[发明专利]一种用于深空探测的彗星光学点信号模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于航天导航技术领域，尤其涉及一种用于深空探测的彗星光学信号模拟方法。

背景技术

2005年美国“深度撞击号”(DeepImpact)飞船发射的“撞击器”(Impactor)成功撞击了“坦普尔1号”(Tempel1)彗星，从此拉开了人类撞击彗星探索的序幕。这次撞击探测中光学导航是撞击器能够准确击中目标的重要保障，在光学导航中，无论是导航相机的测试，还是光学导航中数据处理方案的验证，都离不开星空及目标彗星的光学信号，在探测器实际拍得真实的星空及目标彗星图像前，唯一获得光学信号的途径就是地面实验室环境下的模拟仿真。

目前，国内外已有多家单位成功研制了恒星模拟器，较好的满足了利用恒星的姿态进行测量的测试实验工作，但是导航相机单纯获取恒星信息只能用于姿态确定，要确定探测器与目标彗星的相对位置，还必须获得目标彗星的准确光学信息。

在彗星距离探测器较远时，探测器观测到的是由彗核、彗发和背景亮度共同作用的点信号，目前还没有较为有效的方法对彗星的点信号进行模拟，以获得目标彗星的准确光学信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于深空探测的彗星光学点信号模拟方法，以获得目标彗星的准确光学信息。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于深空探测的彗星光学点信号模拟方法，该方法的步骤如下：

（1）利用现有的成熟技术绘制出具有准确时空关系和亮度等级的星空背景；

（2）依照彗星的点信号光学信号模型，计算出在不同方位，不同距离上，探测器所能观测到的亮度等级，并运用粒子系统对目标彗星的点信号进行重建；

（3）根据模拟器输入的时间、观测平台的位置以及导航相机的指向，生成目标彗星相应方向的模拟信号；

（4）将投影到高性能显示器上，完成光学信号在空间和辐射亮度上的数/模转换，最终形成模拟的光学信号。

对目标彗星的点信号进行重建的具体步骤如下；

①在彗星的真实位置产生一定数目的新粒子，且每个粒子都有一个设定的较短的生命期；

②更新现存粒子的属性：粒子的生命期递减一个时间步长，其位置和速度属性按照下式进行更新：                                               ，其中代表粒子的速度，表示时间，表示粒子的位置；而粒子的亮度更新则要按照点信号光学信号模型进行更新；

③检查彗星点信号粒子系统中粒子的生命期，若为0，则将粒子从系统中删除；

④添加太阳干扰模型；

⑤显示彗星点信号粒子系统中所有现存的粒子。

彗星的点信号光学信号模型如下：

其中，指亮度等级，是曝光时间，和分别是观测和撞击时彗星相对太阳的距离，是曝光时彗核的转动相位，模型中参数是彗发的亮度，参数是背景亮度，参数是彗核的亮度常值，和是周期系数。

太阳干扰模型中太阳对光学探测器的简单影响模型如下式所示：

。

在日心黄道坐标系中，探测器对太阳的观测相角为导航相机成像方向与太阳方向直接的夹角，其公式如下：

其中，探测器到太阳的距离为，敏感器成像方向为矢量。 

本发明用于深空探测的彗星光学点信号模拟方法运用OpenGL三维图形库编程实现了光学信号的模拟，对彗星的点信号运用粒子系统进行重建接着根据模拟器输入的时间、观测平台的位置以及相机的指向，生成相应方向的模拟信号，并投影到高性能显示器上，完成光学信号在空间和辐射亮度上的数/模转换，最终形成模拟的光学信号。该方法绘制简单直观，效果较好，为深空探测尤其是彗星撞击探测中光学导航相机提供了可靠的动态光学信号。

附图说明

图1是彗星形态示意图；

图2是探测器敏感器成像方向与太阳方向之间的关系图；

图3是模拟器输入参数生成光学信号的流程图；

图4是彗星点信号粒子系统生成流程图；

图5是探测器实拍“坦普尔1号”影像图；

图6是“坦普尔1号” 实拍时本发明模拟器彗星模拟信号图。

具体实施方式

下面结合具体的实施方式对本发明做进一步介绍：

1. 彗星光学信号模型