一種天基空間目標(biāo)成像仿真方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種天基空間目標(biāo)成像仿真方法及裝置，方法包括：1)調(diào)用接口函數(shù)stklnit進(jìn)行STK和Matlab的互聯(lián)及初始化；2)通過Matlab命令行調(diào)用STK中的STK/Connect搭建場(chǎng)景，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，所述參數(shù)包括目標(biāo)星和監(jiān)視星的姿態(tài)、軌道以及關(guān)注的成像時(shí)間段；3)通過Matlab命令行調(diào)用STK/Connect搭建光照角及監(jiān)視星指向目標(biāo)星的相對(duì)矢量；4)輸出所述成像時(shí)間段內(nèi)預(yù)設(shè)步長(zhǎng)的兩星交會(huì)相對(duì)信息；5)根據(jù)所述兩星交會(huì)相對(duì)信息獲取成像弧段。本發(fā)明結(jié)合STk精確地軌道外推能力和Matlab靈活的編程能力及數(shù)據(jù)處理能力，能全面仿真計(jì)算天基成像所關(guān)注的信息，且計(jì)算精度高、操作方便。
【專利說明】一種天基空間目標(biāo)成像仿真方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及天基空間目標(biāo)光學(xué)成像【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的說，涉及一種天基空間目標(biāo) 成像仿真方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 空間目標(biāo)光學(xué)成像仿真在天基光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)研制開發(fā)過程中具有重要的價(jià)值和 意義。現(xiàn)有的關(guān)于天基空間目標(biāo)成像仿真規(guī)劃技術(shù)主要有兩種方法。第一種方法：利用STK (Satellite Tool Kit,衛(wèi)星工具包)中的Access模塊進(jìn)行可見性分析，繼而確定成像弧段； 該方法成熟、操作簡(jiǎn)單且計(jì)算精度高，但只能輸出空間目標(biāo)之間的相對(duì)距離、相對(duì)方位角、 相對(duì)俯仰角等信息，無(wú)法給出成像所關(guān)注的太陽(yáng)光照角、方位角速率、俯仰角速率、衛(wèi)星星 下點(diǎn)緯度等信息。第二種方法：利用Matlab建立衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程，編程計(jì)算空間目標(biāo) 的成像機(jī)會(huì)，繼而確定成像弧段；該方法雖然可以得到交會(huì)成像所關(guān)注的所有變量，但是計(jì) 算復(fù)雜、工作量大且計(jì)算精度通常不如STK工具包中自帶的軌道預(yù)報(bào)器。
[0003] 因此，需要對(duì)現(xiàn)有的空間目標(biāo)天基成像仿真方法進(jìn)行改進(jìn)，以解決現(xiàn)在技術(shù)在天 基空間目標(biāo)成像弧段仿真存在的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于，提供一種天基空間目標(biāo)成像仿真方法及裝置，通過STK/ Matlab聯(lián)合仿真規(guī)劃，充分利用STK中精確的軌道外推模型，同時(shí)結(jié)合Matlab強(qiáng)大靈活的 數(shù)值計(jì)算能力，解決了現(xiàn)在技術(shù)在天基空間目標(biāo)成像弧段仿真存在的問題。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種天基空間目標(biāo)成像仿真方法，包括以下步驟： (1)調(diào)用接口函數(shù)stklnit進(jìn)行STK和Matlab的互聯(lián)及初始化；（2)通過Matlab命令行 調(diào)用STK中的STK/Connect搭建場(chǎng)景，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，所述參數(shù)包括目標(biāo)星和監(jiān)視星的 姿態(tài)、軌道以及關(guān)注的成像時(shí)間段；（3)通過Matlab命令行調(diào)用STK/Connect搭建光照角 及監(jiān)視星指向目標(biāo)星的相對(duì)矢量；（4)輸出所述成像時(shí)間段內(nèi)預(yù)設(shè)步長(zhǎng)的兩星交會(huì)相對(duì)信 息；（5)根據(jù)所述兩星交會(huì)相對(duì)信息獲取成像弧段。
[0006] 進(jìn)一步，所述兩星交會(huì)相對(duì)信息包括：成像時(shí)間、監(jiān)視星與目標(biāo)星之間相對(duì)距離、 方位角、俯仰角、太陽(yáng)光照角以及監(jiān)視星的星下點(diǎn)位置。
[0007] 步驟（5)進(jìn)一步包括：根據(jù)所述兩星交會(huì)相對(duì)信息，利用差分法求出方位角速率 和俯仰角速率，同時(shí)篩選出滿足預(yù)設(shè)成像約束條件的成像弧段。
[0008] 進(jìn)一步，所述成像約束條件包括：成像距離范圍、方位角范圍、俯仰角范圍、方位角 速率范圍以及俯仰角速率范圍。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種天基空間目標(biāo)成像仿真裝置，包括：一互聯(lián) 單元，用于調(diào)用接口函數(shù)stklnit進(jìn)行STK和Matlab的互聯(lián)及初始化；一場(chǎng)景搭建單元， 用于通過Matlab命令行調(diào)用STK中的STK/Connect搭建場(chǎng)景，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，所述參數(shù) 包括目標(biāo)星和監(jiān)視星的姿態(tài)、軌道以及關(guān)注的成像時(shí)間段；一光照角搭建單元，用于通過 Matlab命令行調(diào)用STK/Connect搭建光照角；一相對(duì)矢量搭建單元，用于通過Matlab命令 行調(diào)用STK/Connect搭建監(jiān)視星指向目標(biāo)星的相對(duì)矢量；一初步結(jié)果輸出單元，用于輸出 所述成像時(shí)間段內(nèi)預(yù)設(shè)步長(zhǎng)的兩星交會(huì)相對(duì)信息；一成像弧段獲取單元，用于根據(jù)所述兩 星交會(huì)相對(duì)信息獲取成像弧段。
[0010] 進(jìn)一步，所述初步結(jié)果輸出單元輸出的所述兩星交會(huì)相對(duì)信息包括：成像時(shí)間、監(jiān) 視星與目標(biāo)星之間相對(duì)距離、方位角、俯仰角、太陽(yáng)光照角以及監(jiān)視星的星下點(diǎn)位置。
[0011] 所述成像弧段獲取單元進(jìn)一步用于：根據(jù)所述兩星交會(huì)相對(duì)信息，利用差分法求 出方位角速率和俯仰角速率，同時(shí)篩選出滿足預(yù)設(shè)成像約束條件的成像弧段。
[0012] 進(jìn)一步，所述成像約束條件包括：成像距離范圍、方位角范圍、俯仰角范圍、方位角 速率范圍以及俯仰角速率范圍。
[0013] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，結(jié)合STk精確地軌道外推能力和Matlab靈活的編程能力及數(shù) 據(jù)處理能力，能夠全面仿真計(jì)算天基成像所關(guān)注的信息，且計(jì)算精度高、操作方便。在進(jìn)行 天基空間目標(biāo)成像仿真時(shí)，只需輸入衛(wèi)星的姿態(tài)、軌道及關(guān)注的時(shí)間段，并設(shè)置成像約束條 件，便可得出對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的成像機(jī)會(huì)，并輸出成像所關(guān)注的信息。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1，本發(fā)明所述天基空間目標(biāo)成像仿真方法； 圖2,本發(fā)明所搭建的光照角的示意圖； 圖3,本發(fā)明所述天基空間目標(biāo)成像仿真裝置的架構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的天基空間目標(biāo)成像仿真方法及裝置的具體實(shí)施方 式做詳細(xì)說明。
[0016] 參見圖1，本發(fā)明所述天基空間目標(biāo)成像仿真方法，包括以下步驟：S11 :調(diào)用接口 函數(shù)stklnit進(jìn)行STK和Matlab的互聯(lián)及初始化；S12 :通過Matlab命令行調(diào)用STK中的 STK/Connect搭建場(chǎng)景，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，所述參數(shù)包括目標(biāo)星和監(jiān)視星的姿態(tài)、軌道以及 關(guān)注的成像時(shí)間段；S13 :通過Matlab命令行調(diào)用STK/Connect搭建光照角及監(jiān)視星指向 目標(biāo)星的相對(duì)矢量；S14 :輸出所述成像時(shí)間段內(nèi)預(yù)設(shè)步長(zhǎng)的兩星交會(huì)相對(duì)信息；S15 :根據(jù) 所述兩星交會(huì)相對(duì)信息獲取成像弧段。以下是對(duì)上述步驟的詳細(xì)描述。
[0017] S11 :調(diào)用接口函數(shù)stklnit進(jìn)行的互聯(lián)及初始化。
[0018] STK中具有精確的軌道外推模型，Matlab具有強(qiáng)大靈活的編程能力及數(shù)據(jù)處理能 力；用stklnit命令可以建立STK與Matlab的連接，實(shí)現(xiàn)STK/Matlab聯(lián)合仿真規(guī)劃，以充 分利用STK和Matlab的優(yōu)點(diǎn)。
[0019] S12 :通過Matlab命令行調(diào)用STK中的STK/Connect搭建場(chǎng)景，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。
[0020] STK的重要模塊之一 STK/Connect提供用戶在客戶機(jī)/服務(wù)器環(huán)境下與STK連接 的功能。聯(lián)立STK和Matlab之后，通過Matlab命令行即可調(diào)用STK/Connect相關(guān)命令以 搭建場(chǎng)景，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括：輸入目標(biāo)星和監(jiān)視星的姿態(tài)、軌道等信息，并設(shè)置關(guān)注的 成像時(shí)間段，還可以設(shè)置成像約束條件。
[0021] S13 :通過Matlab命令行調(diào)用STK/Connect搭建光照角及監(jiān)視星指向目標(biāo)星的相 對(duì)矢量。
[0022] 聯(lián)立STK和Matlab后，通過Matlab命令行即可調(diào)用STK/Connect相關(guān)命令，根據(jù) 太陽(yáng)、目標(biāo)星和監(jiān)視星的相對(duì)位置以搭建光照角，并搭建監(jiān)視星指向目標(biāo)星的相對(duì)矢量；從 而得出對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的成像機(jī)會(huì)，并輸出成像所關(guān)注的信息。所搭建的光照角如圖2所示。
[0023] S14 :輸出所述成像時(shí)間段內(nèi)預(yù)設(shè)步長(zhǎng)的兩星交會(huì)相對(duì)信息。
[0024] 其中，所述兩星交會(huì)相對(duì)信息包括：成像時(shí)間、監(jiān)視星與目標(biāo)星之間相對(duì)距離、 方位角、俯仰角、太陽(yáng)光照角以及監(jiān)視星的星下點(diǎn)位置。其中，所述預(yù)設(shè)步長(zhǎng)可以設(shè)置為 0· 25s、0. 50 s 等。
[0025] S15 :根據(jù)所述兩星交會(huì)相對(duì)信息獲取成像弧段。
[0026] 根據(jù)初步輸出的成像時(shí)間、監(jiān)視星與目標(biāo)星之間相對(duì)距離、方位角、俯仰角、太陽(yáng) 光照角以及監(jiān)視星的星下點(diǎn)位置，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理即可輸出最終結(jié)果；也即根據(jù)所述兩星交 會(huì)相對(duì)信息利用差分法即可求出方位角速率和俯仰角速率，同時(shí)篩選出滿足預(yù)設(shè)成像約束 條件的成像弧段，從而輸出成像所關(guān)注的信息。所述成像約束條件包括：成像距離范圍、方 位角范圍、俯仰角范圍、方位角速率范圍以及俯仰角速率范圍。所述成像約束條件可以在步 驟S12的參數(shù)設(shè)置中完成。所述差分法為現(xiàn)有計(jì)算方法，此處不再贅述。
[0027] 較之傳統(tǒng)技術(shù)，本發(fā)明結(jié)合STk精確地軌道外推能力和Matlab靈活的編程能力及 數(shù)據(jù)處理能力，能夠全面仿真計(jì)算天基成像所關(guān)注的信息，且計(jì)算精度高、操作方便。在進(jìn) 行天基空間目標(biāo)成像仿真時(shí)，只需輸入衛(wèi)星的姿態(tài)、軌道及關(guān)注的時(shí)間段，并設(shè)置成像約束 條件，便可得出對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的成像機(jī)會(huì)，并輸出成像所關(guān)注的信息。
[0028] 參見圖3,本發(fā)明所述天基空間目標(biāo)成像仿真裝置的架構(gòu)圖，所述裝置包括互聯(lián)單 元31、場(chǎng)景搭建單元32、光照角搭建單元33、相對(duì)矢量搭建單元34、初步結(jié)果輸出單元35 以及成像弧段獲取單元36。
[0029] 所述互聯(lián)單元31用于調(diào)用接口函數(shù)stklnit進(jìn)行STK和Matlab的互聯(lián)及初始 化。STK中具有精確的軌道外推模型，Matlab具有強(qiáng)大靈活的編程能力及數(shù)據(jù)處理能力；用 stklnit命令可以建立STK與Matlab的連接，實(shí)現(xiàn)STK/Matlab聯(lián)合仿真規(guī)劃，以充分利用 STK和Matlab的優(yōu)點(diǎn)。
[0030] 所述場(chǎng)景搭建單元32用于通過Matlab命令行調(diào)用STK中的STK/Connect搭建場(chǎng) 景，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。STK的重要模塊之一 STK/Connect提供用戶在客戶機(jī)/服務(wù)器環(huán)境下 與STK連接的功能。聯(lián)立STK和Matlab之后，通過Matlab命令行即可調(diào)用STK/Connect 相關(guān)命令以搭建場(chǎng)景，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括：輸入目標(biāo)星和監(jiān)視星的姿態(tài)、軌道等信息，并 設(shè)置關(guān)注的成像時(shí)間段，還可以設(shè)置成像約束條件。
[0031] 所述光照角搭建單元33用于通過Matlab命令行調(diào)用STK/Connect搭建光照角。 聯(lián)立STK和Matlab之后，通過Matlab命令行即可調(diào)用STK/Connect相關(guān)命令，根據(jù)太陽(yáng)、 目標(biāo)星和監(jiān)視星的相對(duì)位置以搭建光照角，所搭建的光照角如圖2所示。
[0032] 所述相對(duì)矢量搭建單元34用于通過Matlab命令行調(diào)用STK/Connect搭建監(jiān)視星 指向目標(biāo)星的相對(duì)矢量。全部仿真規(guī)劃搭建完畢，即可得出對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的成像機(jī)會(huì)，并輸 出成像所關(guān)注的信息。
[0033] 所述初步結(jié)果輸出單元35用于輸出所述成像時(shí)間段內(nèi)預(yù)設(shè)步長(zhǎng)的兩星交會(huì)相對(duì) 信息。其中，所述兩星交會(huì)相對(duì)信息包括：成像時(shí)間、監(jiān)視星與目標(biāo)星之間相對(duì)距離、方位 角、俯仰角、太陽(yáng)光照角以及監(jiān)視星的星下點(diǎn)位置。
[0034] 所述成像弧段獲取單元36用于根據(jù)所述兩星交會(huì)相對(duì)信息獲取成像弧段。根據(jù) 所述初步結(jié)果輸出單元35輸出的成像時(shí)間、監(jiān)視星與目標(biāo)星之間相對(duì)距離、方位角、俯仰 角、太陽(yáng)光照角以及監(jiān)視星的星下點(diǎn)位置，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理即可輸出最終結(jié)果；也即根據(jù)所述 兩星交會(huì)相對(duì)信息利用差分法即可求出方位角速率和俯仰角速率，同時(shí)篩選出滿足預(yù)設(shè)成 像約束條件的成像弧段，從而輸出成像所關(guān)注的信息。所述成像約束條件包括：成像距離范 圍、方位角范圍、俯仰角范圍、方位角速率范圍以及俯仰角速率范圍。所述成像約束條件可 以在所述場(chǎng)景搭建單元32的參數(shù)設(shè)置中完成。
[0035] 以下給出本發(fā)明的一實(shí)施例，以驗(yàn)證本發(fā)明所述的天基空間目標(biāo)成像仿真方法的 實(shí)施效果。
[0036] 采用本發(fā)明所述的天基空間目標(biāo)成像仿真方法，仿真分析2014年4月16日 00:00:00至2014年4月17日00:00:00,監(jiān)視星對(duì)某顆低軌衛(wèi)星（目標(biāo)星）的成像機(jī)會(huì)。 聯(lián)立STK和Matlab，并完成上述各種搭建后，即可進(jìn)行仿真分析。
[0037] 具體步驟如下： St印1，輸入目標(biāo)星和監(jiān)視星的姿態(tài)、軌道等信息，并設(shè)置關(guān)注的成像時(shí)間段為2014年 4月16日00:00:00至2014年4月17日00:00:00,預(yù)設(shè)步長(zhǎng)設(shè)置為(λ 25s; St印2,設(shè)置成像約束條件：成像距離<50km，方位角[-180°，180° ]，俯仰角[-90°， 90° ]，方位角速率[-15° /s，15° /s]，俯仰角速率[-15° /s，15° /s]; Step3,計(jì)算得到仿真結(jié)果，如表1所示。

【權(quán)利要求】
1. 一種天基空間目標(biāo)成像仿真方法，其特征在于，包括以下步驟：（1)調(diào)用接口函數(shù) stklnit進(jìn)行STK和Matlab的互聯(lián)及初始化；（2)通過Matlab命令行調(diào)用STK中的STK/ Connect搭建場(chǎng)景，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，所述參數(shù)包括目標(biāo)星和監(jiān)視星的姿態(tài)、軌道以及關(guān)注 的成像時(shí)間段；（3)通過Matlab命令行調(diào)用STK/Connect搭建光照角及監(jiān)視星指向目標(biāo) 星的相對(duì)矢量；（4)輸出所述成像時(shí)間段內(nèi)預(yù)設(shè)步長(zhǎng)的兩星交會(huì)相對(duì)信息；（5)根據(jù)所述 兩星交會(huì)相對(duì)信息獲取成像弧段。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述天基空間目標(biāo)成像仿真方法，其特征在于，所述兩星交會(huì)相對(duì) 信息包括：成像時(shí)間、監(jiān)視星與目標(biāo)星之間相對(duì)距離、方位角、俯仰角、太陽(yáng)光照角以及監(jiān)視 星的星下點(diǎn)位置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述天基空間目標(biāo)成像仿真方法，其特征在于，步驟（5)進(jìn)一步包 括：根據(jù)所述兩星交會(huì)相對(duì)信息，利用差分法求出方位角速率和俯仰角速率，同時(shí)篩選出滿 足預(yù)設(shè)成像約束條件的成像弧段。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述天基空間目標(biāo)成像仿真方法，其特征在于，所述成像約束條件 包括：成像距離范圍、方位角范圍、俯仰角范圍、方位角速率范圍以及俯仰角速率范圍。
5. -種天基空間目標(biāo)成像仿真裝置，其特征在于，包括：一互聯(lián)單元，用于調(diào)用接口 函數(shù)stklnit進(jìn)行STK和Matlab的互聯(lián)及初始化；一場(chǎng)景搭建單元，用于通過Matlab命 令行調(diào)用STK中的STK/Connect搭建場(chǎng)景，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，所述參數(shù)包括目標(biāo)星和監(jiān)視 星的姿態(tài)、軌道以及關(guān)注的成像時(shí)間段；一光照角搭建單元，用于通過Matlab命令行調(diào) 用STK/Connect搭建光照角；一相對(duì)矢量搭建單元，用于通過Matlab命令行調(diào)用STK/ Connect搭建監(jiān)視星指向目標(biāo)星的相對(duì)矢量；一初步結(jié)果輸出單元,用于輸出所述成像時(shí) 間段內(nèi)預(yù)設(shè)步長(zhǎng)的兩星交會(huì)相對(duì)信息；一成像弧段獲取單元，用于根據(jù)所述兩星交會(huì)相 對(duì)信息獲取成像弧段。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述天基空間目標(biāo)成像仿真裝置，其特征在于，所述初步結(jié)果輸出 單元輸出的所述兩星交會(huì)相對(duì)信息包括：成像時(shí)間、監(jiān)視星與目標(biāo)星之間相對(duì)距離、方位 角、俯仰角、太陽(yáng)光照角以及監(jiān)視星的星下點(diǎn)位置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述天基空間目標(biāo)成像仿真裝置，其特征在于，所述成像弧段獲取 單元進(jìn)一步用于：根據(jù)所述兩星交會(huì)相對(duì)信息，利用差分法求出方位角速率和俯仰角速率， 同時(shí)篩選出滿足預(yù)設(shè)成像約束條件的成像弧段。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述天基空間目標(biāo)成像仿真裝置，其特征在于，所述成像約束條件 包括：成像距離范圍、方位角范圍、俯仰角范圍、方位角速率范圍以及俯仰角速率范圍。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104217070SQ201410423444
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】朱永生, 蘇瑞豐, 胡海鷹, 鄭珍珍, 張科科, 周美江, 李宗耀, 盛蕾 申請(qǐng)人:上海微小衛(wèi)星工程中心