劉 燕 汶德勝 易紅偉 殷勤業(yè)

1(西安明德理工學(xué)院 西安 710124)

2(西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 西安 710049)

3(中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 西安 710119)

0 引言

空間目標(biāo)即人類(lèi)開(kāi)展空間活動(dòng)產(chǎn)生的對(duì)象，主要包括人造地球衛(wèi)星、空間站、空間運(yùn)載工具以及直徑大于1 cm 的空間碎片等。隨著進(jìn)入空間的目標(biāo)數(shù)量不斷增加，以及其載荷復(fù)雜化、目標(biāo)形狀多樣化、目標(biāo)體積小型化等特點(diǎn)，對(duì)于空間目標(biāo)特性研究提出了迫切需求。目前，空間目標(biāo)光學(xué)特性分析與模型特征技術(shù)的發(fā)展受到關(guān)注，并在各研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?？臻g目標(biāo)是一個(gè)復(fù)雜的幾何體，為了真實(shí)描述目標(biāo)的光學(xué)特性，一般用方體、柱體、球體及錐體等典型的幾何形狀對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行幾何建模[1,2]。本文研究的基本形狀光度視星等曲線變化規(guī)律，主要適用于地基光電探測(cè)系統(tǒng)獲取的中高軌遠(yuǎn)距離點(diǎn)目標(biāo)的光度信息分析。

目前，關(guān)于空間目標(biāo)視星等曲線反射模型和光度數(shù)據(jù)反演目標(biāo)特點(diǎn)的研究不斷深入。Shan 等[3]對(duì)自旋棱柱體的光度曲線開(kāi)展了分析及姿態(tài)研究。Liu等[4]對(duì)圓柱體、立方體目標(biāo)基于Phong 模型建立視星等曲線，研究得出立方體底面積是影響其光度的主要決定因素，而圓柱體側(cè)面積是其主要決定因素。Sun 等[5]對(duì)衛(wèi)星幾何模型基于DAVIS 反射模型建立視星等曲線，認(rèn)為太陽(yáng)帆板對(duì)衛(wèi)星整體光度的貢獻(xiàn)不可忽略。Zhou 等[6]介紹了通過(guò)雷達(dá)光電成像信息處理，實(shí)現(xiàn)在軌空間目標(biāo)狀態(tài)及姿態(tài)估計(jì)的幾種最新技術(shù)。

本文仿真給出了球體、圓錐體、長(zhǎng)方體和圓柱體4 種形狀在自旋與非自旋狀態(tài)下的視星等曲線。通過(guò)分析不同形狀、姿態(tài)、相位角條件下視星等曲線各自特點(diǎn)及規(guī)律，建立基本形狀目標(biāo)視星等曲線數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)空間目標(biāo)位置、姿態(tài)和形狀反演工作提供了較為完整的數(shù)據(jù)模型。

1 地球慣性坐標(biāo)系至衛(wèi)星載體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

衛(wèi)星姿態(tài)主要是指確定衛(wèi)星的載體坐標(biāo)系相對(duì)于慣性參考系的旋轉(zhuǎn)角度，因此要實(shí)現(xiàn)地球慣性坐標(biāo)系至衛(wèi)星載體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換首先需要確定衛(wèi)星姿態(tài)[7,8]。通過(guò)衛(wèi)星仿真工具包仿真獲得每一時(shí)刻衛(wèi)星的姿態(tài)四元數(shù)，有

q4為歐拉轉(zhuǎn)角；n和θ分別為旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)角。四元數(shù)表示的姿態(tài)矩陣為

經(jīng)過(guò)平移姿態(tài)矩陣旋轉(zhuǎn)歸一化，可以得到太陽(yáng)與觀測(cè)站在衛(wèi)星載體坐標(biāo)系中的矢量，即

其中：上標(biāo) B 表示向量位于衛(wèi)星載體坐標(biāo)系，上標(biāo)I 表示向量位于地球慣性坐標(biāo)系；分別為通過(guò)衛(wèi)星仿真工具包仿真獲得每一時(shí)刻的太陽(yáng)矢量、衛(wèi)星矢量及觀測(cè)站矢量。

2 形狀模型

將空間目標(biāo)形狀拆分為圓柱、多面體、球形、錐形等基本形狀的組合。目標(biāo)表面可視為由許多微小面元構(gòu)成，且每個(gè)微小面元都可以利用BRDF 模型描述其反射特征[9,10]，這里采用面元分割法對(duì)基本形狀表面進(jìn)行劃分。在目標(biāo)載體坐標(biāo)系中，每個(gè)面元定義三個(gè)基本的坐標(biāo)向量為面元的法向量，垂直于面元向外，和在面元內(nèi)且相互垂直，三者符合笛卡兒坐標(biāo)系右手定律，衛(wèi)星為剛體，三者不會(huì)隨時(shí)間變化。在目標(biāo)載體坐標(biāo)系內(nèi)，每個(gè)面元定義為 衛(wèi)星指向太陽(yáng)的單位向量，為衛(wèi)星指向地面觀測(cè)站的單位向量，為和的平分向量，如圖1 所示。

圖1 形狀反射模型Fig.1 Shape reflection geometry

3 基于各向異性Phong 模型的視星等值計(jì)算

為了表征物體表面光散射的空間分布，1977 年Nicodemus 給出BRDF 的嚴(yán)格定義：經(jīng)過(guò)目標(biāo)表面沿 (θr，φr)方 向反射出射的輻亮度dLr(θr，φr，?φ)與沿(θi，φi)方向入射到目標(biāo)表面的輻照度dEi(θi，φi)之比。圖2 給出了定義BRDF 坐標(biāo)的幾何角度關(guān)系，其中θ和φ分別表示天頂角和方位角，下標(biāo)i 和r 分別表示入射和探測(cè)方向，λ為光的波長(zhǎng)。

圖2 BRDF 幾何關(guān)系Fig.2 BRDF geometric diagram

式（5）表示BRDF 的一般定義，通過(guò)測(cè)量入射輻照度及物體表面反射的輻亮度計(jì)算BRDF，在實(shí)際應(yīng)用中并不廣泛，通常通過(guò)建立物體表面的反射模型，模擬獲取物體表面的BRDF 表達(dá)式。各向異性Phong 模型主要由鏡面反射分量ρspec(i)和 漫反射分量ρdiff(i)組成[11]，i表示每個(gè)面元，有

鏡面反射分量為

式中D為材料鏡面反射分布特性，有

式中，Rspec為 材料鏡面反射系數(shù)。定義Rdiff為材料漫反射系數(shù)，則漫反射分量為

太陽(yáng)可見(jiàn)光波段輻射至目標(biāo)的輻照度為

其中，N為單位面元個(gè)數(shù)，由目標(biāo)表面分割后的網(wǎng)格個(gè)數(shù)確定。

由太陽(yáng)光壓SRP 引起的加速度被建模為物體面向太陽(yáng)的面積、表面屬性和姿態(tài)的函數(shù)。本文給出的視星等值計(jì)算沒(méi)有考慮太陽(yáng)光壓的影響。因?yàn)榕c引力加速度相比，太陽(yáng)光壓加速度非常小[13]。

4 不同形狀的光度特征信息仿真

基于衛(wèi)星仿真工具包建立場(chǎng)景，仿真時(shí)間為2019 年5 月22 日04:00:00－06:00:00 UT，地面觀測(cè)站坐標(biāo)為（108°E,34°N）高度0 km，衛(wèi)星為地球同步軌道衛(wèi)星，經(jīng)度120°處軌道傾角為30°；初始姿態(tài)q=[0.746057 –0.106878 –0.100389 0.649537]，根據(jù)式（1）可以解算出目標(biāo)的自轉(zhuǎn)軸n=[0.981228–0.140568–0.132033]。

圖4 圓錐形面元分割Fig.4 Conical element segmentation

圖5 圓柱形面元分割Fig.5 Cylindricall element segmentation

首先利用SolidWorks Explorer 2014 軟件建模，然后用HyperMesh14.0 分割面元，再用Matlab 處理所有節(jié)點(diǎn)與面元文件，獲得每一個(gè)面元中心點(diǎn)在空間目標(biāo)本體坐標(biāo)系下的法向量坐標(biāo)和位置坐標(biāo)。圖3～5 分別表示面元分割后的球形、錐形和圓柱形。球形表面積100 m2，分割為374 個(gè)面元，每個(gè)面元面積為0.2674 m2；錐形表面積100 m2，分割為1266 個(gè)面元，每個(gè)面元0.0790 m2；圓柱形表面積100 m2，分割為576個(gè)面元，每個(gè)面元0.1736m2；正方形表面積100m2，分割為6 個(gè)面元，每個(gè)面元16.7 m2。除正方形外，其他三種目標(biāo)形狀均為曲面，面元?jiǎng)澐衷叫t獲得的面元法向量越精確。以下通過(guò)三種情況分別研究形狀、姿態(tài)、相位角對(duì)目標(biāo)光度曲線的影響。

圖3 球形面元分割Fig.3 Spherical element segmentation

情況1球體、圓錐體、正方體、圓柱體的表面積均為100 m3，不同形狀會(huì)隨著相位角變化造成視面積不同，4 種形狀物體均不自旋轉(zhuǎn)動(dòng)。太陽(yáng)–目標(biāo)–觀測(cè)站之間的夾角即為相位角。圖6（a）為觀測(cè)時(shí)間內(nèi)球體視星等曲線與相位角變化曲線的關(guān)系，可以看出球體視星等值變化規(guī)律與相位角變化規(guī)律完全一致；圖6（b）為觀測(cè)時(shí)間內(nèi)正方體視星等值曲線與相位角變化曲線的關(guān)系，可以看出兩條曲線變化規(guī)律大致相同；而圖6（c）（d）的曲線變化規(guī)律相似度逐次減弱。圖7 為4 種形狀目標(biāo)隨時(shí)間變化的視星等值對(duì)比，總體上看球體視星等值變化緩慢且平均值最大，其次是圓錐體。正方體、圓柱體和圓錐體目標(biāo)側(cè)面和底面對(duì)視星等的影響不同[4]，造成視星等極大值與相位角極大值在時(shí)間上出現(xiàn)偏離。

圖6 相位角與視星等的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve between phase angle and apparent magnitude

圖7 視星等曲線Fig.7 Apparent magnitude curve

情況2圖8～11 分別為球體、圓錐體、正方體、圓柱體在姿態(tài)角速度分別為0(°)·min–1、3(°)·min–1、8(°)·min–1、12(°)·min–1時(shí)自旋的視星等曲線。隨著自旋角速度的增加，目標(biāo)波動(dòng)頻率增加，但自旋對(duì)球體視星等曲線的影響不大，只有在自旋角速度較大時(shí)視星等值才會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的微小波動(dòng)，而對(duì)于其他三個(gè)形狀自旋引起的波動(dòng)非常明顯。

圖8 球體不同角速度下的視星等Fig.8 Apparent magnitude of the sphere at different angular velocities

圖9 圓錐體不同角速度下的視星等Fig.9 Apparent magnitude of the cone at different angular velocities

圖10 正方體不同角速度下的視星等Fig.10 Apparent magnitude of the cube at different angular velocities

圖11 圓柱體不同角速度下的視星等Fig.11 Apparent magnitude of the cylinder at different angular velocities

圖12 球體視星等波形曲線Fig.12 Apparent magnitude curve of the sphere

圖13 圓錐體視星等波形曲線Fig.13 Apparent magnitude curve of the cone

圖14 正方體視星等波形曲線Fig.14 Apparent magnitude curve of the cube

圖15 圓柱體視星等波形曲線Fig.15 Apparent magnitude curve of the cylinder

情況3由圖12～15 可發(fā)現(xiàn)不同形狀目標(biāo)的波動(dòng)波形也不同，并且其波形有各自的規(guī)律和特點(diǎn)：正方體的波動(dòng)曲線類(lèi)似正弦曲線且整體變化趨勢(shì)與不自旋時(shí)的曲線相同，圓柱與圓錐的波動(dòng)曲線形狀也有各自特點(diǎn)，球體的波動(dòng)波形不明顯。因此，波的形狀可以體現(xiàn)目標(biāo)的形狀特點(diǎn)。

5 結(jié)論

仿真結(jié)果表明不同形狀的目標(biāo)視星等曲線有其各自特點(diǎn)?？臻g目標(biāo)在不發(fā)生自旋時(shí)，球體等中心對(duì)稱(chēng)目標(biāo)的視星等變化規(guī)律與相位角變化規(guī)律相似度極高，可以根據(jù)曲線的相似度推斷目標(biāo)是否為中心對(duì)稱(chēng)體；正方體、圓柱體和圓錐體等有正面和側(cè)面的目標(biāo)，視星等變化曲線會(huì)出現(xiàn)比較明顯的極值，這些特點(diǎn)可以作為劃分空間目標(biāo)形狀的依據(jù)?？臻g目標(biāo)發(fā)生自旋時(shí)，視星等曲線會(huì)發(fā)生波動(dòng)，角速度越大波動(dòng)頻率越快。由于目標(biāo)自轉(zhuǎn)過(guò)程中，不同形狀各個(gè)面反射的光線及遮擋情況不同，因此球體的曲線波動(dòng)不是很明顯；錐體、正方體、圓柱體波動(dòng)曲線的波形明顯不同，有其各自規(guī)律及特點(diǎn)。今后研究重點(diǎn)是基于UKF 的衛(wèi)星位置、姿態(tài)、材料以及形狀的反演，加入偏振度彌補(bǔ)光度反演的不足。