一种空间目标光学特性实测条件的室内模拟方法技术

本发明专利技术提供一种空间目标光学特性实测条件的室内模拟方法，其包括：步骤1，布置空间目标光学特性实测条件模拟的装置：步骤2，建立空间目标模型的本体坐标系；步骤3，建立室内模拟装置的参考坐标系；步骤4，定义光源矢量VL、探测器矢量VD；步骤5，建立辅助坐标系；步骤6，零时刻将本体坐标系三轴分别与参考坐标系三轴重合，探测器矢量VD与光源矢量VL平行；步骤7，某时刻t，真实卫星光照及探测角度变化后，获取真实卫星上从该时刻t到零时刻的角度变化，根据上述三个坐标系调整该室内模拟系统，实现真实空间目标光照与观测条件的模拟，进一步实现真实空间目标观测过程的模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种空间目标光学特性实测条件的室内模拟方法
本专利技术属于空间目标光学特性测量领域，尤其涉及一种空间目标光学特性实测条件的室内模拟方法。
技术介绍
空间目标光学特性室内模拟技术，是采用设备和方法在实验室模拟空间目标所面临的空间光照条件、同时模拟光源-目标-探测器的相对几何关系，目的是实现对实际观测过程(地基望远镜观测、天基载荷观测)和观测数据的平行模拟。采用实验室模拟，可以辅助建立目标光学特性的各类理论模型、可以比对实际观测数据来研究目标形状、相位角、材料特性、旋转特性等多类因素对目标光学特性的影响，以更有效的识别已知和未知的在轨目标。空间目标光学特性室内模拟装置的关键技术之一是装置的几何布局与角度映射方法。空间目标光学特性室内模拟技术在模拟光源-目标-探测器的相对几何关系时，由于条件限制，在实验室构建和实际观测情况下直接对应的“以卫星本体坐标为基准”的设备布局方法，即目标模型不动，太阳模拟器绕着目标作任意角度的2轴旋转、探测器同时也绕着目标模型作任意角度的2轴旋转，是不可行的。原因是空间不够大、太阳模拟器和接收器通常较重，转动机构承重限制不能支撑他们并保证精度，如图1所示。因此在实验室模拟装置的建设时，需要建立适合于实验室条件下的装置布局，并且采用角度映射的办法，实现与实际观测等效并容易实现的相对几何关系。已有的室内模拟装置，如美国OpticalMeasurementsCenter(OMC)atNASA/JSC，(NationalAeronauticsandSpaceAdministration/JohnsonSpaceCenter)(国家航空航天局/约翰逊空间中心的光学测量中心)的相关装置，如图2所示。美国OMC光学测量中心主要开展空间碎片的室内光学特性测量，其采用了角度映射的方法把测量空间映射到水平面内。如图2所示，目标模型位于实验室中心的工业机械臂上，可操纵其实现三轴转动。一座横梁支架横跨整个实验室，横梁下方有一条围绕实验场中心轴旋转的旋臂，光源位于旋臂的长臂一端，短臂一端固定黑背景用于吸收杂散光并用配重平衡，探测器固定在实验室一侧不动并始终指向待测目标。该系统优点是全系统用计算机控制，采用“3+1”轴的操控方式，只需操作机械臂调整目标本身三轴姿态，而光源和探测器之间的观测相位角可始终保持在水平面单轴变化，无需上下移动。这一装置实现了目标任意角度光照和观测的同时，较以卫星本体坐标为基准的设备布局方法大大简化了设备布置，降低了成本。但是该方案存在着不足之处：该方案为实现旋臂的360度旋转需要较大的圆形实验空间，需建立专用大面积实验室。中央机械臂虽然能实现目标的三轴姿态控制，但其承重能力小、姿态角精度低、中心点稳定度不足。另外对于大尺寸目标测量，需要使用大口径太阳模拟光源，其体量较大难以在旋臂上安装使用，因此该方案仍只适用于低精度模拟测量小尺寸空间碎片的光学特性。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种空间目标光学特性实测条件的室内模拟方法。本方法仅用原本一半的空间，并简捷的实现了空间目标任意姿态、任意光照角度下，高角度精度、大尺寸模型的光学特性的测量。本专利技术的空间目标光学特性实测条件的室内模拟方法，其包括：步骤1，布置空间目标光学特性实测条件模拟的装置：步骤1-1，选取所述装置的各个部件，所述部件包括：光源(1)、反射镜(2)、三轴转台(3)、探测器(4)、探测器导轨(5)、空间目标模型(6)和探测器支架(7)；步骤1-2，在室内选取一半圆区域，在半圆区域内布置所述各个部件：在半圆区域的圆心处安装三轴转台(3)；在所述半圆区域外部安装光源(1)、反射镜(2)，将光源(1)发出的光通过反射镜(2)反射至安装于三轴转台(3)的空间目标模型(6)上；将探测器支架(7)一端安装探测器(4)，另一端与三轴转台连接，使其围绕三轴转台进行180度运动，且运动轨迹为所述半圆区域的圆弧，探测器支架转轴设为Axis0，通过其转动控制光源、目标模型、探测器三者的观测相位角；选取半六边形的探测器导轨(5)，将该探测器导轨(5)的中心与半圆区域的圆心重合，并将探测器支架(7)通过活动支点配件可活动的连接于探测器导轨(5)，使所述活动支点配件可沿探测器导轨(5)运动，同时可沿探测器支架(7)的延伸方向运动；设计三轴转台(3)：所述三轴转台(3)包括底座(31)、第一支撑臂(32)、第二支撑臂(33)和第三支撑臂(34)，将底座(31)固定于地面上，第一支撑臂(32)可转动的安装于底座(31)上，转轴设为Axis1，并通过第一支撑臂(32)的转动控制空间目标模型(6)相对于光源方向的偏航角；将第二支撑臂固定于第一支撑臂(32)上，第三支撑臂(34)可转动的安装于第二支撑臂(33)上，转轴设为Axis2，通过第三支撑臂(34)的转动控制空间目标模型(6)相对于光源方向的滚动角；第三支撑臂(34)两端均设有延伸段，将空间目标模型(6)安装于两延伸段之间，空间目标模型(6)围绕的转轴为Axis3，通过空间目标模型(6)的转动调整空间目标模型(6)相对于光源方向的俯仰角；上述Axis1垂直于地面，Axis2平行于地面，通过第三支撑臂(34)的转动使得Axis3在一个平面内转动，该平面垂直于Axis2；空间目标模型(6)位于Axis1、Axis2和Axis3的交点上；步骤2，建立空间目标模型的本体坐标系OXYZ：原点O在空间目标模型(6)的几何中心上，Z轴对应真实卫星的有效载荷指向，Y轴对应真实卫星的卫星帆板轴指向，X轴相对于Y轴和Z轴满足右手定律；步骤3，建立室内模拟装置的参考坐标系OX’Y’Z’，相对于实验室空间固定：原点O在三轴转台(3)的旋转中心上，与空间目标模型(6)中心重合，X’轴从空间目标模型(6)的几何中心开始，指向反射镜(2)中心，Y’轴从空间目标模型(6)的几何中心开始，垂直于地面，指向上方，Z’轴相对于X’轴和Y’轴满足右手定律；步骤4，定义光源矢量VL、探测器矢量VD：光源矢量VL从空间目标模型(6)的几何中心开始，指向反射镜(2)的中心，探测器矢量VD从空间目标模型(6)的几何中心开始，指向探测器(4)；步骤5，以参考坐标系中的OX’Z’面作为参考平面，作本体坐标系中的Y轴在该参考平面上的投影，获得矢量PY，以该矢量PY为Z”轴，以参考坐标系中的Y’轴为Y”轴，以过O垂直于OY”Z”面的矢量为X”轴，建立辅助坐标系OX”Y”Z”；步骤6，零时刻，探测器(4)位于光源矢量VL上，本体坐标系XYZ三轴分别与参考坐标系X’Y’Z’三轴重合，探测器矢量VD与光源矢量VL平行；步骤7，某时刻t，真实卫星光照及探测角度变化后：获取真实卫星上从该时刻t到零时刻的观测相位角变化量PhaseAngle，滑动探测器支架且滑动角度为PhaseAngle，使得VL和VD间的夹角等于PhaseAngle；获取真实卫星上从该时刻t到零时刻的偏航角变化量BaseAngle，控制第一支撑臂绕轴Axis1转动且转动角度为BaseAngle，使得辅助坐标系中X”轴和参考坐标系中X’轴的夹角等于BaseAngle；获取真实卫星上从该时刻t到零时刻的目标滚动角变化量RollAngle，控制第三支撑臂绕轴Axis2转动且转动角度为Roll本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间目标光学特性实测条件的室内模拟方法，其特征在于，包括：步骤1，布置空间目标光学特性实测条件模拟的装置：步骤1‑1，选取所述装置的各个部件，所述部件包括：光源(1)、反射镜(2)、三轴转台(3)、探测器(4)、探测器导轨(5)、空间目标模型(6)和探测器支架(7)；步骤1‑2，在室内选取一半圆区域，在半圆区域内布置所述各个部件：在半圆区域的圆心处安装三轴转台(3)；在所述半圆区域外部安装光源(1)、反射镜(2)，将光源(1)发出的光通过反射镜(2)反射至安装于三轴转台(3)的空间目标模型(6)上；将探测器支架(7)一端安装探测器(4)，另一端与三轴转台连接，使其围绕三轴转台进行180度运动，且运动轨迹为所述半圆区域的圆弧，探测器支架转轴设为Axis 0，通过其转动控制光源、目标模型、探测器三者的观测相位角；选取半六边形的探测器导轨(5)，将该探测器导轨(5)的中心与半圆区域的圆心重合，并将探测器支架(7)通过活动支点配件可活动的连接于探测器导轨(5)，使所述活动支点配件可沿探测器导轨(5)运动，同时可沿探测器支架(7)的延伸方向运动；设计三轴转台(3)：所述三轴转台(3)包括底座(31)、第一支撑臂(32)、第二支撑臂(33)和第三支撑臂(34)，将底座(31)固定于地面上，第一支撑臂(32)可转动的安装于底座(31)上，转轴设为Axis 1，并通过第一支撑臂(32)的转动控制空间目标模型(6)相对于光源方向的偏航角；将第二支撑臂固定于第一支撑臂(32)上，第三支撑臂(34)可转动的安装于第二支撑臂(33)上，转轴设为Axis2，通过第三支撑臂(34)的转动控制空间目标模型(6)相对于光源方向的滚动角；第三支撑臂(34)两端均设有延伸段，将空间目标模型(6)安装于两延伸段之间，空间目标模型(6)围绕的转轴为Axis3，通过空间目标模型(6)的转动调整空间目标模型(6)相对于光源方向的俯仰角；上述Axis 1垂直于地面，Axis2平行于地面，通过第三支撑臂(34)的转动使得Axis3在一个平面内转动，该平面垂直于Axis2；空间目标模型(6)位于Axis 1、Axis2和Axis3的交点上；步骤2，建立空间目标模型的本体坐标系OXYZ：原点O在空间目标模型(6)的几何中心上，Z轴对应真实卫星的有效载荷指向，Y轴对应真实卫星的卫星帆板轴指向，X轴相对于Y轴和Z轴满足右手定律；步骤3，建立室内模拟装置的参考坐标系OX’Y’Z’，相对于实验室空间固定：原点O在三轴转台(3)的旋转中心上，与空间目标模型(6)中心重合，X’轴从空间目标模型(6)的几何中心开始，指向反射镜(2)中心，Y’轴从空间目标模型(6)的几何中心开始，垂直于地面，指向上方，Z’轴相对于X’轴和Y’轴满足右手定律；步骤4，定义光源矢量VL、探测器矢量VD：光源矢量VL从空间目标模型(6)的几何中心开始，指向反射镜(2)的中心，探测器矢量VD从空间目标模型(6)的几何中心开始，指向探测器(4)；步骤5，以参考坐标系中的OX’Z’面作为参考平面，作本体坐标系中的Y轴在该参考平面上的投影，获得矢量PY，以该矢量PY为Z”轴，以参考坐标系中的Y’轴为Y”轴，以过O垂直于O Y”Z”面的矢量为X”轴，建立辅助坐标系OX”Y”Z”；步骤6，零时刻，探测器(4)位于光源矢量VL上，本体坐标系XYZ三轴分别与参考坐标系X’Y’Z’三轴重合，探测器矢量VD与光源矢量VL平行；步骤7，某时刻t，真实卫星光照及探测角度变化后：获取真实卫星上从该时刻t到零时刻的观测相位角变化量Phase Angle，滑动探测器支架且滑动角度为Phase Angle，使得VL和VD间的夹角等于Phase Angle；获取真实卫星上从该时刻t到零时刻的偏航角变化量Base Angle，控制第一支撑臂绕轴Axis 1转动且转动角度为Base Angle，使得辅助坐标系中X”轴和参考坐标系中X’轴的夹角等于Base Angle；获取真实卫星上从该时刻t到零时刻的目标滚动角变化量Roll Angle，控制第三支撑臂绕轴Axis 2转动且转动角度为Roll Angle，使得参考坐标系中Y’轴和本体坐标系中Y轴的夹角等于Roll Angle；获取真实卫星上从该时刻t到零时刻的目标俯仰角变化量Lift Angle，控制空间目标模型绕轴Axis 3转动且转动角度为Lift Angle，使得辅助坐标系中X”轴和本体坐标系中X轴夹角等于Lift Angle。...

【技术特征摘要】
1.一种空间目标光学特性实测条件的室内模拟方法，其特征在于，包括：步骤1，布置空间目标光学特性实测条件模拟的装置：步骤1-1，选取所述装置的各个部件，所述部件包括：光源(1)、反射镜(2)、三轴转台(3)、探测器(4)、探测器导轨(5)、空间目标模型(6)和探测器支架(7)；步骤1-2，在室内选取一半圆区域，在半圆区域内布置所述各个部件：在半圆区域的圆心处安装三轴转台(3)；在所述半圆区域外部安装光源(1)、反射镜(2)，将光源(1)发出的光通过反射镜(2)反射至安装于三轴转台(3)的空间目标模型(6)上；所述空间目标光学特性实测条件模拟的装置设于室内一矩形空间内，光源(1)和反射镜(2)布置于矩形空间内同一短边的两个角上；半圆区域的直边平行于矩形空间长边布置，墙边预留出三轴转台的旋转空间；且反射镜(2)的具体位置在在半圆区域的直边端点或其延长线上；将探测器支架(7)一端安装探测器(4)，另一端与三轴转台连接，使其围绕三轴转台进行180度运动，且运动轨迹为所述半圆区域的圆弧，探测器支架转轴设为Axis0，通过其转动控制光源、目标模型、探测器三者的观测相位角；选取半六边形的探测器导轨(5)，将该探测器导轨(5)的中心与半圆区域的圆心重合，并将探测器支架(7)通过活动支点配件可活动的连接于探测器导轨(5)，使所述活动支点配件可沿探测器导轨(5)运动，同时可沿探测器支架(7)的延伸方向运动；设计三轴转台(3)：所述三轴转台(3)包括底座(31)、第一支撑臂(32)、第二支撑臂(33)和第三支撑臂(34)，将底座(31)固定于地面上，第一支撑臂(32)可转动的安装于底座(31)上，转轴设为Axis1，并通过第一支撑臂(32)的转动控制空间目标模型(6)相对于光源方向的偏航角；将第二支撑臂固定于第一支撑臂(32)上，第三支撑臂(34)可转动的安装于第二支撑臂(33)上，转轴设为Axis2，通过第三支撑臂(34)的转动控制空间目标模型(6)相对于光源方向的滚动角；第三支撑臂(34)两端均设有延伸段，将空间目标模型(6)安装于两延伸段之间，空间目标模型(6)围绕的转轴为Axis3，通过空间目标模型(6)的转动调整空间目标模型(6)相对于光源方向的俯仰角；上述Axis0与Axis1同轴，轴心位于三轴转台的旋转中心，Axis1垂直于地面，且与Axis0同轴，Axis2平行于地面，通过第三支撑臂(34)的转动使得Axis3在一个平面内转动，该平面垂直于Axis2；空间目标模型(6)位于Axis1、Axis2和Axis3的交点上；步骤2，建立空间目标模型的本体坐标系OXYZ：原点O在空间目标模型(6)的几何中心上，Z轴对应真实卫星的有效载荷指向，Y轴对应真实卫星的卫星帆板轴指向，X轴相对于Y轴和Z轴满足右手定律；步骤3，建立室内模拟装置的参考坐标系OX’Y’Z’，相对于实验室空间固定：原点O在三轴转台(3)的旋转中心上，与空间目标模型(6)中心重合，X’轴从空间目标模型(6)的几何中心开始，指向反射镜(2)中心，Y’轴从空间目标模型(6)的几何中心开始，垂直于地面，指向上方，Z’轴相对于X’轴和Y’轴满足右手定律；步骤4，定义光源矢量VL、探测器矢量VD：光源矢量VL从空间目标模型(...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵飞，徐融，杨新，项磊，
申请(专利权)人：中国科学院光电研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11