CN104457706A - 一种星上运动部件监视相机的布局方法 - Google Patents

Abstract

一种星上运动部件监视相机的布局方法，针对星上敏感器的布局及视场分析方法难以满足监视相机布局需求的问题，改变原有单纯依靠建立物理视场的方法，通过建立监视相机虚拟视场直观的呈现监视对象的在轨成像画面，实现监视相机虚拟视场随动，可方便调整监视相机视场指向，实现监视相机三维模型与虚拟视场随动，完成监视相机布局，自动输出最终监视相机布局信息，并进行视场分析及光照分析，对其监视效果进行评估，从而确定监视相机的星上安装位置，可大幅提高星上运动部件监视相机布局工作的效率和质量。

Description

一种星上运动部件监视相机的布局方法

技术领域

本发明涉及一种航天器上用于监视运动部件运动过程的监视相机的布局方法。

背景技术

随着通信卫星技术的发展，各种大型可展开运动部件被越来越多的应用于通信卫星，而这些大型星上运动部件往往需要多个步骤才能展开到位，在轨展开过程复杂，技术难度较大。为了降低运动部件展开过程的风险，提高对异常情况的处理能力，通信卫星设置了监视子系统，用于监视运动部件的展开过程，并辅助地面人员观察运动部件展开到位情况，同时在部件展开出现异常的情况下，通过监视子系统可以判断故障原因，为地面采取应急方案提供依据。

现有的针对星上敏感器的布局方法不能直观的呈现监视相机的成像画面，如果采用这种布局方法对监视相机进行定位布置，难以对运动部件的监视效果进行有效评估，同时不能满足监视相机的视场分析需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对星上敏感器的布局及视场分析方法难以满足监视相机布局需求的问题，提供了一种用于星上运动部件监视相机布局及视场分析的方法，通过建立监视相机虚拟视场直观的呈现监视对象的在轨成像画面，实现监视相机虚拟视场随动，方便的对相机视野进行调整，并进行视场分析及光照分析，对其监视效果进行评估，从而确定监视相机的星上安装位置。

本发明的技术解决方案是：一种星上运动部件监视相机的布局方法，包括如下步骤：

(1)确定监视相机的基本属性，包括监视相机的焦距、视场角、景深，以及监视相机虚拟视场的类型；

(2)确定监视相机坐标系原点相对于卫星机械坐标系原点的坐标值，从而确定监视相机的初始安装位置；

(3)在Catia Application中，通过对Cameras下的Camera3D对象进行访问，并按照步骤(1)和步骤(2)中确定的条件创建监视相机视场；

(4)根据目标监视部件的布局位置估计目标监视点的坐标位置，并作为目标监视点在卫星机械坐标系下的坐标位置初始值；

(5)在Catia Application中，对监视相机的视场指向进行调整，实现监视相机绕监视相机坐标系三个坐标轴的旋转，使监视相机视场范围能够覆盖目标监视部件及运动轨迹，并进入下一步；若监视相机的视场范围无法覆盖目标监视部件及运动轨迹，则返回步骤(4)重新估计目标监视点的坐标位置，直至监视相机的视场范围能够覆盖目标监视部件及运动轨迹后，进入下一步；

(6)在Catia Application中，通过访问光源对象，将光源定义为平行光源以模拟太阳光线，并对光源的位置进行编辑，模拟目标监视部件在轨展开时间段受太阳光照的情况，判断在步骤(5)确定的监视相机安装位置下视场光照条件是否满足监视相机的成像要求；若光照条件满足监视相机的成像要求则直接进入下一步，若光照条件不满足监视相机的成像要求，则返回步骤(2)重新确定监视相机的初始安装位置，直至光照条件满足监视相机的成像要求后进入下一步；

(7)通过读取Catia Application中所定义的相机坐标系属性，输出监视相机坐标系相对与卫星机械坐标系的安装矩阵，监视相机布局完成。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法改变了原有单纯依靠建立物理视场进行相机布局的方法，通过建立监视相机虚拟视场直观的呈现监视对象的在轨成像画面，实现了监视相机虚拟视场的随动，可方便的调整监视相机视场指向，实现监视相机三维模型与虚拟视场随动，完成监视相机布局，并自动输出最终监视相机的布局信息。在此过程中，可并行进行光照效果分析，对其监视效果进行评估，从而确定监视相机的星上安装位置，大幅提高了星上运动部件监视相机布局工作的效率和质量。

附图说明

图1为本发明坐标系的定义示意图；

图2为本发明方法的流程框图。

具体实施方式

如图1所示，以下首先给出几个坐标系的定义：

卫星机械坐标系定义如下：

坐标原点O_A：位于卫星下端框与运载火箭机械分离面内，与星箭对接框接口的理论圆心重合；

O_AX_A轴(卫星的滚动轴)：过原点O_A，与卫星东板理论法线方向平行，正方向与东板外法线方向一致；

O_AZ_A轴(卫星的偏航轴)：过原点O_A，与卫星承力筒轴线平行，正方向指向对地面方向；

O_AY_A轴(卫星的俯仰轴)：与O_AX_A轴和O_AZ_A轴构成右手直角坐标系，正方向与卫星南板外法线方向一致。

相机坐标系定义如下：

坐标原点O_B：位于相机镜头平面内，与镜头的理论圆心重合；

O_BZ_B轴：过原点O_B，与相机光轴平行,正方向指向目标方向；O_BX_B轴、O_BY_B与O_BZ_B轴垂直分别指向相机盒体长宽方向；O_BY_B轴与O_BX_B和O_BZ_B轴构成右手直角坐标系。

本发明利用三维软件CATIA的自定义视图功能模块，通过二次开发，完成以下工作：

1)建立监视相机虚拟视场，直观呈现在轨成像画面；

2)可方便调整监视相机属性，视场指向，完成监视相机布局；

3)实现监视相机三维模型与虚拟视场随动；

4)对太阳光对相机视场的影响进行分析；

5)自动输出最终监视相机布局信息。

如图2所示，为本发明方法的流程框图，主要步骤如下：

(1)根据监视相机的性能参数，确定虚拟视场基本属性，包括监视相机的焦距、视场角、景深等参数；

(2)根据监视相机机械安装要求，初步确定监视相机在卫星上的安装位置。通过输入监视相机坐标系原点相对于卫星机械坐标系原点的坐标值，由此确定监视相机初始安装位置；

(3)创建监视相机视场；

在Catia Automation中所有的数据都封装成对象的形式，可以通过根对象对所有的其他对象进行访问。其中Application对象是根对象，通过这个对象的Douments，Windows和SystemService等属性就可以访问CATIA所有的对象。为了处理数量不确定的对象集合，提供了Documents、Windows、Cameras、Viewers等集合对象，每个集合对象都从相同的对象Collection派生出来，这个对象具有一些操纵集合的方法和属性，如Add、Remove、Item方法和Count属性。通过这些方法和属性就可以确切知道这个集合对象包含多少个此类的对象并对其中的任何一个对象进行访问，同时也可以向这个集合中添加新的对象和删除其中的对象。

利用VB语言GetObject函数访问Catia中Application根对象，创建监视相机Camera，对其Camera下的Camera3D对象进行访问和编辑，完成虚拟视场基本属性，包括相机的焦距、视场角、景深等参数的设定；在此基础上，按照上面的定义，分别建立卫星机械坐标系和监视相机坐标系，确定监视相机视场光轴方向与各坐标轴关系，并使得相机光轴与相机坐标系的O_BZ_B轴重合。

(4)输入监视相机目标监视点在卫星机械坐标系下的坐标位置初始值；

此步骤可根据目标监视部件布局位置粗略估计目标监视点坐标位置，作为后续相机光轴指向调整的参考点；

(5)对相机视场指向进行调整，实现绕相机坐标系三个坐标轴的旋转以及绕相机光轴的旋转，使监视相机的监视效果(视场)达到设计要求；

视场指向调整设置了两种方式：目标点设置和指向角度增量式调整。

目标点设置是对Camera3D自定义视图属性进行编辑，通过修改目标点坐标来实现。

指向角度增量式调整是调用GetSightDirection获得当前Camera3D视图下的光轴矢量，通过进行齐次坐标转换，实现其绕相机坐标系三个坐标轴的正转与反转，然后调用PutSightDirection对Camera3D视图下光轴进行重新设置。

视场旋转的实现是调用GetUpDirection获取视场方位信息，然后使其绕视场光轴旋转，然后调用PutUpDirection对Camera3D视图方位进行重新设置。

齐次坐标变换形式为：

其中^AP为空间任一点在坐标系A(卫星机械坐标系)中的位置矢量，^BP空间任一点在坐标系B(监视相机坐标系)中的位置矢量，为坐标系B的原点相对于坐标系A的位置矢量，为坐标系B相对于坐标系A的旋转矩阵，为坐标系B相对于坐标系A的齐次变换矩阵，综合表示了平移变换和旋转变换。

假设相机光轴原点由矢量ai+bj+ck描述，其中i,j,k为轴X_B,Y_B,Z_B上的单位矢量，其平移齐次变换表示为：

$\mathrm{Trans}(a,b,c)=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& a\\ 0& 1& 0& b\\ 0& 0& 1& c\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

相对于X_B,Y_B或者Z_B作转角为θ的旋转变换表示为：

$\mathrm{Rot}(x,\mathrm{\θ})=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ 0& \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$\mathrm{Rot}(y,\mathrm{\θ})=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\θ}& 0& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}& & \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$\mathrm{Rot}(z,\mathrm{\θ})=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

(6)在Catia Application中，通过访问光源对象，将光源定义为平行光源，模拟太阳光线，并对光源的位置进行编辑，调整光源位置，模拟卫星运动部件在轨展开时间段受太阳光照的情况，判断当前布局下视场光照条件是否满足相机成像要求；

(7)监视相机视场确定后，输出相机坐标系相对与卫星机械坐标系的安装矩阵，监视相机布局完成。

通过以上调整得到理想的相机视场后，可以通过调用GetOrigin获取Camera原点在卫星机械坐标系下的位置，调用GetSightDirection获取Camera光轴相对与卫星机械坐标系的矢量表示，调用GetUpDirection获取Camera视场上框相对与卫星机械坐标系的矢量表示。

通过编辑监视相机Product属性，使监视相机三维模型的原点与Camera原点保持重合，监视相机Z轴与光轴重合，Y轴与视场上框平行，从而使三维模型的位置与Camera位置相对应，并跟随Camera属性的调整进行随动，实现视场调整完成，相机三维模型的布局也随即完成。

安装矩阵输出如下：

原点	Ox	Oy	Oz
				X轴	Rxx	Rxy	Rxz
Y轴	Ryz	Ryy	Ryz
				Z轴	Rzx	Rzy	Rzz

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种星上运动部件监视相机的布局方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)确定监视相机的基本属性，包括监视相机的焦距、视场角、景深，以及监视相机虚拟视场的类型；

(2)确定监视相机坐标系原点相对于卫星机械坐标系原点的坐标值，从而确定监视相机的初始安装位置；

(3)在Catia Application中，通过对Cameras下的Camera3D对象进行访问，并按照步骤(1)和步骤(2)中确定的条件创建监视相机视场；

(4)根据目标监视部件的布局位置估计目标监视点的坐标位置，并作为目标监视点在卫星机械坐标系下的坐标位置初始值；

(5)在Catia Application中，对监视相机的视场指向进行调整，实现监视相机绕监视相机坐标系三个坐标轴的旋转，使监视相机视场范围能够覆盖目标监视部件及运动轨迹，并进入下一步；若监视相机的视场范围无法覆盖目标监视部件及运动轨迹，则返回步骤(4)重新估计目标监视点的坐标位置，直至监视相机的视场范围能够覆盖目标监视部件及运动轨迹后，进入下一步；

(6)在Catia Application中，通过访问光源对象，将光源定义为平行光源以模拟太阳光线，并对光源的位置进行编辑，模拟目标监视部件在轨展开时间段受太阳光照的情况，判断在步骤(5)确定的监视相机安装位置下视场光照条件是否满足监视相机的成像要求；若光照条件满足监视相机的成像要求则直接进入下一步，若光照条件不满足监视相机的成像要求，则返回步骤(2)重新确定监视相机的初始安装位置，直至光照条件满足监视相机的成像要求后进入下一步；

(7)通过读取Catia Application中所定义的相机坐标系属性，输出监视相机坐标系相对与卫星机械坐标系的安装矩阵，监视相机布局完成。