地球静止卫星紫外成像敏感器的辐射模拟仿真方法

摘要

本发明涉及一种地球静止卫星紫外成像敏感器的辐射模拟仿真方法，是在“地球紫外边缘亮环”存在和特征初步分析的基础上，设定波段范围为330-360nm，对“地球紫外边缘亮环”进行辐亮度模拟，并批量生成任意时间点的紫外模拟图像。主要步骤包括：特征点辐亮度值的获取；特征点在成像平面的投影转换；完整仿真数据的生成。本发明的地球静止卫星紫外成像敏感器的辐射模拟仿真方法可以批量、快速生成指定时间范围（时间点或时间段）内、不同观测模式下的“地球紫外边缘亮环”仿真数据，以确保敏感器研制的顺利实施。

说明书

技术领域

本发明涉及遥感成像仿真，特别涉及一种地球静止卫星紫外成像敏感器的辐射模拟仿真方法。

背景技术

航天器自主导航系统可以在少依赖甚至不依赖于地面系统支持的情况下,在轨实时确定航天器的位置和速度,实现自主运行，大大提高卫星系统的生存能力和安全性能。紫外成像敏感器作为航天器自主导航更为合理和优化的选择，受到了国内外的热切关注。紫外成像敏感器的研制需要对地球的紫外特性即“地球紫外边缘亮环”的分布规律进行分析归纳，以为相机的硬件设计和应用处理的系统开发提供数据输入。

国外的紫外敏感器最早起源于美国霍尼韦尔（Honeywell）公司在1992年研制的紫外三轴姿态敏感器即地球基准确定系统（ERADS），1994年完成了飞行试验，但是具体试验详情未见报道。国内的紫外成像敏感器已成功应用于月球探测卫星的导航与定位，然而地球其本身存在外层大气与复杂的地物特性，月球测绘导航的紫外成像敏感器无法直接应用于地球测绘导航，国内相关人员也针对地球测绘导航的紫外成像敏感器进行了积极的研究并取得了一些成果。文献搜索显示国内自2001年开始出现紫外敏感器的研究：2001年张爱红等在参考美国专利的基础上，改进设计了太阳同步低轨道的紫外星敏感器的光学系统；2004年魏春玲等人对基于紫外敏感器的导航在地球中低轨道、大椭圆轨道和同步轨道上的应用进行了数学仿真验证；2007年耿建中等人验证了自适应粒子滤波在卫星紫外导航中应用的有效性；2013年孙俊等人提出一种利用地球紫外波段和恒星可见光波段为卫星进行自主导航的方法，减小了位置和速度误差；2014年徐达等人设计了静态紫外地球模拟器光学系统，采用物理模拟的方法对紫外导航敏感器进行地面标定和精度测试。由上可知，我国紫外敏感器的研制仍处于逐步摸索的发展时期，然而以上研究和方法均未能形成静止卫星的“地球紫外边缘亮环”模拟图像，无法为紫外敏感器的硬件设计和应用处理提供数据支持。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术缺点，提出一种地球静止卫星紫外成像敏感器的辐射模拟仿真方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供的地球静止卫星紫外成像敏感器的辐射模拟仿真方法，包括以下步骤：

第一步、特征点辐亮度值的获取——以地球同步静止卫星为平台，选取相对于星下点上下左右四个位置以及±45o倾角直线与地球相交的临边点、星下点、临边点与星下点间的中间点作为地表特征点，各临边点地心方向垂直向上以5km间隔递增至95km的点作为高程特征点，提取指定时间的所述地表特征点和高程特征点的紫外辐亮度值；

第二步、特征点在成像平面内的投影转换——将所述特征点的三维球面坐标转换至敏感器所成二维图像的平面坐标，具体步骤如下：

a1）、首先以星下点为中心，根据传感器和地球的几何关系，求得各特征点的球面坐标；其次，以地心-星下点方向为X轴，投影平面水平轴方向为Y轴，投影平面垂直轴方向为Z轴，根据球面坐标与空间直角坐标系的坐标转换关系进行转换，得到将特征点的球面坐标转换为空间直角坐标，进而得到特征点在投影平面上的投影坐标；

a2）、将各特征点的投影坐标转为极坐标表示；

a3）、将地球表面以上大气层95km的距离定义为M个标准单位，而地球表面至地心6371km的距离定义为N个标准单位，建立以M+N个标准单位为半径的仿真圆盘，将步骤a2）中获得的各特征点的极坐标转换为所述仿真圆盘的极坐标；

第三步、完整仿真数据的获取，步骤如下：

b1）、正向坐标转换：将仿真圆盘变换为以仿真圆盘周长为长、以仿真圆盘半径为宽的仿真矩形，仿真矩形的长为Y轴，宽为X轴，各特征点在仿真圆盘下的极坐标变换为仿真矩形下的直角坐标；

b2）、辐射亮度插值：使用线性插值的方法对相邻特征点进行插值，获得插值点的紫外辐射亮度值；

b3）、反向坐标转换：将仿真矩形反向变换为仿真圆盘，仿真矩形的长为仿真圆盘的周长，仿真矩形的宽为仿真圆盘的半径，各特征点和插值点在仿真矩形下的直角坐标变换为仿真圆盘下的极坐标；

第四步、最终获得的所有特征点和插值点在仿真圆盘下的极坐标值和各自的辐射亮度为指定时间下的地球静止卫星紫外成像敏感器的辐射模拟仿真数据。

为了解决以上技术问题，本发明还具有以下进一步的特征：

1、第一步中，通过大气辐射传输模拟软件MODTRAN对所有特征点进行辐亮度值的获取，辐亮度值获取的参数输入包括大气模拟条件和模拟卫星的轨道类型，大气模拟条件是各特征点的标准大气和气候模式；模拟卫星为地球同步静止卫星，与地球表面的距离为36000km，卫星星下点的位置为：赤道，东经102o。

2、步骤a1）中，第i个特征点的球面坐标为（lon_i，lat_i，R_i），其中，lon_i为第i个特征点的经度，lat_i为第i个特征点的纬度，R_i为第i个特征点的切高h_i与该地区地球半径r之和。

3、步骤a3）中，M=95，N=100。

4、步骤b1）中，将仿真圆盘变换为仿真矩形的方法如下：把仿真圆盘沿任一半径方向切开作为x轴，切开半径的右侧沿顺时针旋转，将圆心沿y轴正向拉伸为仿真圆盘周长的长度，形成以仿真圆盘周长为长、以仿真圆盘半径为宽的仿真矩形。

5、步骤b2）中，X轴的插值步长为1/8个标准单位，Y轴的插值步长为1/2个标准单位。

6、步骤b3）中，将仿真矩形变换为仿真圆盘的方法如下：将仿真矩形中由圆心拉伸形成的长边缩放为一点，另一长边中y值不为0的点沿逆时针方向旋转与y值为0的点会合，重新生成仿真圆盘。

本发明的地球静止卫星紫外成像敏感器的辐射模拟仿真方法可以批量、快速生成指定时间范围（时间点或时间段）内、不同观测模式下的“地球紫外边缘亮环”仿真数据，以确保敏感器研制的顺利实施。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明地球静止卫星紫外成像敏感器的辐射模拟仿真方法流程图。

图2为本发明方法的特征点示意图。

图3为本发明方法的特征点在成像平面的投影转换示意图。

图4为本发明方法中特征点的正反坐标转换示意图。

图5为本发明模拟得到的2013年6月15日上午10点的“地球紫外边缘亮环”仿真数据示意图。

具体实施方式

下面根据附图详细阐述本发明，使本发明的技术路线和操作步骤更加清晰。

如图1所示，为本发明实施例地球静止卫星紫外成像敏感器的辐射模拟仿真方法流程图，包括以下步骤：

第一步、特征点辐亮度值的获取——如图2所示，以地球同步静止卫星为平台，选取相对于星下点上下左右四个位置以及±45o倾角直线与地球相交的临边点、星下点、临边点与星下点间的中间点作为地表特征点（地表特征点共有17个），各临边点地心方向垂直向上以5km间隔递增至95km的点作为高程特征点（高程特征点共有152个），所有特征点的数量为169个，提取指定时间（本例中为北京时间2013年6月15日上午10点）的所有地表特征点和高程特征点330-360nm波段内的辐亮度值；

本步骤中，通过大气辐射传输模拟软件MODTRAN对所有特征点进行辐亮度值的获取，辐亮度值获取的参数输入包括大气模拟条件和模拟卫星的轨道类型，大气模拟条件是各特征点的标准大气和气候模式；模拟卫星为地球同步静止卫星，与地球表面的距离为36000km，卫星星下点的位置为：赤道0.00，东经102.00。

第二步、特征点在成像平面内的投影转换——将所述特征点的三维球面坐标转换至敏感器所成二维图像的平面坐标(投影转换示意图见图3)，具体步骤如下：

a1）、首先以星下点为中心，根据传感器和地球的几何关系，求得各特征点的球面坐标；其次，以地心-星下点方向为X轴，投影平面水平轴方向为Y轴，投影平面垂直轴方向为Z轴，根据球面坐标与空间直角坐标系的坐标转换关系进行转换，得到将特征点的球面坐标转换为空间直角坐标，进而得到特征点在投影平面上的投影坐标；本步骤中，第i个特征点的球面坐标为（loni，lati，Ri），其中，loni为第i个特征点的经度，lati为第i个特征点的纬度，Ri为第i个特征点的切高hi与该地区地球半径r之和；

a2）、将各特征点的投影坐标转为极坐标表示；

a3）、将地球表面以上大气层95km的距离定义为95个标准单位，而地球表面至地心6371km的距离定义为100个标准单位，建立以195个标准单位为半径的仿真圆盘，将步骤a2）中获得的各特征点的极坐标转换为所述仿真圆盘的极坐标。

第三步、完整仿真数据的获取，步骤如下：

b1）、正向坐标转换：如图4所示，将仿真圆盘变换为以仿真圆盘周长为长、以仿真圆盘半径为宽的仿真矩形，仿真矩形的长为Y轴，宽为X轴，各特征点在仿真圆盘下的极坐标变换为仿真矩形下的直角坐标；将仿真圆盘变换为仿真矩形的方法如下：把仿真圆盘沿任一半径方向切开作为x轴，切开半径的右侧沿顺时针旋转，将圆心沿y轴正向拉伸为仿真圆盘周长的长度，形成以仿真圆盘周长为长、以仿真圆盘半径为宽的仿真矩形；

b2）、辐射亮度插值：使用线性插值的方法对相邻特征点进行插值，获得插值点的紫外辐射亮度值；在插值过程中需要注意的是，如果插值结果密度与仿真矩形密度相等，则在完成反向坐标转换后，“地球紫外边缘亮环”仿真数据会出现坏点数据（辐亮度为0，图示中为黑点），因此在插值过程中，需将仿真矩形的X轴插值加密至8倍以上才能仿止坏点数据的出现。本实施例中，X轴的插值步长为1/8个标准单位，Y轴的插值步长为1/2个标准单位；

b3）、反向坐标转换：将仿真矩形反向变换为仿真圆盘，仿真矩形的长为仿真圆盘的周长，仿真矩形的宽为仿真圆盘的半径，各特征点和插值点在仿真矩形下的直角坐标变换为仿真圆盘下的极坐标；将仿真矩形变换为仿真圆盘的方法如下：将仿真矩形中由圆心拉伸形成的长边缩放为一点，另一长边中y值不为0的点沿逆时针方向旋转与y值为0的点会合，重新生成仿真圆盘。

第四步、最终获得的所有特征点和插值点在仿真圆盘下的极坐标值和各自的辐射亮度为指定时间下的地球静止卫星紫外成像敏感器的辐射模拟仿真数据。如图5所示为基于该仿真数据生成的地球紫外边缘亮环示意图。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。