一種空間目標光學(xué)特性實測條件的室內(nèi)模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空間目標光學(xué)特性測量領(lǐng)域，尤其涉及一種空間目標光學(xué)特性實測條件的室內(nèi)模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002]空間目標光學(xué)特性室內(nèi)模擬技術(shù)，是采用設(shè)備和方法在實驗室模擬空間目標所面臨的空間光照條件、同時模擬光源-目標-探測器的相對幾何關(guān)系，目的是實現(xiàn)對實際觀測過程(地基望遠鏡觀測、天基載荷觀測)和觀測數(shù)據(jù)的平行模擬。采用實驗室模擬，可以輔助建立目標光學(xué)特性的各類理論模型、可以比對實際觀測數(shù)據(jù)來研宄目標形狀、相位角、材料特性、旋轉(zhuǎn)特性等多類因素對目標光學(xué)特性的影響，以更有效的識別已知和未知的在軌目標?？臻g目標光學(xué)特性室內(nèi)模擬裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一是裝置的幾何布局與角度映射方法。
[0003]空間目標光學(xué)特性室內(nèi)模擬技術(shù)在模擬光源-目標-探測器的相對幾何關(guān)系時，由于條件限制，在實驗室構(gòu)建和實際觀測情況下直接對應(yīng)的“以衛(wèi)星本體坐標為基準”的設(shè)備布局方法，即目標模型不動，太陽模擬器繞著目標作任意角度的2軸旋轉(zhuǎn)、探測器同時也繞著目標模型作任意角度的2軸旋轉(zhuǎn)，是不可行的。原因是空間不夠大、太陽模擬器和接收器通常較重，轉(zhuǎn)動機構(gòu)承重限制不能支撐他們并保證精度，如圖1所示。
[0004]因此在實驗室模擬裝置的建設(shè)時，需要建立適合于實驗室條件下的裝置布局，并且采用角度映射的辦法，實現(xiàn)與實際觀測等效并容易實現(xiàn)的相對幾何關(guān)系。
[0005]已有的室內(nèi)模擬裝置，如美國Optical Measurements Center (OMC)at NASA/JSC,(Nat1nal Aeronautics and Space Administrat1n/Johnson Space Center)(國家航空航天局/約翰遜空間中心的光學(xué)測量中心)的相關(guān)裝置，如圖2所示。
[0006]美國OMC光學(xué)測量中心主要開展空間碎片的室內(nèi)光學(xué)特性測量，其采用了角度映射的方法把測量空間映射到水平面內(nèi)。如圖2所示，目標模型位于實驗室中心的工業(yè)機械臂上，可操縱其實現(xiàn)三軸轉(zhuǎn)動。一座橫梁支架橫跨整個實驗室，橫梁下方有一條圍繞實驗場中心軸旋轉(zhuǎn)的旋臂，光源位于旋臂的長臂一端，短臂一端固定黑背景用于吸收雜散光并用配重平衡，探測器固定在實驗室一側(cè)不動并始終指向待測目標。
[0007]該系統(tǒng)優(yōu)點是全系統(tǒng)用計算機控制，采用“3+1”軸的操控方式，只需操作機械臂調(diào)整目標本身三軸姿態(tài)，而光源和探測器之間的觀測相位角可始終保持在水平面單軸變化，無需上下移動。這一裝置實現(xiàn)了目標任意角度光照和觀測的同時，較以衛(wèi)星本體坐標為基準的設(shè)備布局方法大大簡化了設(shè)備布置，降低了成本。
[0008]但是該方案存在著不足之處:該方案為實現(xiàn)旋臂的360度旋轉(zhuǎn)需要較大的圓形實驗空間，需建立專用大面積實驗室。中央機械臂雖然能實現(xiàn)目標的三軸姿態(tài)控制，但其承重能力小、姿態(tài)角精度低、中心點穩(wěn)定度不足。另外對于大尺寸目標測量，需要使用大口徑太陽模擬光源，其體量較大難以在旋臂上安裝使用，因此該方案仍只適用于低精度模擬測量小尺寸空間碎片的光學(xué)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種空間目標光學(xué)特性實測條件的室內(nèi)模擬方法。本方法僅用原本一半的空間，并簡捷的實現(xiàn)了空間目標任意姿態(tài)、任意光照角度下，高角度精度、大尺寸模型的光學(xué)特性的測量。
[0010]本發(fā)明的空間目標光學(xué)特性實測條件的室內(nèi)模擬方法，其包括:
[0011]步驟1，布置空間目標光學(xué)特性實測條件模擬的裝置:
[0012]步驟1-1，選取所述裝置的各個部件，所述部件包括:光源(I)、反射鏡(2)、三軸轉(zhuǎn)臺(3)、探測器(4)、探測器導(dǎo)軌(5)、空間目標模型(6)和探測器支架(7);
[0013]步驟1-2，在室內(nèi)選取一半圓區(qū)域，在半圓區(qū)域內(nèi)布置所述各個部件:
[0014]在半圓區(qū)域的圓心處安裝三軸轉(zhuǎn)臺(3)；
[0015]在所述半圓區(qū)域外部安裝光源(I)、反射鏡(2)，將光源(I)發(fā)出的光通過反射鏡(2)反射至安裝于三軸轉(zhuǎn)臺(3)的空間目標模型(6)上；
[0016]將探測器支架(7) —端安裝探測器(4)，另一端與三軸轉(zhuǎn)臺連接，使其圍繞三軸轉(zhuǎn)臺進行180度運動，且運動軌跡為所述半圓區(qū)域的圓弧，探測器支架轉(zhuǎn)軸設(shè)為Axis 0，通過其轉(zhuǎn)動控制光源、目標模型、探測器三者的觀測相位角；
[0017]選取半六邊形的探測器導(dǎo)軌(5)，將該探測器導(dǎo)軌(5)的中心與半圓區(qū)域的圓心重合，并將探測器支架(7)通過活動支點配件可活動的連接于探測器導(dǎo)軌(5)，使所述活動支點配件可沿探測器導(dǎo)軌(5)運動，同時可沿探測器支架(7)的延伸方向運動；
[0018]設(shè)計三軸轉(zhuǎn)臺(3):所述三軸轉(zhuǎn)臺(3)包括底座(31)、第一支撐臂(32)、第二支撐臂(33)和第三支撐臂(34)，將底座(31)固定于地面上，第一支撐臂(32)可轉(zhuǎn)動的安裝于底座(31)上，轉(zhuǎn)軸設(shè)為Axis 1，并通過第一支撐臂(32)的轉(zhuǎn)動控制空間目標模型(6)相對于光源方向的偏航角；將第二支撐臂固定于第一支撐臂(32)上，第三支撐臂(34)可轉(zhuǎn)動的安裝于第二支撐臂(33)上，轉(zhuǎn)軸設(shè)為Axis2，通過第三支撐臂(34)的轉(zhuǎn)動控制空間目標模型(6)相對于光源方向的滾動角；第三支撐臂(34)兩端均設(shè)有延伸段，將空間目標模型
(6)安裝于兩延伸段之間，空間目標模型(6)圍繞的轉(zhuǎn)軸為Axis3，通過空間目標模型(6)的轉(zhuǎn)動調(diào)整空間目標模型(6)相對于光源方向的俯仰角；
[0019]上述Axis I垂直于地面，Axis2平行于地面，通過第三支撐臂(34)的轉(zhuǎn)動使得Axis3在一個平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，該平面垂直于Axis2 ;空間目標模型(6)位于Axis l、Axis2和Axis3的交點上；
[0020]步驟2，建立空間目標模型的本體坐標系OXYZ:原點O在空間目標模型(6)的幾何中心上，Z軸對應(yīng)真實衛(wèi)星的有效載荷指向，Y軸對應(yīng)真實衛(wèi)星的衛(wèi)星帆板軸指向，X軸相對于Y軸和Z軸滿足右手定律；
[0021]步驟3，建立室內(nèi)模擬裝置的參考坐標系OX’ Y’ Z’，相對于實驗室空間固定:原點O在三軸轉(zhuǎn)臺(3)的旋轉(zhuǎn)中心上，與空間目標模型(6)中心重合，X’軸從空間目標模型(6)的幾何中心開始，指向反射鏡⑵中心，Y’軸從空間目標模型(6)的幾何中心開始，垂直于地面，指向上方，V軸相對于V軸和Y’軸滿足右手定律；
[0022]步驟4，定義光源矢量VL、探測器矢量VD:光源矢量VL從空間目標模型(6)的幾何中心開始，指向反射鏡(2)的中心，探測器矢量VD從空間目標模型(6)的幾何中心開始，指向探測器⑷；
[0023]步驟5，以參考坐標系中的OX’ V面作為參考平面，作本體坐標系中的Y軸在該參考平面上的投影，獲得矢量PY，以該矢量PY為ZH以參考坐標系中的Y’軸為Y”軸，以過O垂直于O Y” Z”面的矢量為X”軸，建立輔助坐標系OX” Y” Z” ；
[0024]步驟6，零時刻，探測器(4)位于光源矢量VL上，本體坐標系XYZ三軸分別與參考坐標系X’ Y’ V三軸重合，探測器矢量VD與光源矢量VL平行；
[0025]步驟7，某時刻t，真實衛(wèi)星光照及探測角度變化后:
[0026]獲取真實衛(wèi)星上從該時刻t到零時刻的觀測相位角變化量Phase Angle，滑動探測器支架且滑動角度為Phase Angle，使得VL和VD間的夾角等于Phase Angle ；
[0027]獲取真實衛(wèi)星上從該時刻t到零時刻的偏航角變化量BaseAngle，控制第一支撐臂繞軸Axis I轉(zhuǎn)動且轉(zhuǎn)動角度為Base Angle，使得輔助坐標系中X”軸和參考坐標系中V軸的夾角等于BaseAngle ；
[0028]獲取真實衛(wèi)星上從該時刻t到零時刻的目標滾動角變化量Roll Angle，控制第三支撐臂繞軸Axis 2轉(zhuǎn)動且轉(zhuǎn)動角度為Roll Angle，使得參考坐標系中Y’軸和本體坐標系中Y軸的夾角等于RollAngle ；
[0029]獲取真實衛(wèi)星上從該時刻t到零時刻的目標俯仰角變化量Lift Angle，控制空間目標模型繞軸Axis 3轉(zhuǎn)動且轉(zhuǎn)動角度為Lift Angle，使得輔助坐標系中X”軸和本體坐標系中X軸夾角等于Lift Angle。
[0030]進一步的，從俯視角度看，光源矢量開始，Phase Angle順時針為正，逆時針為負，本設(shè)計中Phase Angle只能取O?180度；
[0031]當真實衛(wèi)星的觀測相位角Phase Angle為O到180°時，按照權(quán)利要求1的方式進行空間目標光學(xué)特性測量模擬；
[0032]當真實衛(wèi)星的觀測相位角Phase Angle為O到-180°時，將整個室內(nèi)模擬裝置虛擬地以光源矢量VL為軸旋轉(zhuǎn)180°，即控制探測器支架繞Axis O轉(zhuǎn)到相反的Phase Angle,即Phase Angle加負號，第一支撐臂繞軸Axis I轉(zhuǎn)到相反的Base Angle，即Base Angle加負號，第三支撐臂繞軸Axis 2轉(zhuǎn)180度后再按照權(quán)利要求1的方式進行空間目標光學(xué)特性測量。
[0033]進一步的，步驟I中將室內(nèi)模擬裝置設(shè)于室內(nèi)一矩形空間內(nèi)，光源(I)和反射鏡
(2)布置于矩形空間內(nèi)同一短邊的兩個角上；半圓區(qū)