基于六自由度平台的遥感视场下目标飞行特性模拟系统的制作方法

本发明涉及目标飞行特性探测的技术领域，特别涉及一种基于六自由度平台的遥感视场下目标飞行特性模拟系统。

背景技术：

空间目标飞行特性模拟是一种在地面上模拟目标运动特性，用于检测遥感系统对空间目标的识别跟踪能力。空间目标大范围运动的模拟能够更真实地检测遥感系统动态跟踪目标的性能，提高遥感系统跟踪精度。目前，准直型目标发生器是通过微镜阵列将像面上的像元以平行光投射给探测接收系统，为了提高探测系统的跟踪接收能力，要求微镜阵列能够在大视场内仿真空间目标的运动特性。考虑到常规目标模拟器光学视场有限，不适用于探测系统的大范围跟踪检测；因此如何能够在更大视场范围内高分辨率地仿真空间目标的运动成为需要解决的难题。物体在空间具有六个自由度，即沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度，要完全确定物体的位置，就必须清楚这六个自由度，如何在六自由度平台视场下进行目标飞行特性模拟方法，需要在模拟方法中给予考虑。

经对现有技术的文献检索发现，《哈尔滨工业大学学报》于2008年11月披露了如下文献，文献名称为《航天遥感器的空间目标成像模型研究》，文献提出了一种新的空间目标的成像模型，用于仿真模拟航天遥感器观测到的空间目标成像特性的分析与实验。假定空间目标几何形状为球形，使用已有的空间目标照度计算公式，建立了目标星等仿真计算模型；通过使用航天遥感器ccd、光学系统参数和目标星等计算模型，可得到空间目标在理想观测条件下的航天遥感器焦平面上点源响应的信号强度和图像；考虑到航天遥感器与空间目标的相对运动关系，建立了空间目标在实际观测条件下的航天遥感器焦平面上线成像的能量分布模型和运动引起的模糊图像；综合使用上述几种模型，可生成空间目标在航天遥感器不同成像观测条件下的动态帧序列图像，以满足空间目标的探测与识别仿真算法研究的需求。对于本发明所要解决的技术问题，现有技术中未见有相关的技术披露。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于六自由度平台的遥感视场下目标飞行特性模拟系统。本发明针对空间目标的飞行特性，通过五个模块实现遥感平台视场下空间目标视线矢量的生成、六自由度平台控制指令生成，六自由度平台驱动指向，实时解算遥感平台与动态目标的相对关系，通过六自由度平台实现目标在遥感视场下飞行轨迹、运动特性的模拟。本发明的系统能够针对解决大视场范围内空间目标运动的仿真问题，实现良好的技术模拟效果。

本发明是通过以下的技术方案实现的，本发明涉及一种基于六自由度平台的遥感视场下目标飞行特性模拟系统，所述模拟系统包括五个模块：空间坐标标定模块、飞行轨迹生成模块、指向控制模块、六自由度平台模块及视线矢量指示模块；

所述空间坐标标定模块用于实现遥感平台与六自由度平台位置关系的标定；

所述飞行轨迹生成模块用于目标相对遥感平台的视线矢量生成，包含三个子模块：目标轨迹生成模块、遥感平台轨迹生成模块、视线矢量生成模块；

所述指向控制模块用于六自由度平台控制指令生成，将目标相对遥感平台的视线矢量转换至六自由度平台坐标系下，进而反演生成六自由度平台指向控制指令，实现视线矢量的指向控制；

所述六自由度平台模块包含两部分：运动控制单元和六自由度平台机构；运动控制单元接收六自由度控制指令，转化为每个运动控制杆的运动控制指令并驱动，六自由度平台机构通过运动杆的复合运动实现安装平台的六自由度运动模拟；

所述视线矢量指示模块安装于六自由度平台，实现遥感视场下空间目标视线的指示，用于整个模拟系统的验证。

优选地，所述空间坐标标定模块表征六自由度平台相对于遥感平台的坐标转换。

优选地，所述六自由度平台坐标系包含两个坐标系：静态坐标系os-xsyszs和动态坐标系od-xdydzd；静态坐标系与地面固连，动态坐标系随上平台一起运动；静态坐标系以下平台几何中心os为原点，ys垂直于下平台面，xs位于下平台面内沿水平方向，zs满足右手螺旋定则；动态坐标系与静态坐标系类似；

遥感平台以平台本体坐标系为参考，平台本体坐标系的原点为平台质心op，坐标轴xp，yp，zp分别与平台对应的三个惯性轴平行；遥感平台与六自由度平台坐标标定包括：遥感平台的本体坐标系与静态坐标系的转换取决于遥感平台的运动特性及姿态变化；静态坐标系与动态坐标系的转换取决于六自由度平台运动机构的角度关系。

优选地，所述的飞行轨迹生成模块包含目标轨迹生成模块、遥感平台轨迹生成模块、视线矢量生成模块；目标轨迹生成模块以地球固连坐标系来定义目标飞行特性；遥感平台轨迹生成模块以地球惯性系考虑遥感平台的运动特性；视线矢量生成模块考虑目标与遥感平台的相对位置关系。

优选地，所述的地球固连坐标系的定义为：以地心o为原点，z轴为地球的自转轴指向北极，x轴指向本初子午线，y轴按照右手螺旋定则确定；地球惯性坐标系的定义为：以地心oi为原点，xi轴指向春分点，zi轴为地球的自转轴指向北极，yi轴按照右手螺旋定则确定。

优选地，基于视线矢量生成模块和空间坐标标定模块的基础上，将目标相对遥感平台的视线矢量转换至六自由度平台坐标系下，该矢量作为指向控制模块的输入；指向控制模块比较遥感平台的初始指向位置和输入视线矢量两者间的偏差，将该偏差反演生成六自由度平台指向控制指令。

优选地，所述的六自由度平台模块包括运动控制单元和六自由度平台机构；运动控制单元接收六自由度控制指令，采用自适应控制方式，转化为每个运动控制杆的运动控制指令并驱动；六自由度平台机构通过运动杆的复合运动实现安装平台的六自由度运动模拟；平台驱动机构由六根运动杆、上下两个平台以及上下各六只虎克铰组成。下平台固定在基础设施上，通过六根运动杆的伸缩运动，控制上平台在空间六个自由度运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。

优选地，所述的视线矢量指示模块安装于六自由度平台，实现遥感视场下空间目标视线的指示，用于整个模拟系统的验证。

本发明还涉及一种前述的基于六自由度平台的遥感视场下目标飞行特性模拟系统的模拟方法，包括如下步骤：

步骤1：确定空间目标与遥感平台的相对位置关系；假定地球固连坐标系下空间目标坐标为pt(xt,yt,zt)，则空间目标在地球惯性坐标系下的pti(xti,yti,zti)表示为：pti＝γci(ωe)pt；其中γci为从地球固连坐标系到地球惯性系的转换，ωe为地球自转角速度；

假定地球惯性系下遥感平台的位置为pyi(xyi,yyi,zyi)，则在地球惯性系下空间目标相对于遥感平台的视线矢量为：

步骤2：确定空间坐标的标定；在得到空间目标相对于遥感平台视线矢量的基础上，考虑遥感平台与六自由度平台间的坐标转换；先将惯性坐标系下描述的视线矢量转换到遥感平台本体坐标系下描述，假定遥感平台下视线矢量的表示为：其中，表示从惯性系到平台本体系下的转换，ψ为偏航角，为滚动角，θ为俯仰角；

六自由度平台静态坐标系到动态坐标系的转换取决于六自由度平台运动机构的角度关系，遥感平台到静态坐标系的转换取决于遥感平台的运动特性，因此视线矢量在六自由度平台动态坐标系下的表示为其中，为静态坐标系下遥感平台的位置矢量；为静态坐标系到动态坐标系的转换，ψd，θd取决于机构的运动角度；

步骤3：六自由度平台坐标系下视线矢量作为指向控制模块的输入，假定遥感平台的初始指向位置和输入视线矢量两者间的偏差为将该反演生成六自由度平台指向控制指令；则由得到六自由度平台的转角变化：

步骤4：运动控制单元接收六自由度控制指令，采用自适应控制方式，转化为每个运动控制杆的运动控制指令并驱动；六自由度平台机构通过运动杆的复合运动实现安装平台的六自由度运动模拟；将转角变化转变为平台运动杆的行程变化：

(α,β,γ)^t＝f(l1,l2,l3,l4,l5,l6)，其中l1...l6为运动杆的行程长度；

步骤5：视线矢量指示模块安装于六自由度平台，实现遥感视场下空间目标视线的指示，用于整个模拟系统的验证。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明公开的基于六自由度平台的遥感视场下空间目标飞行特性模拟方法，可用于改善常规模拟器成像视场小的缺点，提高遥感系统的跟踪接收能力。本发明的模拟方法，通过引入六自由度平台，实现目标飞行特性在平台视场下的模拟，并通过视线矢量指示模块对模拟的正确性进行验证，实现空间目标在大视场范围内运动的仿真。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为空间目标轨迹成像示意图；

图2为六自由度平台的示意图；

图3为指向控制模块原理示意图；

图4为目标飞行特性模拟过程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例中，本发明涉及的基于六自由度平台的遥感视场下目标飞行特性模拟系统包括五个模块：空间坐标标定模块、飞行轨迹生成模块、指向控制模块、六自由度平台模块及视线矢量指示模块；针对空间目标的飞行特性，通过五个模块实现遥感平台视场下空间目标视线矢量的生成、六自由度平台控制指令生成，六自由度平台驱动指向，实时解算遥感平台与动态目标的相对关系，通过六自由度平台实现目标在遥感视场下飞行轨迹、运动特性的模拟。

以下对本发明进行详细说明。

本发明所公开的基于六自由度平台的遥感视场下空间目标飞行特性模拟方法，本发明包括五个模块：空间坐标标定模块、飞行轨迹生成模块、指向控制模块、六自由度平台模块及视线矢量指示模块。针对空间目标的飞行特性，通过五个模块实现遥感平台视场下空间目标视线矢量的生成、六自由度平台控制指令生成，六自由度平台驱动指向，实时解算遥感平台与动态目标的相对关系，并通过六自由度平台实现目标在遥感视场下飞行轨迹、运动特性的模拟，为验证目标动态跟踪的能力提供基础。

空间坐标标定模块表征六自由度平台相对于遥感平台的坐标转换。六自由度平台坐标系包含两个坐标系：静态坐标系os-xsyszs和动态坐标系od-xdydzd。静态坐标系与地面固连，动态坐标系随上平台一起运动。静态坐标系以下平台几何中心os为原点，ys垂直于下平台面，xs位于下平台面内沿水平方向，zs满足右手螺旋定则。动态坐标系与静态坐标系类似。遥感平台以平台本体坐标系为参考，平台本体坐标系的原点为平台质心op，坐标轴xp，yp，zp分别与平台对应的三个惯性轴平行。遥感平台与六自由度平台坐标标定包括：遥感平台的本体坐标系与静态坐标系的转换取决于遥感平台的运动特性及姿态变化；静态坐标系与动态坐标系的转换取决于六自由度平台运动机构的角度关系。

飞行轨迹生成模块包含目标轨迹生成模块、遥感平台轨迹生成模块、视线矢量生成模块。目标轨迹生成模块以地球固连坐标系来定义目标飞行特性；遥感平台轨迹生成模块以地球惯性系考虑遥感平台的运动特性；视线矢量生成模块考虑目标与遥感平台的相对位置关系。

地球固连坐标系的定义为：以地心o为原点，z轴为地球的自转轴指向北极，x轴指向本初子午线，y轴按照右手螺旋定则确定。地球惯性坐标系的定义为：以地心oi为原点，xi轴指向春分点，zi轴为地球的自转轴指向北极，yi轴按照右手螺旋定则确定。

基于视线矢量生成模块和空间坐标标定模块的基础上，将目标相对遥感平台的视线矢量转换至六自由度平台坐标系下，该矢量作为指向控制模块的输入；指向控制模块比较遥感平台的初始指向位置和输入视线矢量两者间的偏差，将该偏差反演生成六自由度平台指向控制指令。

六自由度平台模块包括运动控制单元和六自由度平台机构。运动控制单元接收六自由度控制指令，采用自适应控制方式，转化为每个运动控制杆的运动控制指令并驱动；六自由度平台机构通过运动杆的复合运动实现安装平台的六自由度运动模拟。平台驱动机构由六根运动杆、上下两个平台以及上下各六只虎克铰组成。下平台固定在基础设施上，通过六根运动杆的伸缩运动，控制上平台在空间六个自由度(x,y,z,α,β,γ)运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。

所述的视线矢量指示模块安装于六自由度平台，实现遥感视场下空间目标视线的指示，用于整个模拟系统的验证。

如图1-4所示，本发明具体实现步骤如下：

步骤1：确定空间目标与遥感平台的相对位置关系。假定地球固连坐标系下空间目标坐标为pt(xt,yt,zt)，则空间目标在地球惯性坐标系下的pti(xti,yti,zti)表示为：

pti＝γci(ωe)pt

其中γci为从地球固连坐标系到地球惯性系的转换，ωe为地球自转角速度。

假定地球惯性系下遥感平台的位置为pyi(xyi,yyi,zyi)，则在地球惯性系下空间目标相对于遥感平台的视线矢量为：

步骤2：确定空间坐标的标定。在得到空间目标相对于遥感平台视线矢量的基础上，考虑遥感平台与六自由度平台间的坐标转换。先将惯性坐标系下描述的视线矢量转换到遥感平台本体坐标系下描述，假定遥感平台下视线矢量的表示为：

其中，表示从惯性系到平台本体系下的转换，ψ为偏航角，为滚动角，θ为俯仰角。

六自由度平台静态坐标系到动态坐标系的转换取决于六自由度平台运动机构的角度关系，遥感平台到静态坐标系的转换取决于遥感平台的运动特性，因此视线矢量在六自由度平台动态坐标系下的表示为

其中，为静态坐标系下遥感平台的位置矢量；为静态坐标系到动态坐标系的转换，ψd，θd取决于机构的运动角度。

步骤3：六自由度平台坐标系下视线矢量作为指向控制模块的输入，假定遥感平台的初始指向位置和输入视线矢量两者间的偏差为将该反演生成六自由度平台指向控制指令。

则由得到六自由度平台的转角变化：

步骤4：运动控制单元接收六自由度控制指令，采用自适应控制方式，转化为每个运动控制杆的运动控制指令并驱动；六自由度平台机构通过运动杆的复合运动实现安装平台的六自由度运动模拟。将转角变化转变为平台运动杆的行程变化：

(α,β,γ)^t＝f(l1,l2,l3,l4,l5,l6)，其中l1...l6为运动杆的行程长度。

步骤5：视线矢量指示模块安装于六自由度平台，实现遥感视场下空间目标视线的指示，用于整个模拟系统的验证。

综上可见，本发明的模拟系统，针对空间目标的飞行特性，实时解算遥感平台与动态目标的相对关系，并通过六自由度平台实现目标在遥感视场下飞行轨迹、运动特性的模拟，为验证目标动态跟踪的能力提供基础。本发明包括五个模块：空间坐标标定模块、飞行轨迹生成模块、指向控制模块、六自由度平台模块及视线矢量指示模块。空间坐标标定模块用于实现遥感平台与六自由度平台位置关系的标定，获取六自由度平台相对于遥感平台的坐标转换矩阵，便于目标在遥感平台坐标系下的视线矢量向六自由度平台坐标系进行转换及模拟；飞行轨迹生成模块用于目标相对遥感平台的视线矢量生成，包含三个子模块：目标轨迹生成模块、遥感平台轨迹生成模块、视线矢量生成模块；指向控制模块用于六自由度平台控制指令生成，将目标相对遥感平台的视线矢量转换至六自由度平台坐标系下，进而反演生成六自由度平台指向控制指令，实现视线矢量的指向控制；六自由度平台模块包含两部分：运动控制单元和六自由度平台机构。运动控制单元接收六自由度控制指令，转化为每个运动控制杆的运动控制指令并驱动；六自由度平台机构通过运动杆的复合运动实现安装平台的六自由度运动模拟；视线矢量指示模块安装于六自由度平台，实现遥感视场下空间目标视线的指示，用于整个模拟系统的验证。通过五个模块实现遥感平台视场下空间目标视线矢量的生成、六自由度平台控制指令生成，六自由度平台驱动指向，最终实现目标飞行特性在平台视场下的模拟，并通过视线矢量指示模块对模拟的正确性进行验证。本发明的模拟方法，可用于改善常规模拟器成像视场小的缺点，提高遥感系统的跟踪接收能力。本发明的模拟方法，通过引入六自由度平台，实现目标飞行特性在平台视场下的模拟，并通过视线矢量指示模块对模拟的正确性进行验证，实现空间目标在大视场范围内运动的仿真。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。