空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验方法及系统与流程

本发明涉及空间目标模拟试验技术，尤其涉及一种空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验方法及系统。

背景技术：

空间目标在轨观察实验中，目标在光学测量设备上形成的图像与空间光辐射源、目标和测量设备的相对位置及辐射有密切关系，该图像中目标的形状和亮度分布对目标的观察有很大的影响。

因此，亟待提供一种空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验系统及方法，实现在地面模拟在轨目标的几何场景。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中的至少一部分技术问题，提供了一种空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验方法及系统。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面，提供了一种空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验方法，所述方法包括：

通过安装在球形容器内部的三维运动模拟器承载目标并模拟目标俯仰、偏航和自旋姿态运动；

通过安装在球形容器顶部的光辐射源模拟目标所在空间环境光辐射；

通过安装在球形容器子午面上的测量设备获取目标多角度的光学特性数据，所述测量设备安装于球形容器子午面的全向测试轨道上且沿经线方向运动。

在根据本发明所述的空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验方法中，优选地，所述方法还包括：

通过位于球形容器赤道面不同方位上的多个光学特性观测窗口以及每个光学特性观测窗口中设置的测量设备获取目标多角度的光学特性数据。

在根据本发明所述的空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验方法中，优选地，所述三维运动模拟器包括：自旋运动机构、俯仰运动机构和偏航运动机构；

所述偏航运动机构包括安装基座、弧形轨道支柱、圆弧齿轮传动机构、以及偏航电机；所述偏航电机通过所述圆弧齿轮传动机构带动弧形轨道支柱以重心轴z为转轴进行转动；

所述俯仰运动机构包括：弧形轨道、俯仰运动小车、俯仰电机和齿轮齿条传动机构；所述弧形轨道安装在所述弧形轨道支柱上，所述俯仰运动小车安装在所述弧形轨道上，所述俯仰电机通过齿轮与固定在弧形轨道中间的齿条实现俯仰运动小车沿弧形轨道的上下运动，以与目标自身纵向对称轴x和弧形轨道所构成平面相垂直的y轴为转轴进行转动；

所述自旋运动机构包括：自旋机构底座、目标安装花盘、齿轮传动组合以及自旋电机；所述自旋机构底座固定安装在所述俯仰运动小车上，与俯仰运动机构实现连接，目标安装花盘安装在自旋机构底座上，目标固定于所述自旋运动机构的目标安装花盘上，由所述自旋电机通过所述齿轮传动组合带动，以目标自身纵向对称轴x为轴心而转动。

在根据本发明所述的空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验方法中，优选地，所述三维旋转模拟器还包括：液氮冷却系统；

所述液氮冷却系统包括位于弧形轨道外侧表面的冷板，以及贴附于所述冷板的液氮管道；所述液氮管道包括相互连通的进液管道和出液管道。

在根据本发明所述的空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验方法中，优选地，所述方法还包括：

根据预设的光辐射源与观测方位俯仰角进行坐标转换处理，获得三维运动模拟器的转台旋转角发送给所述三维运动模拟器控制其模拟目标俯仰、偏航和自旋姿态运动。

在根据本发明所述的空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验方法中，优选地，所述方法中的坐标转换处理包括：定义两个坐标系为：固定坐标系ot-xtytzt，转台坐标系oz-xzyzzz，xtotyt平面与xzozyz平面平行，ot在球形容器中心，oz在三维旋转模拟器中心；

所述固定坐标系下能获得所述测量设备和光辐射源的俯仰角和方位角；所述转台坐标系下能获得所述三维旋转模拟器的转台旋转角；

设测量设备在固定坐标系中的坐标为ot0、在转台坐标系中的坐标为oz0，坐标中包含有俯仰角和方位角，根据转台旋转方式得到oz0，进一步求解出测量设备在转台坐标系中的方位角和俯仰角，再进一步将转台坐标系中的方位角和俯仰角转换为三维旋转模拟器的转台旋转角。

本发明还提供了一种空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验系统，所述系统包括：

球形容器；

置于所述球形容器顶部的光辐射源，用于模拟目标所在空间环境光辐射；

置于所述球形容器内部的三维运动模拟器，用于承载目标并模拟目标俯仰、偏航和自旋姿态运动；

位于球形容器子午面上的全向测试轨道，以及安装在所述全向测试轨道上用于沿经线方向运动的测量设备。

在根据本发明所述的空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验系统中，优选地，所述系统还包括：位于球形容器赤道面不同方位上的多个光学特性观测窗口，其中每个光学特性观测窗口中设置有至少一个测量设备。

在根据本发明所述的空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验系统中，优选地，所述三维运动模拟器包括：自旋运动机构、俯仰运动机构和偏航运动机构；

所述偏航运动机构包括安装基座、弧形轨道支柱、圆弧齿轮传动机构、以及偏航电机；所述偏航电机通过所述圆弧齿轮传动机构带动弧形轨道支柱以重心轴z为转轴进行转动；

所述俯仰运动机构包括：弧形轨道、俯仰运动小车、俯仰电机和齿轮齿条传动机构；所述弧形轨道安装在所述弧形轨道支柱上，所述俯仰运动小车安装在所述弧形轨道上，所述俯仰电机通过齿轮与固定在弧形轨道中间的齿条实现俯仰运动小车沿弧形轨道的上下运动，以与目标自身纵向对称轴x和弧形轨道所构成平面相垂直的y轴为转轴进行转动；

所述自旋运动机构包括：自旋机构底座、目标安装花盘、齿轮传动组合以及自旋电机；所述自旋机构底座固定安装在所述俯仰运动小车上，与俯仰运动机构实现连接，目标安装花盘安装在自旋机构底座上，目标固定于所述自旋运动机构的目标安装花盘上，由所述自旋电机通过所述齿轮传动组合带动，以目标自身纵向对称轴x为轴心而转动。

在根据本发明所述的空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验系统中，优选地，所述系统还包括：

控制装置，与所述三维运动模拟器和测量设备相连，用于根据预设的观测与光辐射源方位俯仰角进行坐标转换处理，获得三维运动模拟器的转台旋转角发送给所述三维运动模拟器控制其运转。

实施本发明的空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验方法和系统，具有以下有益效果：

1、本发明通过安装在球形容器顶部的光辐射源模拟目标所在空间环境光辐射，通过三维运动模拟器承载目标并模拟目标俯仰、偏航和自旋姿态运动，并由安装在球形容器子午面上的测量设备获取目标多角度的光学特性数据，实现空间光学探测几何场景多角度动态模拟。

2、本发明通过将在轨目标、测量设备及光辐射源的空间位置，通过转换算法为转换为实验装置的角度关系，最终实现了在地面模拟在轨目标的相对角度关系，获得了与飞行过程中测量设备所看到的相同图像，角度模拟误差小于0.3°，辐射亮度分布相同。

3、本发明中通过位于球形容器赤道面和子午面上的多个测量设备分别测量目标多角度的光学特性数据。

4、本发明的三维运动模拟器，通过设计的自旋运动机构、俯仰运动机构和偏航运动机构串联方式，实现了空间目标自旋、俯仰及偏航三个维度姿态运动的模拟，并且通过弧形轨道俯仰机构的设计使被测试目标有效避免了顶部模拟太阳光被运动模拟机构遮挡，确保了模拟目标在阳光照射下的真实性。

5、本发明的采用了液氮冷却系统，遮挡了运动电机保温带来的热辐射干扰，能够满足在具有模拟光辐射源的高真空低温环境下三维复合运动目标的红外辐射特性测量需求。通过本装置的采用，将有效避免红外测试中俯仰运动小车及其中电机对空间目标真实红外特性的干扰，提升空间目标辐射测量结果的准确性。

附图说明

图1为根据本发明优选实施例的空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验系统的原理示意图；

图2为空间观测场景中太阳与目标角度对应关系图；

图3为空间观测场景中测量设备与目标角度关系图一；

图4为空间观测场景中测量设备与目标角度关系图二；

图5为探测方向与光照方向夹角示意图；

图6为光照方向与目标轴线夹角示意图；

图7为目标轴线与观测方向夹角示意图；

图8为根据本发明优选实施例的空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验系统中赤道面上光学特性观测窗口分布示意图；

图9为根据本发明优选实施例的空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验系统中固定坐标系与转台坐标系的关系图；

图10为根据本发明优选实施例的空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验系统中三维运动模拟器的结构图；

图11为根据本发明优选实施例的空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验系统中液氮冷却系统安装结构图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

请结合参阅图1，为根据本发明优选实施例的空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验系统的原理示意图。如图所示，该空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验系统至少包括：球形容器1、光辐射源2、三维运动模拟器3、全向测试轨道4和测量设备5。

其中球形容器1为大直径球形真空、低温容器，直径优选为10-30m。

光辐射源2安装于球形容器1的顶部，向下产生光照。该光辐射源2包括但不限于用于模拟空间环境中太阳照射的太阳模拟器。

三维运动模拟器3置于球形容器1内部，用于承载目标6并模拟目标俯仰、偏航和自旋姿态运动。该三维运动模拟器3又可称为转台。

全向测试轨道4位于球形容器1的子午面上，测量设备5安装在全向测试轨道4上沿经线方向运动。如图1中测量设备5可沿全向测试轨道4上上下运动。

本发明可以在球形容器内建立统一的测量基准坐标系，根据转换关系计算解出的每个时刻目标姿态、光照、探测视线间的角度关系，驱动控制球型容器1内目标姿态运动和测量设备5的行走运动。

本发明可以空间光学探测几何场景多角度动态模拟。

首先，建立空间观测场景(包含空间测量设备、太阳和航天器)到地面试验系统(全向测量机构测量设备、太阳模拟器、目标)的空间三维角度映射关系。

空间观测场景中太阳与目标角度对应关系如下图2所示，设目标位置为[x1y1z1],姿态为[yawpitchroll]，太阳位置为[x2y2z2]，则太阳与目标轴线夹角(目标光照角)具体计算公式如下：

θ＝φ-pitch

空间观测场景中测量设备与目标角度关系如图3所示，设目标位置为[x1y1z1],姿态为[yawpitchroll]，测量设备位置为[x2y2z2],则测量设备与目标轴线夹角(目标观测角)具体计算公式同上如下：

λ＝φ-pitch

空间观测场景中测量设备与目标角度关系如图4所示，设目标位置为[x1y1z1],姿态为[yawpitchroll]，测量设备位置为[x2y2z2],太阳位置为[x3y3z3]；则测量设备与目标连线与太阳与目标连线的夹角(观测光照角)具体计算公式如下：

为复现观测目标几何角度变化，本发明将地面试验系统设计为球形。将目标置于球形容器球心，由三维运动模拟器承载目标并模拟目标俯仰、偏航、自旋姿态运动，利用容器子午面上全向测量轨道和安装在全向测量轨道上可以沿经线方向运动的测量设备模拟探测角度变化，光辐射源如太阳模拟器安装在球形容器顶部。

本发明可复现以下观测几何角度关系：

a)观测光照角0°～180°

光辐射源位置和方向固定，通过全向测试轨道使测量设备沿容器经线纵向运动，实现测量方向和光照方向的不同夹角。观测光照角变化范围0°～180°，如图5所示。

b)目标光照角0～180°

通过目标三维运动模拟器的俯仰角的变化可实现太阳光对目标的不同方向的照射，目标光照角范围0～180°，如图6所示。

c)目标观测角0～180°

通过目标三维运动模拟器的偏航角的变化可实现观测设备对目标的不同方向的观测，目标观测角变化范围0～180°，如图7所示。

综合a)、b)、c)，系统在空间环境模拟器内可完成目标光照角0～180°，目标观测角0～180°，观测光照角0°～180°各种角度组合关系及连续变化过程模拟。

在本发明更优选的实施例中，该系统还包括：位于球形容器1赤道面不同方位上的多个光学特性观测窗口，其中每个光学特性观测窗口中设置有至少一个测量设备，如图8所示，在位于赤道面上的各个角度增设了多个测量设备。本发明中位于赤道面和子午面上的测量设备包括但不限于：用于获取可见光、红外和/或紫外测量数据的测量设备。

在本发明更优选的实施例中，该系统还包括：控制装置，与三维运动模拟器和测量设备相连，用于根据预设的观测与光辐射源方位俯仰角进行坐标转换处理，获得三维运动模拟器的转台旋转角发送给所述三维运动模拟器控制其运转。具体地，为了测量不同方位和角度下的目标辐射特性，需要通过坐标转换算法，将所输入的太阳照射俯仰、方位角和测量设备的俯仰、方位角等地面坐标系下的参数转换为测试转台和轨道等试验装置坐标系下的角度，测量时通过控制转台等旋转到指定角度即可实现试验所需的探测方位、俯仰角和太阳照射方位、俯仰角。转换方法如下：

1、坐标系定义

如图9所示，假设设备固定坐标系为(相当于地面坐标系)：ot-xtytzt，转台坐标系(相当于目标坐标系)为：oz-xzyzzz；xtotyt平面与xzozyz平面平行，zt轴与zz轴重合，ot在球形容器中心，oz在ot正下方，oz在转台中心。

俯仰角定义：是方向矢量与矢量在xoy面(xtotyt或xzozyz)内的投影的夹角，当矢量z分量大于0时，为正，小于0时为负，角度在(-90～90°)之间。

方位角定义：是方向矢量在xoy面内的投影与+x轴的夹角，当矢量y分量大于0时，为正，小于0时为负，角度在(-180～180°)之间。

所以当方位角为θx、俯仰角为θy时，则方向矢量表示为：

相应有：

2、太阳与观测位置表示

假定球形容器的半径为r，转台中心在固定坐标系中的坐标表示为(即转台中心在固定坐标系中心下方距离t)，假定太阳模拟器在转台坐标系下的入射方位角、俯仰角为(α1，β1)，则太阳模拟器在固定坐标系中的坐标st0、在转台坐标系中的坐标sz0分别为：

假定观测位置在固定坐标系中的方位角、俯仰角为θ4、θ5，在转台坐标系下方位角、俯仰角为(α2，β2)，则观测位置在固定坐标系中的坐标ot0，在转台坐标系中的坐标oz0为：

其中，

3、坐标转换

设转台的方位角(也叫下圆弧转角)为θ1(-180°～180°)、俯仰角(也叫中圆弧转角)为θ2(0°～-150°)、自转角也叫(上圆弧转角)为θ3(-180°～180°)，根据转台旋转方式可知：令

式中，ci＝cosθi、si＝sinθi。

考虑到坐标平移，则有：

根据上述两式则有，

根据坐标转换关系有：

其中，有θ0＝θ1-θ4，c0＝cos(θ0)、s0＝sin(θ0)。则有：

将(7)、(8)公式得到的太阳位置和观测位置进行归一化，然后根据公式(1)即可求解出其在转台坐标系中的方位角和俯仰角，此处不再赘述。

4、在转台坐标系下，将观测位置与太阳位置的方位、俯仰角转换为转台旋转角：

求解θ2、θ3

由公式(7)可知：

根据式(9)、(3)，此时计算方向不考虑r、t，可得：

(1)当θ2∈[-150,0]时，θ2＝-cos^-1(t3)，此时θ2有唯一解。

(2)当θ3∈[-180,180]时，有

特例，s2＝0时,θ3为任意值，可假定为θ3＝0

θ3有唯一解；

求解θ5、θ0

由式(8)可得：

可得：

a[k3c2-(k1c3-k2s3)s2]＝(rs5-t)(10)

令k0＝k3c2-(k1c3-k2s3)s2，则有

当t＝0时s5为第一观测面(即赤道面)，当t≠0时，s5在非赤道面上，由上式解出s5，即可求出θ5，根据下式求得θ0：

5、在获得太阳模拟器和测量设备方位角、俯仰角关于转台坐标系下的转台旋转角度后，实际测试时通过控制这些转台旋转角就可以获得所需的观测位与太阳位的方位角、俯仰角进行测量。

请参阅图10，为根据本发明优选实施例的空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验系统中三维运动模拟器的结构图。

该三维运动模拟器3包括：自旋运动机构、俯仰运动机构和偏航运动机构。

其中，偏航运动机构包括安装基座301、弧形轨道支柱302、圆弧齿轮传动机构303、以及偏航电机304。其中，偏航电机301通过所述圆弧齿轮传动机构303带动弧形轨道支柱302以重心轴z为转轴，在±90°范围内，以一定的转速作匀速转动，旋转角度由偏航电机304控制。

俯仰运动机构包括：弧形轨道305、俯仰运动小车306、俯仰电机307和齿轮齿条传动机构。齿轮齿条传动机构包括齿轮308和齿条309。弧形轨道305安装在弧形轨道支柱302上，俯仰运动小车306安装在弧形轨道305上，俯仰电机307通过齿轮308与固定在弧形轨道305中间的齿条309实现俯仰运动小车306沿弧形轨道305的上下运动，以与目标自身纵向对称轴x和弧形轨道所构成平面相垂直的y轴为转轴进行转动，以一定的转速在一定的俯仰角范围内，作匀速运动，可由电机控制作双向、定角度转动，旋转角度由伺服电机控制。

自旋运动机构包括：自旋机构底座310、目标安装花盘311、齿轮传动组合312以及自旋电机313。其中自旋机构底座310固定安装在俯仰运动小车306上，与俯仰运动机构实现连接，目标安装花盘311安装在自旋机构底座310上，目标固定于目标安装花盘311上，由所述自旋电机313通过所述齿轮传动组合312带动，以目标自身纵向对称轴x为轴心，以一定角速度匀速转动。

在本发明的更优选实施例中，如图11所示，还在三维运动模拟器中安装了液氮冷却系统。如图11所示，该液氮冷却系统包括位于弧形轨道外侧表面的冷板314，以及贴附于所述冷板314的液氮管道。弧形轨道每一侧的液氮管路由一根完整管道构成，包括连通的进液管道315和出液管道316，沿弧形俯仰轨道外侧固定铺设，二者之间加隔热材料垫片，通过液氮的循环流动可以有效降低弧形轨道外侧的冷板温度，达到屏蔽内部轨道、俯仰运动小车及内部电机等部件热辐射的作用，对目标红外特性的测量主方向即与目标纵轴垂直的方向，能够大幅降低目标以外热源的干扰，实现运动模拟的同时确保目标测量时受到的干扰最小。

三维运动模拟器优选采用空腹框架结构，以减轻质量，由干轴承处理的真空电机、干润滑处理直角精密减速器、齿轮、齿条传动机构等部分组成，结构材料采用不锈钢，外表面进行抛光并喷涂特种黑漆。弧形轨道外部热沉由冷板及内部液氮管路组成，

因此，本发明的三维运动模拟器，通过设计的自旋运动机构、俯仰运动机构和偏航运动机构串联方式，实现了空间目标自旋、俯仰及偏航三个维度姿态运动的模拟。由于采用了液氮冷却系统，遮挡了运动电机保温带来的热辐射干扰，能够满足在具有光辐射源的高真空低温环境下三维复合运动目标的红外辐射特性测量需求。通过弧形轨道俯仰机构的设计使被测试目标有效避免了顶部模拟太阳光被运动模拟机构遮挡，确保了模拟目标在阳光照射下的真实性。通过本装置的采用，将有效避免红外测试中俯仰运动小车及其中电机对空间目标真实红外特性的干扰，提升空间目标辐射测量结果的准确性。

本发明还相应提供了一种空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验方法，该方法可以基于前述空间光学探测几何场景多角度动态模拟试验系统实现。该方法包括以下步骤：

1)通过安装在球形容器内部的三维运动模拟器承载目标并模拟目标俯仰、偏航和自旋姿态运动；

2)通过安装在球形容器顶部的光辐射源模拟目标所在空间环境光辐射；

3)通过安装在球形容器子午面上的测量设备获取目标多角度的光学特性数据，所述测量设备安装于球形容器子午面的全向测试轨道上且沿经线方向运动。

所述方法还包括：通过位于球形容器赤道面不同方位上的多个光学特性观测窗口以及每个光学特性观测窗口中设置的测量设备获取目标多角度的光学特性数据。本发明方法中获取的光学特性数据包括但不限于：可见光、红外和紫外测量数据。

优选地，该方法还包括：根据预设的光辐射源与观测方位俯仰角进行坐标转换处理，获得三维运动模拟器的转台旋转角发送给所述三维运动模拟器控制其模拟目标俯仰、偏航和自旋姿态运动。

优选地，所述方法中的坐标转换处理如前所述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。