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1、天宫二号伴星可见光相机成像仿真方法 韩意 陈明 孙华燕 张宇 孔静 北京航天飞行控制中心 航天工程大学 摘 要： 以天宫二号伴星对组合体的观测任务为需求, 采用了一种基于 Open GL 的伴星可见光相机成像仿真方法, 根据组合体、伴星的星历和姿态数据以及组合体 3 ds 格式三维模型, 设置了 Open GL 透视投影成像模型参数, 结合组合体表面材质特性和可见光相机成像性能模型进行了处理和计算, 生成了组合体可见光仿真图像。通过与伴星实际拍摄的图像比较, 验证了文中方法的有效性和可信性。可为天基光学成像载荷设计与系统仿真、飞控任务安排等提供参考和依据。关键词： 成像仿真; 可见光相机; O
2、pen GL; 伴星; 组合体; 作者简介：韩意 (1986-) , 男, 工程师, 博士, 主要从事轨道计算、空间光电信息处理方面的研究。Email:收稿日期：2017-04-07基金：国家自然科学基金 (11373013) Imaging simulation method of TG-02 accompanying satellites visible cameraHan Yi Chen Ming Sun Huayan Zhang Yu Kong Jing Beijing Aerospace Control Center; Space Engineering University; Ab
3、stract： Aiming at the TG-02 accompanying satellite s observation mission, the imaging simulation method of visible camera based on Open GL was introduced. Based on the ephemeris and attitude data of the complex and the accompanying satellite, and 3 ds format of the complex 3 D model, the parameters
4、of Open GL perspective projection model were set properly. Combined with the complex surface material properties and the visible camera imaging performance model, the complex s visible image sequences were simulated. By being compared with actual observation images, the simulation method was proved
5、to be effective and credible. This research can provide references for design and system simulation of space-based optical imaging payload, as well as the flight control task arrangement.Keyword： imaging simulation; visible camera; Open GL; accompanying satellite; complex; Received： 2017-04-070 引言以图
6、像为主要研究对象的天基光学成像探测技术, 是获得重点合作与非合作空间目标特征信息的重要技术途径之一。天基光学成像系统与地基光学成像系统相比可以获得更近的观测距离, 能够在合适条件下对目标近距离成像, 获取目标几何形态特征、提供目标认知依据。但由于现实条件制约, 无法在太空中进行大量试验, 难以获得充足的真实目标图像源, 因此成像系统建模仿真是完成载荷和平台测试及验证工作的重要方式, 成为当前热点研究内容之一1。在提高目标图像质量、分析各个环节对图像获取的影响等方面, 成像仿真技术起着重要的技术支撑。根据真实目标光学图像进行对比分析, 是验证仿真方法和结果的有效途径2。美国在天基光学成像仿真领域
7、开展研究较早, 已经取得了显著成果, 形成了系统化和商业化的仿真软件, 如 TASAT、SVST 和 STK EOIR 模块等, 这些研究在空间目标跟踪、监视与识别工作当中, 发挥了重要的指导、预测和评估作用。国内也积极开展相关研究工作, 有关单位设计和实现了光学成像仿真软件系统, 具备场景可视化、成像仿真和数据分析处理等功能, 仿真模型比较齐全, 功能也比较完善, 研究成果已经应用到了空间光学相机的设计与性能测试当中, 但成像仿真方法与结果还缺少基于真实天基实测图像的比对和验证3-6。2016 年 9 月 15 日, 伴随小卫星随天宫二号空间实验室发射入轨, 10 月 23 日 7点 31
8、分从天宫二号上成功释放, 24 日将首次拍摄的天宫二号与神舟十一号组合体红外影像回传地面, 25 日将首批组合体全貌高质量可见光图像回传地面, 圆满完成首次拍照任务, 这也是我国载人航天工程中获得的第一批组合体全貌的高清照片。伴星搭载的可见光相机为 2 500 万像素, 近距离观测分辨率达厘米级, 所拍照片能够清楚展示组合体舱外仪器和设备。伴星的释放、控制和拍摄技术得到了验证, 未来可为航天器在轨服务提供支持3。文中以天宫二号伴星对组合体的观测任务为需求, 采用了一种基于 Open GL 和组合体 3 ds 模型的可见光相机成像仿真方法, 根据两目标星历数据、姿态数据, 仿真生成组合体在轨飞行
9、图像序列。10 月 23 日, 在伴星释放之前, 使用预报的两目标星历和姿态数据, 预先仿真演示了释放之后可见光相机对组合体拍照的效果;当伴星进入地面测站跟踪弧段后, 使用其下传的实测星历数据仿真生成组合体图像。10 月 25 日伴星下传组合体可见光图像后, 对比了仿真图像与实拍图像, 二者比较一致, 验证了文中方法的有效性和正确性。使用文中的仿真方法能够开展动态成像仿真试验, 模拟航天器在相对运动过程中距离、方位、姿态运动以及不同光照条件对相机成像效果的影响, 可为成像载荷设计和飞行任务安排、释放窗口设计和轨道控制策略等起到辅助和参考作用。1 成像仿真原理可见光相机实际拍摄的组合体图像的关键
10、特征包括:图像大小、分辨率、组合体在图像上所占像素、组合体姿态、可见部位及像素灰度等。文中的目的就是根据相机成像性能模型, 利用计算机仿真技术模拟出这些特征, 生成逼真的目标图像。可见光相机通过光学透镜组将三维场景投影到像探测器 CCD 的二维平面上, 此过程可用相机成像模型来描述。设空间某一点 P 在世界坐标系下的坐标为 (X S, YS, ZS, 1) , 在相机成像平面上相对应像点的图像像素坐标为 (u, v) , 则有:式中:矩阵 M1只与相机内部参数有关;M 2为外部参数矩阵, 由相机相对于世界坐标系的方位决定。Open GL 是开发二维、三维图形应用程序的最佳环境和工具之一, 主要
11、通过模型变换、透视变换和仿射变换等过程将三维物体显示为计算机屏幕上的二维图像。其透视投影成像过程为:将三维模型上的某一点X SYSZSWS经过模型矩阵 M的旋转、平移等变换, 再经过投影矩阵 P 的透视投影变换, 最后经过归一化除法和矩阵 F 的视口变换, 得到该点在屏幕上的对应像素坐标 (x w, yw, 1) , 该过程可用公式表达为4:由公式 (1) 、 (2) 可以看出, 二者都可以用矩阵表示变换过程, 因此完全可以根据目标、相机的相对几何关系和相机有关参数, 合理设置 Open GL 透视投影成像模型中的参数, 实现相机成像模拟, 也即几何成像仿真5。这时生成的图像中目标大小、姿态准
12、确, 能够体现不同相机参数、目标姿态和距离等因素对成像的影响, 但目标所占像素的灰度值还需要进一步处理, 才能生成高可信度的仿真图像。文中使用 Visual C+和 Open GL 开发了仿真工具软件, 根据轨道确定结果获得指定时刻的组合体、伴星的位置、速度等参数, 据此设置 Open GL 透视投影成像模型参数, 读取和处理含有材质信息的组合体 3ds 格式三维模型, 再结合目标材质特性和可见光相机成像性能模型进行处理, 生成最终的仿真图像。通过切换不同时刻伴星与组合体的相对位置关系, 能够进行动态成像仿真, 生成运动图像序列, 模拟出组合体成像的大小、形状和姿态随两目标相对运动不断变换的过
13、程。成像仿真的内容包括: (1) 目标精密轨道确定, 计算地球、太阳、组合体和伴星之间的相对位置关系, 输出指定时刻组合体和伴星的精确位置、速度和姿态参数; (2) 组合体建模, 建立组合体三维几何模型和材质表面散射特性模型; (3) 可见光相机成像性能建模, 综合分析各有关因素对图像大小、分辨率及目标成像灰度的影响。仿真的主要依据有: (1) 组合体尺寸和几何结构、伴星和组合体相对几何关系、可见光相机几何成像模型等因素, 决定了图像大小、目标姿态及所占像素数目; (2) 太阳光照情况、组合体表面材料的光学散射特性和相机成像性能等因素, 决定了图像中组合体各部位像素的灰度值、噪声大小等。2 成
14、像仿真方法2.1 目标轨道确定在实际任务中, 利用组合体和伴星的地基、天基测量数据并考虑轨控影响进行精密轨道确定, 计算和预报两目标在过去、当前和未来一段时间内任意时刻的运动状态 (包括星历和姿态参数) 。定轨过程中考虑的摄动力影响主要包括地球质点摄动、非球形引力摄动、大气阻力摄动、日月引力摄动、太阳光压摄动等。伴星释放时, 组合体轨道高度为 393 km, 两目标轨道确定位置误差为 10 m 量级6。文中主要使用了 J2 000 地心平赤道惯性坐标系、轨道坐标系 (RTN 坐标系) 、目标本体坐标系以及欧拉角来计算和描述目标的位置、速度、姿态。其中, J2 000 地心坐标系原点为地球质心,
15、 参考平面为 J2 000.0 时刻的地球平赤道面, Z 轴正向指向北极, X 轴正向指向平春分点。RTN 坐标系原点为目标质心, R 轴为地心到质心的向径方向, T 轴在轨道面内与 R 轴垂直, 为飞行器运动方向, N为轨道面正法向。组合体与伴星的本体坐标系 o-xyz 如图 1 所示, 其中组合体本体坐标系原点为质心, 基本平面 xoz 为纵对称面, 滚动轴 ox 指向组合体前部, oy 轴垂直于基本平面, 与太阳帆板旋转轴平行。伴星的可见光相机视轴指向为 ox 轴负向。图 1 组合体和伴星的本体坐标系示意图 Fig.1 Body coordinate system of complex
16、and accompanying satellite 下载原图欧拉角 、 是用来确定定点转动刚体位置的三个角参量, 其中偏航角 为目标 ox 轴在 RTN 坐标系中 TON 平面上的投影与 OT 轴的夹角, 俯仰角 为目标 ox 轴与其在 TON 平面上的投影的夹角;滚动角 为目标 oy 轴与其在TON 平面上的投影的夹角。组合体太阳帆板正面 (装有太阳能电池片) 的法向与 oz 轴负向平行时, 定义帆板转角 为 0。通过组合体和伴星的轨道确定, 可获得两目标的任意时刻星历和姿态数据, 为成像仿真提供准确的相对几何关系参数, 包括:时间、组合体位置、速度和姿态;伴星位置、速度和姿态;太阳位置等。在开展动态成像仿真实验的同时, 通过绘制、显示和观察三维可视化空间场景, 有助于理解、分析和掌握组合体成像效果的总体变化趋势, 使仿真过程具备真实感和沉浸感。在轨道确定基础上建立的三维场景如图 2 所示, 能动态演示伴星从天宫二号释放、远离以
