CN104792346B - 一种空间目标光学特性实测条件的室内模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空间目标光学特性实测条件的室内模拟装置，其包括光源(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)；通过本发明的巧妙设计，尤其是三轴转台和单轴转动的探测器支架形成的四轴系统，仅用较小的空间，简洁的实现了任意姿态、任意光照角度下，高角度精度、大尺寸空间目标模型的光学特性测量。

Description

一种空间目标光学特性实测条件的室内模拟装置

技术领域

本发明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装置。

背景技术

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Optical Measurements Center(OMC)at NASA/JSC，(National Aeronautics and Space Administration/Johnson Space Center)(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。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种空间目标光学特性实测条件的室内模拟装置。本发明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。

本发明的空间目标光学特性实测条件的室内模拟装置，其包括光源(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)；

在室内选取一半圆区域，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)，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；

探测器支架(7)一端安装探测器(4)，另一端与三轴转台连接，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；

探测器导轨(5)，为半六边形，且六边形的中心与半圆区域的圆心重合，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)，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；

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)，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，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；第二支撑臂连接固定于第一支撑臂(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；且第三支撑臂(34)两端均有延伸段，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。

进一步的，室内模拟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。

进一步的，三轴转台中心与反射镜之间的距离为所述半圆区域的半径。

进一步的，探测器支架(7)为支撑式或悬挂式；

所述支撑式为：探测器导轨(5)铺于地面；

所述悬挂式为：探测器导轨(5)固定于室内天花板。

进一步的，所述活动支点部件装有电机，由电机驱动在探测器导轨(5)上行进，带动探测器支架(7)和探测器(4)绕三轴转台转动。

进一步的，所述探测器支架(7)的轴Axis 0处安装电机，由电机驱动探测器支架(7)带动探测器(4)旋转，活动支点采用从动结构。

有益效果：

对比已有技术，本发明既能够实现与“以卫星本体坐标为基准”的设备布局完全相同的相对角度覆盖效果，又能够简化实验操作，节约实验空间，便于自动化操作，具体优点如下：

1、本发明能实现在实验室模拟空间目标的任意角度光照及观测场景。

2、在相同距离条件下，相比美国OMC，本发明的方案布局所需空间仅约为其的一半，更易于在长方形房间中开展，更适用于一般实验室环境的改造布置，节约环境改造费用。

3、目标模型的任意角度旋转，由三轴转台实现，旋转精度高(角度精度优于0.1度)，旋转中心点始终固定(中心漂移限制在直径10mm的一个球空间中)，可实现高精度的目标姿态模拟。并且由于三轴转台优异的力学性能，可以承重较大重量的目标模型(≥10Kg)。而美国OMC控制目标模型任意旋转采用的是串联式工业机械臂，其角度控制精度低，中心点稳定度低，承重小(只能夹持小的碎片)，并且其姿态控制十分复杂(串联机构控制关系复杂)。

4、本方案中光源使用大口径光源，照射光斑(直径≥1.1m)可以覆盖住大尺寸的目标模型(宽度或者高度大于1m)并实现测量。

5、本方案中卫星在轨位置姿态模拟采用成熟商业软件进行，通过构建坐标系和矢量变换，可以直接计算出各轴所需旋转角度，再将角度数据直接输入转台及导轨控制机构即可，调度控制算法简洁。

6、实验室整体方案中对墙面、地面、天花板及设备本身做消光处理，使得实验过程中环境杂散光低，干扰小。

附图说明

图1为现有技术中的以卫星本体坐标系为基准的设备布局示意图；

图2为现有技术中的室内光学特性测量布局示意图；

图3为本发明的三轴转台结构示意图；

图4为本发明的空间目标光学特性室内模拟装置的布局示意图；

图5为本发明的空间目标光学特性室内模拟装置的布局俯视图；

图6为本发明的卫星本体坐标系示意图；

图7为实测时的空间目标的坐标系示意图；

图8为本发明的空间目标模型的坐标系示意图；

图9为本发明中Y轴在参考平面上的投影矢量PY的示意图；

图10为本发明的辅助坐标系OX”Y”Z”及转台三轴旋转角度示意图；

图11为本发明的四轴系统整体轴系图。

其中附图标记为：

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；探测器支架-7；底座-31；第一支撑臂-32；第二支撑臂-33；第三支撑臂-34。

具体实施方式

如图4和图5所示，本发明的空间目标光学特性实测条件的室内模拟装置包括光源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；

在室内选取一半圆区域，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，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；

探测器支架7一端安装探测器4，另一端与三轴转台连接，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，效果较佳的，探测器支架转轴设为Axis 0，通过其转动控制光源-目标模型-探测器三者定义的观测相位角；

探测器导轨5，为半六边形，且六变形的中心与半圆区域的圆心重合，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，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；

如图3所示，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，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，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；第二支撑臂连接固定于第一支撑臂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；且第三支撑臂34两端均有延伸段，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。此时，四轴系统整体轴系如图11所示。

室内模拟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，见图5；

进一步的，三轴转台中心与反射镜之间的距离为所述半圆区域的半径。

进一步的，探测器支架为支撑式或悬挂式；

所述支撑式为：探测器导轨5铺于地面；

所述悬挂式为：探测器导轨5固定于室内天花板。

进一步的，所述活动支点部件装有电机，由电机驱动在探测器导轨5上行进，带动探测器支架7和探测器4绕三轴转台转动。也可在探测器支架7的轴Axis 0处安装电机，由电机驱动探测器支架7带动探测器4旋转，活动支点采用从动结构。

本装置的实现方法是：

步骤1，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，如图6所示。

步骤2，如图8所示，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3，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，真实空间目标和实验室模型的坐标系对应如图7和图8所示；

步骤4，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，如图9所示，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”，如图10所示。

步骤5，零时刻，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6，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BaseAngle，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RollAngle；

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LiftAngle，使得辅助坐标系中X”轴和本体坐标系中X轴夹角等于LiftAngle。

针对美国OMC通过使光源在整个圆形轨道上移动的方式实现了目标的全角度照明，所需实验室空间较大的问题。本方案采用了空间折叠的方式，可使所需实验室面积缩小近一半。规定从俯视角度看，光源矢量开始，Phase Angle顺时针为正，逆时针为负，本设计中Phase Angle只能取0～180度；

当真实卫星的观测相位角Phase Angle为0到180°时，按照上述的方式进行空间目标光学特性测量模拟；

当真实卫星的观测相位角Phase Angle为0到-180°时，将整个室内模拟装置以光源矢量VL为轴虚拟地旋转180°，即控制探测器支架绕Axis 0转到相反的Phase Angle(加负号)，第一支撑臂绕轴Axis 1转到相反的Base Angle(加负号)，第三支撑臂绕轴Axis 2转180度，后再按照上述的方式进行空间目标光学特性测量。

上述Base Angle与Phase Angle正负定义一样，顺时针为正，逆时针为负，旋转范围是-180～180度。

在将整个室内模拟装置虚拟地以光源矢量VL为轴旋转180°时，空间目标模型绕轴Axis 3转动为零，因此不需要转动Axis 3。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种空间目标光学特性实测条件的室内模拟装置，其特征在于，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)；

在室内选取一半圆区域，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)，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；

探测器支架(7)一端安装探测器(4)，另一端与三轴转台连接，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；

探测器导轨(5)，为半六边形，且六边形的中心与半圆区域的圆心重合，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)，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；

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)，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，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；第二支撑臂连接固定于第一支撑臂(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；且第三支撑臂(34)两端均有延伸段，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；

所述室内模拟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。

2.如权利要求1所述的空间目标光学特性实测条件的室内模拟装置，其特征在于，三轴转台中心与反射镜之间的距离为所述半圆区域的半径。

3.如权利要求1所述的空间目标光学特性实测条件的室内模拟装置，其特征在于，探测器支架(7)为支撑式或悬挂式；

所述支撑式为：探测器导轨(5)铺于地面；

所述悬挂式为：探测器导轨(5)固定于室内天花板。

4.如权利要求1所述的空间目标光学特性实测条件的室内模拟装置，其特征在于，所述活动支点部件装有电机，由电机驱动在探测器导轨(5)上行进，带动探测器支架(7)和探测器(4)绕三轴转台转动。

5.如权利要求1所述的空间目标光学特性实测条件的室内模拟装置，其特征在于，所述探测器支架(7)的轴Axis0处安装电机，由电机驱动探测器支架(7)带动探测器(4)旋转，活动支点采用从动结构。