航相机的指向，生成目标彗星相应方向的模拟信号；（４）将投影到高性能显示器上，完成光学信号在空间和辐射亮度上的数／模转换，最终形成模拟的光学信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐青，施群山，蓝朝桢，周杨，李建胜，邢帅，马东洋，孙伟，何钰，张衡，王栋，
申请(专利权)人：中国人民解放军信息工程大学，
类型：发明
国别省市：41[中国|河南]