专利名称：一种用于深空探测的彗星光学点信号模拟方法
技术领域：
本发明属于航天导航技术领域，尤其涉及一种用于深空探测的彗星光学信号模拟 方法。
背景技术：
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远时，探测器观测到的是由彗核、彗发和背景亮度共同作用 的点信号，目前还没有较为有效的方法对彗星的点信号进行模拟，以获得目标彗星的准确 光学fe息。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于深空探测的彗星光学点信号模拟方法，以获得目标 彗星的准确光学信息。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种用于深空探测的彗星光学点信 号模拟方法，该方法的步骤如下
(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)依照彗星的点信号光学信号模型，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，并运用粒子系统对目标彗星的点信号进行重建；
(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。对目标彗星的点信号进行重建的具体步骤如下；
①在彗星的真实位置产生一定数目的新粒子，且每个粒子都有一个设定的较短的生命
期；
②更新现存粒子的属性粒子的生命期递减一个时间步长，其位置和速度属性按照下式进行更新1 —，其中代表粒子的速度，表示时间，表示
粒子的位置；而粒子的亮度更新则要按照点信号光学信号模型进行更新；
③检查彗星点信号粒子系统中粒子的生命期，若为0，则将粒子从系统中删除；
④添加太阳干扰模型；
⑤显示彗星点信号粒子系统中所有现存的粒子。彗星的点信号光学信号模型如下
其中，￡)iV指亮度等级， 是曝光时间，R和馬分别是观测和撞击时彗星相对太阳的距 离，Φ是曝光时彗核的转动相位，模型中参数a是彗发的亮度，参数是背景亮度，参数G是 彗核的亮度常值，^和、是周期系数。太阳干扰模型中太阳对光学探测器的简单影响模型如下式所示
不受太P日影响 ^ <7；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5为导航相机成像方向与太阳方 向直接的夹角，其公式如下
其中，探测器到太阳的距离为Γ，敏感器成像方向为矢量P。
本发明用于深空探测的彗星光学点信号模拟方法运用OpenGL三维图形库编程实现了 光学信号的模拟，对彗星的点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。
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是彗星点信号粒子系统生成流程图； 图5是探测器实拍“坦普尔1号”影像图； 图6是“坦普尔1号”实拍时本发明模拟器彗星模拟信号图。
具体实施例方式下面结合具体的实施方式对本发明做进一步介绍 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远时，探测器(探测器上装有导航相机)观测到的是由彗核、 彗发和背景亮度共同作用的点信号，由于点信号不光光是一个简单的点，它还有彗发所形 成的光晕包裹着，所以不能只绘制一个点来模拟，彗核周围是的彗发主要是由彗星接近太 阳时彗核中蒸发出来的气体和微小尘粒经光照所形成，因此不能简单的用一个亮点来模拟 该点信号，这样彗发的亮度信号将得不到正确的模拟，因此必须依据准确的数学模型来进 行模拟，根据W. M. Owen等的研究，在某一不变的角度上，彗发的亮度是随着1/ Δ (Δ指探测 器到彗星的距离)变化的，而彗核的亮度则是随着1/ Δ2而变化的。因为彗核被认为在形态 上是不规则的，所以彗核的的亮度同时也是转动相位的函数。W. Μ. Owen等同时也给出了彗星点信号亮度的模型，见公式(1)。该模型包括了彗 发亮度，彗核亮度(带一个傅里叶级数，用来处理转动相位的影响)和一个背景亮度常数。
其中，IW指亮度等级是曝光时间，R和尽分别是观测和撞击时彗星相对太阳的距 离，Φ是曝光时彗核的转动相位，模型中参数a是彗发的亮度，参数 是背景亮度，参数^是 彗核的亮度常值，&和 是周期系数。利用公式(1)就可以计算出在不同方位，不同距离
上，探测器所能观测到的亮度等级。2.太阳干扰模型
在彗星点信号的模拟过程中，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0，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，
通常，太阳对光学探测器的简单影响模型如下式所示，探测器对观测相角e都有一定限制，只有观测相角小于等于某一阈值指标 ；时，太阳
才会对成像产生干扰。3.彗星光学信号的模拟实现
如图3所示，本发明用于深空探测的彗星光学信号模拟方法以彗星的光学信号为基 础，在VC++6. 0中，运用OpenGL三维图形库编程实现了光学信号的模拟，首先利用现有的成 熟技术绘制出具有准确时空关系和亮度等级的星空背景，具体过程可描述如下在利用星 历表中的数据计算得到恒星的精确位置，以及恒星的星等值后，利用OpenGL三维图形库对 星空背景进行三维重建，恢复恒星在空间中的位置，将恒星星等线性映射到0，1区间，利 用OpenGL绘制三维点来表示恒星，利用函数指定不同亮度(颜色)来区分不同的照在星 空背景绘制完成后，依照彗星的点信号光学信号模型，运用粒子系统对彗星的点信号进行 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，计算出需要显示的区 域，生成相应方向的模拟信号(该计算过程相当于将照相机指向要显示的方向拍照)，其具 体过程根据模拟器输入的时间，观测平台的位置和导航相机的指向计算出彗星在导航相 机中的位置，其中位置计算公式如(4)
上式中坐标单位为光年，W)的为彗星的赤经、赤纬，单位为弧度。r为彗星到地球
的距离。利用OpenGL图形开发包，采用粒子系统，完成相应得彗星点信号模拟。模拟信号 生成后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。粒子系统是一种过程模型，即利用各种计算过程生成模型中各个体素的建模技 术。一个粒子系统由大量称为粒子的简单体数构成。每个粒子有一组属性，如位置、速度、 颜色和生命期。一个粒子究竟有什么样的属性，主要取决于具体的应用。粒子的初值由随 机过程产生。粒子系统将物体的几何和行为组合在一个有机模型中。彗星点信号的行为较 为简单，只是点光源隐隐的闪烁行为。几何模型也较为简单，是一个有光晕包围的点，这里 采用一个像素来代表粒子系统中每个粒子的几何模型。如图4所示，生成彗星点信号粒子系统的过程如下
第一步，在彗星的真实位置产生一定数目的新粒子。在彗星的位置处，由程序给定一 定数目，具有生命周期 、位置s、速度ν和亮度B等属性的过程对象。如果某些粒子不应删 除，则可以赋予它无限长的生命期。在这里我们让每个粒子有个较短的生命周期。第二步，更新现存粒子的属性。在该步中，粒子的生命期递减一个时间步长。这步 是点信号模拟成功的关键，位置和速度属性可以如式(5)更新
而粒子的亮度更新则要按照式(5)的光学模型进行更新。第三步，检查彗星点信号粒子系统中粒子的生命期，若为0，则将粒子从系统中删 除。在添加太阳干扰的模型中，当探测器对太阳的观测相角6小于等于某一阈值指标 ^时，太阳会对成像产生干扰。这时，相机的镜头会曝光过度，所以此时，点成像为一片模
糊。当探测器对太阳的观测相角大于该阈值指标4时，则不考虑太阳干扰模型。最后一步是显示彗星点信号粒子系统中所有现存的粒子。判断每个粒子的生命周 期等于0，结束则删除该粒子，不再显示该粒子，如果生命周期大于0，则该粒子仍然存在， 继续显示该粒子。这样有一定数目的粒子不断的进行着从产生到消亡的过程，综合起来就 形成了一颗星光闪闪的彗星。4.本发明用于深空探测的彗星点光学信号模拟方法的实验验证
为了验证本发明提出的彗星点光学信号方法的可行性和适用性，以“深空撞击”探测任 务为背景，模拟探测器在接近目标天体时对目标彗星成像信号在以本发明方法为核心的 模拟器系统中输入时间、探测器的位置、光学相机指向等参数后，由工作站生成相应的光学 信号并显示在高分辨率显示器上，其比较结果如下图5是2005年6月30日“深度撞击” 探测器上所拍摄到的“坦普尔1号”影像，当时该探测器距离“坦普尔1号”彗星3262030. 3 公里，图6为相应时间的彗星模拟信号。从试验结果可以看出，本发明用于深空探测的彗星光学信号模拟方法所生成的光 学信号与深度撞击中探测器实际拍摄到的信号强度和相对位置关系正确，满足精度要求， 可以为彗星撞击实验中光学导航相机提供准确的光学模拟信号。
权利要求
一种用于深空探测的彗星光学点信号模拟方法，其特征在于该方法的步骤如下(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)依照彗星的点信号光学信号模型，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，并运用粒子系统对目标彗星的点信号进行重建； (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。
2.权利要求1所述的用于深空探测的彗星光学点信号模拟方法，其特征在于对目标 彗星的点信号进行重建的具体步骤如下；①在彗星的真实位置产生一定数目的新粒子，且每个粒子都有一个设定的较短的生命期；②更新现存粒子的属性粒子的生命期递减一个时间步长，其位置和速度属性按照下 式进行更新 ，其中代表粒子的速度，表示时间，表示粒子的 位置；而粒子的亮度更新则要按照点信号光学信号模型进行更新；③检查彗星点信号粒子系统中粒子的生命期，若为0，则将粒子从系统中删除；④添加太阳干扰模型；⑤显示彗星点信号粒子系统中所有现存的粒子。
3.权利要求1所述的用于深空探测的彗星光学点信号模拟方法，其特征在于彗星的 点信号光学信号模型如下 其中，DF指亮度等级，！是曝光时间，i 和馬分别是观测和撞击时彗星相对太阳的距 离是曝光时彗核的转动相位，模型中参数a是彗发的亮度，参数是背景亮度，参数^是彗核的亮度常值，Q和、是周期系数。
4.权利要求1所述的用于深空探测的彗星光学点信号模拟方法，其特征在于太阳光 照模型中太阳对光学探测器的简单影响模型如下式所示
5.权利要求4所述的用于深空探测的彗星光学点信号模拟方法，其特征在于在日心 黄道坐标系中，探测器对太阳的观测相角d力导航相机成像方向与太阳方向直接的夹角， 其公式如下 其中，探测器到太阳的距离r，敏感器成像方向为矢量P。
全文摘要
本发明提供了一种用于深空探测的彗星光学点信号模拟方法，运用OpenGL三维图形库编程实现了光学信号的模拟，对彗星的点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。
文档编号G01C21/00GK101915577SQ201010232878
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月21日 优先权日2010年7月21日
发明者何钰, 周杨, 孙伟, 张衡, 徐青, 施群山, 李建胜, 蓝朝桢, 邢帅, 靳国旺, 马东洋, 龚志辉 申请人:中国人民解放军信息工程大学