本發(fā)明屬于衛(wèi)星，具體涉及一種適用于抵近操作的空目標(biāo)光學(xué)圖像實(shí)時(shí)模擬方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在航天技術(shù)與空間探索領(lǐng)域，對(duì)空間目標(biāo)的觀測(cè)、識(shí)別與分析具有至關(guān)重要的意義。地面站在獲取空間目標(biāo)的圖像數(shù)據(jù)方面扮演著關(guān)鍵角色，這些數(shù)據(jù)能夠?yàn)榭臻g目標(biāo)的軌道確定、形狀分析、姿態(tài)估計(jì)以及故障診斷等多種應(yīng)用提供基礎(chǔ)信息。隨著航天活動(dòng)的日益頻繁，對(duì)于高精度、高逼真度的空間目標(biāo)成像模擬技術(shù)的需求愈發(fā)迫切。

2、傳統(tǒng)的空間目標(biāo)成像主要依賴于實(shí)際的光學(xué)觀測(cè)設(shè)備。然而，這些設(shè)備受到多種因素的限制，如天氣條件、觀測(cè)時(shí)間窗口、設(shè)備成本以及設(shè)備維護(hù)等。此外，真實(shí)觀測(cè)往往難以在各種預(yù)設(shè)條件下進(jìn)行靈活的參數(shù)調(diào)整和場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)，這對(duì)于算法開發(fā)、系統(tǒng)測(cè)試以及新的成像技術(shù)驗(yàn)證帶來(lái)了很大困難。當(dāng)前一些基于軟件的成像模擬方法，雖然能夠在一定程度上模擬空間目標(biāo)的成像過(guò)程，但它們大多沒有考慮與地面半物理聯(lián)合仿真環(huán)境的融合。這些純軟件模擬缺乏與實(shí)際硬件系統(tǒng)(如傳感器模型、信號(hào)處理硬件等)的交互能力，導(dǎo)致模擬結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的準(zhǔn)確性和有效性大打折扣。在將模擬結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際設(shè)備的優(yōu)化和新算法驗(yàn)證時(shí)，存在較大的偏差，無(wú)法準(zhǔn)確反映真實(shí)半物理聯(lián)合仿真情況下的成像效果。因此需要一種用于衛(wèi)星視覺導(dǎo)航系統(tǒng)地面半物理驗(yàn)證的空間目標(biāo)可見光圖像實(shí)時(shí)模擬方法，能解決現(xiàn)有的目標(biāo)實(shí)時(shí)在軌圖像難以獲得，光學(xué)相機(jī)在地面難以還原復(fù)雜的空間環(huán)境及目標(biāo)在軌時(shí)的狀態(tài)等技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明提供一種適用于抵近操作的空目標(biāo)光學(xué)圖像實(shí)時(shí)模擬方法及系統(tǒng)，形成穩(wěn)定連貫的全程圖像輸出，達(dá)到聯(lián)合仿真所要求的實(shí)時(shí)性與動(dòng)態(tài)性。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種適用于抵近操作的空目標(biāo)光學(xué)圖像實(shí)時(shí)模擬方法，具體包括以下步驟：

3、s1、實(shí)時(shí)接收由軌道或姿態(tài)發(fā)生器生成的目標(biāo)與觀測(cè)星運(yùn)動(dòng)軌道數(shù)據(jù)；

4、s2、依據(jù)接收的運(yùn)動(dòng)軌道數(shù)據(jù)計(jì)算相機(jī)光軸指向；

5、s3、根據(jù)計(jì)算的相機(jī)光軸指向，結(jié)合相機(jī)的極限探測(cè)能力，在sao星表中篩選出能被相機(jī)探測(cè)到的恒星，完成恒星模擬；

6、s4、根據(jù)s1中接收的數(shù)據(jù)計(jì)算觀測(cè)星與目標(biāo)的相對(duì)位姿；

7、s5、根據(jù)空間目標(biāo)的特性，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像模擬；

8、s6、根據(jù)軌道運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)判斷月亮是否會(huì)出現(xiàn)在視野內(nèi)，并對(duì)視野中存在月亮的情況進(jìn)行模擬；

9、s7、在s5模擬的圖像中添加噪聲及雜散光；

10、s8、將s7中添加噪聲及雜散光之后的圖像通過(guò)以太網(wǎng)口以u(píng)dp傳輸方式輸出。

11、進(jìn)一步地，步驟s1所述的目標(biāo)與觀測(cè)星運(yùn)動(dòng)軌道數(shù)據(jù)為：

12、eci坐標(biāo)系下目標(biāo)的位置及速度矢量，eci坐標(biāo)系下觀測(cè)星的位置及速度矢量，eci坐標(biāo)系下觀測(cè)星本體姿態(tài)四元數(shù)，eci下月亮位置矢量，eci下太陽(yáng)光的方向矢量。

13、進(jìn)一步地，所述步驟s2包括以下步驟：

14、s201、由所接收數(shù)據(jù)中的eci坐標(biāo)系下觀測(cè)星本體姿態(tài)四元數(shù)，計(jì)算eci坐標(biāo)系到觀測(cè)星本體系的旋轉(zhuǎn)矩陣m1；

15、s202、定義相機(jī)安裝矩陣m2，由旋轉(zhuǎn)矩陣m1及相機(jī)安裝矩陣m2計(jì)算eci坐標(biāo)系至觀測(cè)相機(jī)的旋轉(zhuǎn)矩陣m3。

16、進(jìn)一步地，所述步驟s3包括以下步驟：

17、s301、根據(jù)相機(jī)的探測(cè)能力，在sao星表中篩選亮度足夠被探測(cè)到的恒星，篩選條件為：

18、stars＝{vmi≤vm0,i＝1,2,3...n}

19、其中，stars為sao星表中可以在相機(jī)極限探測(cè)范圍內(nèi)被探測(cè)到的恒星的集合，vmi為sao星表中第i顆恒星的視星等，vm0為相機(jī)探測(cè)極限所能探測(cè)到的最暗的恒星視星等；

20、s302、根據(jù)sao星表中恒星的赤經(jīng)赤緯信息，計(jì)算由s301所得到的stars中的恒星在相機(jī)坐標(biāo)系下的方位矢量vector：

21、

22、其中，vector為恒星在相機(jī)坐標(biāo)系中的方向矢量，ra、rd分別為恒星的赤經(jīng)赤緯信息；

23、s303、根據(jù)s302所得結(jié)果vector，在s301所得stars中進(jìn)一步篩選處于相機(jī)視場(chǎng)范圍的恒星stars-in-img，篩選條件如下：

24、

25、其中，fovx為相機(jī)x方向視場(chǎng)角，fovy相機(jī)y方向視場(chǎng)角；

26、s304、計(jì)算由s303所篩選出來(lái)的恒星stars-in-img在圖像當(dāng)中的像素坐標(biāo)，計(jì)算公式為：

27、

28、其中，(nx,ny)為恒星在圖像當(dāng)中的像素坐標(biāo)，f為所使用的相機(jī)焦距，dx與dy分別為相機(jī)在x與y方向上的像元尺寸；

29、s305、所模擬的相機(jī)探測(cè)能力范圍為-1～5等星，設(shè)定相機(jī)能探測(cè)到的最暗星等的恒星在圖像中的總灰度值則其余星等的恒星總灰度值為：

30、

31、其中，為星等為vmi的恒星在圖像中的總灰度值，為星等為vm0的恒星在圖像中的總灰度值；

32、s306、以由s304所求得的恒星像素坐標(biāo)為中心，在周圍3×3～7×7的像素范圍內(nèi)對(duì)恒星星點(diǎn)進(jìn)行灰度彌散，彌散公式如下所示：

33、

34、其中，a為恒星總灰度值，δ為高斯彌散半徑，(x0,y0)為擴(kuò)散中心坐標(biāo)，i(x,y)為像素(x,y)處的灰度值。

35、進(jìn)一步地，所述步驟s4包括以下步驟：

36、s401、基于eci坐標(biāo)系下的目標(biāo)星位置矢量rtar和觀測(cè)星位置矢量rcha，求目標(biāo)與觀測(cè)平臺(tái)在相機(jī)坐標(biāo)系下相對(duì)位置；

37、s402、基于目標(biāo)星在eci下位置矢量rtar與速度矢量vtar，計(jì)算目標(biāo)本體系到觀測(cè)星本體系的旋轉(zhuǎn)矩陣m4；

38、s403、利用旋轉(zhuǎn)矩陣m4計(jì)算得到目標(biāo)相對(duì)于觀測(cè)相機(jī)的姿態(tài)角δ1、δ2、δ3，得到目標(biāo)的相對(duì)姿態(tài)。

39、進(jìn)一步地，所述步驟s5包括以下步驟：

40、s501、結(jié)合目標(biāo)的三維幾何構(gòu)型，選取一定數(shù)量的特征點(diǎn)以反映其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)目標(biāo)尺寸信息獲得這些特征點(diǎn)在目標(biāo)本體系下的坐標(biāo)，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣m4將目標(biāo)本體系下的特征點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為相機(jī)坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)；

41、s502、分析目標(biāo)表面的反射特性，根據(jù)目標(biāo)不同部位所選用的不同材質(zhì)對(duì)應(yīng)采用不同反射模型進(jìn)行描述；

42、s503、將太陽(yáng)視作黑體輻射，計(jì)算得到在可見光相機(jī)有效波長(zhǎng)范圍λ1～λ2內(nèi)的輻射出射度m，根據(jù)距離平方反比定律計(jì)算太陽(yáng)光在距離太陽(yáng)dtar-sun遠(yuǎn)的目標(biāo)表面處的光譜輻照度esun；根據(jù)s501中選取的特征點(diǎn)對(duì)目標(biāo)表面進(jìn)行面元?jiǎng)澐?，并?jì)算每個(gè)面元向外輻射的光譜輻照度detar；設(shè)定太陽(yáng)的視星等vmsun，計(jì)算得到面元da的等效視星等vmda-tar；根據(jù)星等為5的恒星總灰度值進(jìn)一步計(jì)算得到面元的總灰度值ida-tar；

43、s504、根據(jù)s501中的特征點(diǎn)像素坐標(biāo)得到面元所占像素?cái)?shù)量，并將ida-tar均分至面元中，得到目標(biāo)在圖像中的灰度值。

44、進(jìn)一步地，所述步驟s6包括以下步驟：

45、s601、根據(jù)月亮軌道運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算其在相機(jī)坐標(biāo)系下相對(duì)于觀測(cè)星的位置、判斷月亮與相機(jī)視軸在x與y方向上的夾角是否大于相機(jī)視場(chǎng)角，以及地心-相機(jī)-月心所構(gòu)成的夾角是否小于地心-相機(jī)-相機(jī)與地球邊緣切點(diǎn)所構(gòu)成的夾角，進(jìn)而判斷月亮可見性；

46、s602、判斷月亮處于視野內(nèi)后，對(duì)月亮進(jìn)行模擬：根據(jù)月球與地球，觀測(cè)星相對(duì)位置關(guān)系及陽(yáng)光入射方向即垂直于太陽(yáng)光矢量的矢量與月球相對(duì)于觀測(cè)星的位置矢量的夾角θ的變化，確定在仿真圖像中月亮的亮面面積計(jì)算方式，根據(jù)θ選擇相應(yīng)方式計(jì)算月亮在圖像中的成像面積s；進(jìn)一步根據(jù)相機(jī)小孔成像原理計(jì)算得出其在圖像中所占的像素個(gè)數(shù)spic：

47、

48、其中，spic為月亮在圖像中所占的像素個(gè)數(shù)，s為月亮在圖像中的成像面積，rcam-moon為觀測(cè)相機(jī)與月亮的相對(duì)位置；

49、s603、根據(jù)月亮在圖像中的成像面積以及其在滿月狀態(tài)下的視星等，計(jì)算得到月亮視星等，進(jìn)一步計(jì)算月亮的總灰度值以及灰度分布。

50、進(jìn)一步地，所述步驟s7包括以下步驟：

51、s701、判斷觀測(cè)平臺(tái)與地球大氣層邊緣切線和相機(jī)視軸的夾角β與1/2相機(jī)視場(chǎng)角fovy的大小關(guān)系，若滿足β＜fovy/2則認(rèn)為地氣光輻射對(duì)相機(jī)成像造成了影響；

52、s702、地氣光輻射主要為對(duì)太陽(yáng)光的反射，計(jì)算地球表面受到太陽(yáng)光的輻照度esc；

53、s703、根據(jù)朗伯余弦定律，將地球看作一個(gè)各方向的輻射亮度不變的朗伯輻射體，其輻射強(qiáng)度隨觀察方向與面源法線之間的夾角θ的變化而變化，且遵守余弦規(guī)律，并將其表面劃分為無(wú)數(shù)面元，從而計(jì)算每個(gè)地球表面面元在探測(cè)相機(jī)入瞳處的輻照度dee-cam；

54、s704、設(shè)定太陽(yáng)的等效視星等vmsun，根據(jù)星等與輻照度的定量關(guān)系計(jì)算得到面元在探測(cè)相機(jī)入瞳處的等效視星等vme；進(jìn)一步將面元的視星等轉(zhuǎn)換為灰度值，計(jì)算地氣光輻射的總灰度值以及灰度分布。

55、本發(fā)明所述的一種適用于抵近操作的空目標(biāo)光學(xué)圖像實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)，包括：

56、rs422串口接收數(shù)據(jù)模塊，用于將目標(biāo)光學(xué)圖像模擬器與軌道或姿態(tài)發(fā)生器連接，實(shí)時(shí)接收其生成的觀測(cè)星和空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；

57、相機(jī)光軸計(jì)算模塊，根據(jù)rs422串口接收的數(shù)據(jù)計(jì)算觀測(cè)相機(jī)的視軸指向，包括eci坐標(biāo)系到觀測(cè)星本體系的旋轉(zhuǎn)矩陣、eci坐標(biāo)系至觀測(cè)相機(jī)的旋轉(zhuǎn)矩陣；

58、恒星模擬模塊，根據(jù)計(jì)算的相機(jī)光軸指向，結(jié)合相機(jī)的極限探測(cè)能力，在sao星表中篩選出能被相機(jī)探測(cè)到的恒星并進(jìn)行模擬；

59、相對(duì)位姿計(jì)算模塊，利用接收到的數(shù)據(jù)中的觀測(cè)星與目標(biāo)星在eci坐標(biāo)系下的位置矢量與速度矢量計(jì)算包括相對(duì)位置、相對(duì)姿態(tài)在內(nèi)的相對(duì)位姿；

60、目標(biāo)模擬成像模塊，用于根據(jù)空間目標(biāo)的特性，計(jì)算能反映目標(biāo)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的特征點(diǎn)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像模擬；

61、月亮判定與模擬成像模塊，通過(guò)月亮軌道運(yùn)行數(shù)據(jù)、是否處于相機(jī)視場(chǎng)、是否被地球遮擋來(lái)判斷月亮可見性，并在判定月亮處于視場(chǎng)內(nèi)的情況下計(jì)算月亮在圖像中的像素坐標(biāo)位置、所占像素個(gè)數(shù)以及總灰度值與灰度分布；

62、噪聲及雜散光添加模塊，根據(jù)雜散光成像模型，計(jì)算地球表面受到太陽(yáng)光的輻照度、每個(gè)地球表面面元在探測(cè)器入瞳處的輻照度、面元在探測(cè)相機(jī)入瞳處的等效視星等以及地氣光輻射的總灰度值與灰度分布；

63、以太網(wǎng)口圖像傳輸模塊，通過(guò)以太網(wǎng)口以u(píng)dp傳輸方式輸出模擬生成的圖像。

64、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

65、本發(fā)明充分考慮了包含噪聲，雜散光在內(nèi)的真實(shí)深空環(huán)境，同時(shí)相較于其它現(xiàn)有技術(shù)考慮了實(shí)際深空探測(cè)中可能出現(xiàn)在光學(xué)相機(jī)視野中的月亮這一重大的干擾項(xiàng)，并對(duì)其進(jìn)行了模擬，仿真場(chǎng)景更加真實(shí)可信；

66、本發(fā)明能夠模擬任務(wù)過(guò)程中目標(biāo)由遠(yuǎn)及近運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程，能夠根據(jù)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化(如空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌道、姿態(tài)四元數(shù)信息)生成連續(xù)更新的模擬圖像，實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離及近距離圖像的全覆蓋，形成穩(wěn)定連貫的全程圖像輸出；

67、本發(fā)明與其它環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)交互能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地接收數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)生成最新圖像并實(shí)時(shí)發(fā)送，且擁有較高速率，能達(dá)到聯(lián)合仿真所要求的實(shí)時(shí)性與動(dòng)態(tài)性；

68、本發(fā)明可在地面進(jìn)行半物理驗(yàn)證，即在沒有實(shí)際相機(jī)、衛(wèi)星目標(biāo)等設(shè)備的情況下，模擬出空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)圖像，并將其應(yīng)用到后續(xù)的姿軌控分析等方面；該方法解決了傳統(tǒng)仿真技術(shù)中光學(xué)相機(jī)在地面難以還原復(fù)雜的空間環(huán)境的問(wèn)題。