一種衛星光學特性的實驗室測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種衛星光學特性的實驗室測量方法，屬于空間目標監視技術領域， 用于輔助分析衛星等空間目標的光學特性，有助于開展空間目標特征提取及識別工作。
【背景技術】
[0002] 衛星等空間目標光學特性的實驗室模擬觀測技術，是在實驗室內模擬空間目標所 面臨的空間光照條件和光源-目標-探測器三者之間的相對幾何關系，實現對實際觀測過程 (地基、天基光學觀測）的模擬。通過實驗室模擬觀測，可以直接獲得被測目標的可見光散射 特性數據，研究相位角、目標幾何形狀、表面材料、姿態等因素對目標光學特性的影響，可用 于分析數值建模無法模擬的問題，如加工工藝影響、材料表面特性等，是空間目標監視的重 要研究內容。
[0003] 在進行地面實驗室模擬時，考慮到光源（典型的如大型太陽模擬器等）和探測器 (光譜儀等接收器)通常較重，直接采用和實際觀測情況對應的"以衛星本體坐標為基準"的 設備布局方法，即目標模型不動，光源和探測器同時繞目標作任意角度的2軸旋轉，對轉動 機構的強度和剛度要求很高，不僅增加成本而且還難以保證轉動精度，國內外采用此類機 構的測量系統在測量范圍和精度上都受到制約。目前，美國國家航空航天局/約翰遜空間中 心的光學測量中心(Optical Measurements Center)采用角度映射的方法，使光源和探測 器的觀測相位角始終保持在水平面內，無需上下移動，較以衛星本體系為基準的布局設置 大大簡化了設備布局，降低了成本。但由于中央機械臂承重能力小，旋轉臂上無法安裝大口 徑光源，只能對空間碎片進行室內光學特性測量。國內對空間目標光學散射特性測試研究 較少，中科院安徽光機所、光電研究院、長春理工大學等單位均開展了對衛星縮比模型或樣 片的光學特性實驗室測量研究，但所用測量系統僅支持對小型目標的測量(0.3米直徑以 內）且測量角度范圍有限。北京航天部二院207所目標與環境光學特征國防科技重點實驗室 搭建了一套空間目標可見光散射特性測量系統，被測目標放在姿態可調的旋轉軸上，首次 實現了室內空間目標可見光散射特性的測試。上海宇航系統工程研究所牽頭研制了空間目 標光學動態特性測試系統，探測器在周視測試車上進行升降及方位調整，與目標姿態控制 系統組成個六自由度姿態模擬系統。由于沒有采用角度映射方法，上述兩套對實際衛星的 實驗室測量系統使用六自由度姿態模擬系統，不僅控制系統復雜并且設備成本較高。由于 受承重能力的限制，上述兩方案所能模擬的空間角度非常有限。

【發明內容】

[0004] 為解決上述問題，本發明提出一種米級衛星模型光學特性的實驗室測量方法，提 出太陽模擬器固定不動、探測器在水平面內運動、衛星做三軸姿態轉動的實驗室模擬測量 方案，采用角度映射的辦法，實現與實際觀測等效的觀測效果。為充分利用室內空間以延長 探測器與模型之間的光路，本發明提出采用半圓形滑軌，通過空間映射模擬全方位觀測的 方案。
[0005] 本發明的目的通過以下技術方案來具體實現：
[0006] -種衛星光學特性的實驗室測量方法，包括：
[0007] 步驟一、模擬衛星的運動建立衛星姿態運動模型；
[0008] 步驟二、相對衛星姿態運動模型建立向所述衛星模型投射的光源模型，模擬太陽 對衛星的照射；
[0009] 步驟三、相對衛星姿態運動模型和光源模型建立模擬探測器探測角度的探測器模 型，所述探測器模型中的探測器方向朝向所述衛星姿態運動模型中的衛星模型。
[0010] 所述衛星模型、光源和探測器位于同一水平面內。
[0011]所述衛星姿態運動模型包括轉臺和安裝在轉臺上的三個相互正交的轉臺軸系，該 轉臺軸系包括相互正交的俯仰軸、偏航軸和滾動軸，使衛星模型可以繞轉臺中心旋轉;其中 滾動軸穿過衛星模型，控制衛星模型轉動的同時將衛星模型固定在轉臺中心。
[0012] 所述光源中心的位置和投射方向固定不動。
[0013] 所述的光源為太陽模擬器、氙燈光源、鎢燈光源等。
[0014] 所述探測器模型包括圍繞所述衛星模型布置的滑軌和在滑軌上運動的探測器及 其支撐臺。
[0015] 所述探測器通過支撐臺與所述滑軌連接。
[0016] 所述滑軌為圍繞所述衛星模型布置的半圓形軌道。
[0017] 所述探測器為光譜儀、C⑶相機、光譜成像儀等設備。
[0018] 一種使用所述衛星光學特性的實驗室測量方法的測量系統，其特征在于，包括衛 星運動模型、光源和探測器模型;其中
[0019] 所述衛星姿態運動模型，模擬衛星的姿態運動；
[0020] 所述光源，向所述衛星姿態運動模型的衛星模型投射，模擬太陽照射衛星；
[0021 ]所述探測器模型，所述探測器模型中的探測器方向朝向所述衛星姿態運動模型中 的衛星模型。
[0022] 衛星光學特性實驗室測量方案設計。通過對空間光學觀測過程的等效處理，在實 驗室內實現對衛星光學觀測的等效模擬；
[0023] 設計方案中，光源固定不同，光束對準目標中心照射；探測器運行在半圓形滑軌 上，模擬空間觀測的相位角；目標夾持在三軸轉臺上，通過轉臺的旋轉，模擬實現衛星本體 坐標下的太陽和探測器的方位角。光源中心、模型中心、探測器中心位于同一水平面。
[0024] 控制衛星姿態的轉臺方案設計。根據測量方案，設計夾持目標模型的轉臺方案及 其旋轉軸系，模擬衛星的姿態控制；
[0025]設計轉臺可以控制衛星模型繞三個相互正交的軸旋轉，分別是俯仰軸、偏航軸和 滾動軸。其中滾動軸穿過衛星模型，控制目標轉動的同時將目標模型固定在轉臺中心。設計 轉臺可以容納直徑大于1米的衛星模型旋轉。
[0026] 控制探測器旋轉的繞心旋轉部設計。設計支撐探測器繞目標模型觀測的旋轉平 臺，模擬光學探測器相對運動；
[0027] 探測器放置在支撐臺上，支撐臺通過連接桿與轉臺底座相連，支撐臺可以在光滑 導軌上運動。轉臺底座設置驅動裝置，帶動支撐臺、探測器旋轉，模擬空間觀測中太陽、探測 器相對衛星的夾角，即相位角。
[0028]三軸轉臺與探測器的組合設計，基于半圓形探測滑軌模擬全方位觀測。
[0029]為保證探測器與模型之間的距離盡可能大，本發明設計探測器運行在半圓形滑軌 上，運動半徑根據實驗室情況設置為最大。為實現對相位角的全覆蓋，需要三軸轉臺配合繞 心旋轉部轉動，本發明對轉動方法進行了設計。
[0030] 本發明所設計的方案，針對的是對在軌衛星光學觀測過程的模擬。運行在宇宙空 間的衛星，僅受到來自太陽的照射，包括地球反射在內的其他光線可忽略。探測器則是指對 衛星等空間目標進行光學觀測的天基、地基光學探測器。所述的光源為太陽模擬器、氙燈光 源、鎢燈光源等，探測器為光譜儀、CCD相機、光譜成像儀等設備；
[0031] 本發明設計的三軸轉臺，打破過去單軸支撐目標模型的格局，將其中一個旋轉軸 穿過目標模型，使轉臺可以承受更大重量的同時也保證了轉動精度及轉動穩定性。
[0032] 本發明設計的探測器運行在半圓形導軌上，在實驗室空間一定的條件下，半圓形 導軌可以使探測器與模型的距離最大化，使觀測更加接近于實際空間觀測情況。
[0033] 探測器繞半圓形滑軌運動，使得直接模擬實際觀測的角度受到限制。本發明提出 了映射方案，通過三軸轉臺和探測器的配合旋轉，實現了對實際相位角的全覆蓋。
[0034]概括本發明提出一種衛星光學特性的實驗室測量方法，包括：1)衛星光學特性實 驗室測量方案設計。通過對空間光學觀測過程的等效處理，在實驗室內實現對衛星光學觀 測的等效模擬;2)控制衛星姿態的轉臺方案設計。根據測量方案，設計夾持目標模型的轉臺 旋轉軸系，模擬衛星的姿態控制;3)控制探測器旋轉的繞心旋轉部設計。設計支撐探測器繞 目標模型觀測的旋轉平臺，模擬光學探測器相對運動;4)三軸轉臺與探測器組合設計，實現 基于半圓形探測滑軌對全方位觀測的模擬。
[0035]對于在軌運行的衛星而言，衛星外表面包覆材料的加工會嚴重影響其光學特性， 而加工工藝又難以通過計算機模擬，進而無法通過仿真手段分析其光學特性，實驗室測量 成為分析衛星光學特性不可或缺的手段。本發明提出的測量方法，可以支撐對米級衛星實 體或模型光學特性的實驗室測量，能夠支持空間監視方案的擬制與優化、衛星光學特性分 析、衛星識別及衛星工作狀態判斷等。
【附圖說明】
[0036]下面根據附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0037]圖1是衛星光學特性實驗室測量方案的軸系設計示意圖。
[0038]圖2是目標姿態控制轉臺設計示意圖。
[0039]圖3是繞心旋轉部設計示意圖。
[0040] 圖4是STK中構建參考坐標系示意圖。
[0041 ]圖5是在實驗室建立參考坐標系的俯視向不意圖。
[0042]圖6是坐標系間的YXY歐拉角旋轉變換示意圖。
[0043]圖7是衛星光學特性實驗室測量方案圖。
【具體實施方式】
[0044]如圖7所示，一種衛星光學特性的實驗室測量方法，包括：
[0045]步驟一、模擬衛星的運動建立衛星姿態運動模型1;
[0046]步驟二、相對衛星姿態運動模型建立向所述衛星模型投射