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CN111508327A - 一种地球南北极地景物绕地心轴线快速旋转的靶标系统 - Google Patents

一种地球南北极地景物绕地心轴线快速旋转的靶标系统 Download PDF

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CN111508327A
CN111508327A CN202010342743.2A CN202010342743A CN111508327A CN 111508327 A CN111508327 A CN 111508327A CN 202010342743 A CN202010342743 A CN 202010342743A CN 111508327 A CN111508327 A CN 111508327A
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earth
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north
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CN202010342743.2A
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杨秀彬
韩金良
王绍恩
岳炜
徐婷婷
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Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Original Assignee
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
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Abstract

一种地球南北极地景物绕地心轴线快速旋转的靶标系统属于空间光学遥感技术领域，解决了地球南北极区域绕地轴快速转动、引起地表切向速度变化快、方向各异、大小不均衡等问题。该系统包括：极地模拟单元，成像模拟单元和驱动控制单元；极地模拟单元按照比例模拟纬度60°以上自转的地球，并模拟地球的俯视图；成像模拟单元模拟卫星位于极地模拟单元上空运动和对极地模拟单元成像；驱动控制单元驱动极地模拟单元旋转，并控制成像模拟单元的成像速度。本发明模拟真实情况下卫星对南北极地景物的成像情况；不仅可以对极地景物的拍摄效果进行仿真，还同时具备对极地不同区域形成的像移速度进行定标的能力，通过具体计算即可得到像移合速度的大小和方向。

Description

一种地球南北极地景物绕地心轴线快速旋转的靶标系统
技术领域
本发明属于空间光学遥感技术领域，具体涉及一种地球南北极地景物绕地心轴线快速旋转的靶标系统。
背景技术
地球的南北两极是地球生态环境重要的组成部分，也是全球气候变化的温度计，因此各国对于极地的科研考察从未停下脚步。近年来，由于人类不合自然规律的活动，全球气候变暖问题不断加剧，极地冰川融化速度加快，海平面上升，生态遭到严重破坏，由此引发的灾害频频发生。极地的生态环境急需全人类关注，但是南北两极由于其极寒的温度人烟稀少，对其环境的监测难度十分巨大，由此易见空间光学遥感技术成为最好手段，航天领域在极地科考的作用愈发重要。但是天基技术存在着成本高、风险大等特点，发射前的地面实验、仿真对其应用起着至关重要的作用，这就要求仿真系统具有高保真度，实验结果具有真实、有效、可靠等特点，从而降低科研风险。
由于地球自转等因素影响，传统卫星成像通常集中在南北纬65°或70° 以内的区域，成像方式多为星下点成像或侧摆成像，像移速度为卫星飞行速 度在地球上的投影和地球自转切向速度的二维合速度，在低纬度区变化较为 缓慢，易于测量修正，如图1所示，然而随着纬度增加，极地区域地面转动 速度相对于卫星运动变化愈发复杂，极点周围的速度方向大小更是各处不同。 由于这种运动的复杂性，此过程产生的像移对成像影响非常严重，常规的模 拟装置无法满足此种复杂的模拟要求，且国内外对于这种非常规的运动模拟尚缺乏有效手段，需要一种对地球南北极地成像的地面演示系统，为极地成 像质量的分析提供有力指导，因此提出一种地球南北极地景物绕地心轴线快 速旋转的靶标系统。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种地球南北极地景物绕地心轴线快速旋转的靶标系统，解决了地球南北极区域绕地轴快速转动、引起地表切向速度变化快、方向各异、大小不均衡等问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种地球南北极地景物绕地心轴线快速旋转的靶标系统，该系统包括：极地模拟单元，成像模拟单元和驱动控制单元；
所述极地模拟单元按照比例模拟纬度60°以上自转的地球，并模拟地球的俯视图；
所述成像模拟单元模拟卫星位于所述极地区域上空运动和对所述极地模拟单元成像；
所述驱动控制单元驱动所述极地模拟单元旋转，并控制所述成像模拟单元的成像速度。
优选的，所述极地模拟单元包括水平转动平台，设置在所述水平转动平台上的极地模型，和设置在所述极地模型上的极地靶标；
所述成像模拟单元包括：安装在所述极地模型上方的相机运动轨道，设置在所述相机运动轨道上的相机架，和安装在所述相机架上的工业相机；
所述驱动控制单元包括：与所述水平转动平台和所述相机架连接的驱动装置，和安装在所述驱动装置上，控制所述水平转动平台和所述相机架转速的驱动控制装置。
优选的，所述极地模型和所述极地靶标按照1:1000000比例模拟地球。
优选的，所述极地靶标的内容可更换。
优选的，所述相机运动轨道与所述极地模型的弧度相同。
本发明的有益效果是：本发明根据缩放比例确认极地模型的曲率半径大小、转动平台转速、相机轨道高度、相机运动速度等参数，搭建极地模型及具体成像装置，使极地模型水平转动、相机在轨道上绕模型进行运动拍照，以模拟真实情况下卫星对南北极地景物的成像情况；通过极地模型上的靶标，不仅可以对极地景物的拍摄效果进行仿真，还同时具备对极地不同区域形成的像移速度进行定标的能力，通过具体计算即可得到像移合速度的大小和方向。
附图说明
图1传统卫星成像演示图。
图2本发明一种地球南北极地景物绕地心轴线快速旋转的靶标系统北极地区像移速度关系示意图。
图3本发明一种地球南北极地景物绕地心轴线快速旋转的靶标系统模拟装置侧视图。
图4本发明一种地球南北极地景物绕地心轴线快速旋转的靶标系统模拟装置俯视图。
图中：1、水平转动平台，2、极地模型，3、极地靶标，4、工业相机，5、固定装置，6、相机运动轨道，7、驱动装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图2和图3所示，一种地球南北极地景物绕地心轴线快速旋转的靶标系统，该系统包括：极地模拟单元，成像模拟单元，驱动控制单元；
极地模拟单元包括水平转动平台1，极地模型2和极地靶标3；
成像模拟单元包括工业相机4，相机架和相机运动轨道6；
驱动控制单元包括驱动装置7和驱动控制装置。
极地模型2默认以1:1000000的比例模拟纬度60°以上的地球。具体做法将地球视为球体，两极地位于正上和正下方，将该比例的地球模型在60°纬度处以垂直地轴的水平面切开球体并取其上半部分，得到底面半径为 3.2m、高约0.8m、弧面曲率半径6.4m的球冠。其中纬度66.5°为极圈所在处，同时极地模型2上装有用于验证和测量的极地靶标3。
极地靶标3设置在所述极地模型2表面，根据实验内容可进行更换，默认为1:1000000比例的地球俯视图，表面积约为34.5平方米。可以通过相机拍摄极地靶标在地球自转和卫星运动情况下的照片，准确模拟卫星位于极地上空对地面的成像情况，可对极地不同区域形成的像移速度进行定标。
所述极地模型2设置在水平转动平台1上，用于带动极地模型2进行转动，所述极地模型2上配有用于固定极地模型2的装置，下方由驱动转置7 提供转动力矩，带动所述水平转动平台1进行水平周期转动，模拟地球极地绕地轴的自转，自转周期默认地球自转周期，自转的平均角速度 0.00007292rad/s。
成像模拟单元中相机运动轨道6通过固定结构5设置在所述极地模型2 的上方，为与极地模型2比例相同的圆弧形导轨，弧度与极地模型2上表面相同，相机运动轨道6距模型高度为0.5m，曲率半径6.9m。通过相机架将工业相机4固定于相机运动轨道6上，通过驱动装置带动工业相机4在相机运动轨道6上进行运动，默认速度为0.0076m/s。
驱动单元连接着水平转动平台1和相机架，通过对驱动控制装置的设置，所述驱动装置7控制水平转动平台1转速，使其保持水平匀速转动，模拟地球自转在极地地区的运动情况，南北极转动方向不同；通过设置驱动控制装置，所述驱动装置7控制工业相机4在相机运动轨道6上进行匀速运动，模拟卫星位于极地上空的运动情况。
使用前首先根据模拟的缩放比例计算极地模型2的曲率半径大小、水平转动平台1及驱动轮转速、相机运动轨道6距离极地模型2表面距离及其位置、工业相机4运动速度，调试模拟用的工业相机4。
确认所有装置的控制情况后安装极地模拟单元，依据模拟立体成像的缩放比例选择极地模型2，搭建模型所需曲率半径的圆弧面支撑框架并将其安装于水平转动平台1上，安装驱动轮、传动带等控制转动平台转动的驱动装置7。安装成像模拟单元，将圆弧导轨两端通过固定装置5固定在所需相机运动轨道6处，安装工业相机，使其能够对极地模型2成像。输入控制参数，启动驱动控制装置，控制极地模型2转动和工业相机4运动，进行成像模拟。
以北极地区为例，卫星以推扫方式成像，轨道倾角97°，成像区域如图 2所示，地球自转周期T＝23h56min＝86160s，自转的平均角速度为
Figure BDA0002469066520000041
以此得出转动平台的转动周期及角速度。取地球半径R＝6400km，根据原理可知在计算时可先计算实际速度，再通过比例进行换算。则不同纬度处的地球自转线速度为
Figure BDA0002469066520000051
通过计算可以得出60°纬度上的地球自转线速度
Figure BDA0002469066520000052
同理极圈的自转线速度v2＝186m/s，75°纬度上线速度v3＝121m/s。
轨道高度H为500km的卫星运行速度
Figure BDA0002469066520000053
则其地面上的投影速度
Figure BDA0002469066520000054
根据1∶1000000比例可以得出对应极地模型2上的各点像移的真实线速度，具体为
Figure BDA0002469066520000055
v2＝0.000186m/s，
v3＝0.00012lm/s，
v0＝0.00762m/s，
vs＝0.007067m/s
其中v0即为工业相机4在相机运动轨道6上的运行线速度。根据比例得出极地模型曲率半径大小为Rp＝640000/1000000＝6.4m，500km轨道高度的卫星模拟导轨距球面高度Hs＝0.5m，曲率半径6.9m。根据相机运动轨道6倾角安装极地模型2，通过固定装,5固定相机运动轨道6两端，将极地模型2自转角速度和工业相机4运行速度输入至驱动控制装置，使系统开始工作。
如图4所示，以A点为例，虚线表示的像移合速度，地球自转线速度v和投影速度vs之间的夹角ρ，其大小及方向如下
Figure BDA0002469066520000061
地球自转线速度v和投影速度vs的合速度为：
Figure BDA0002469066520000062
所述合速度与卫星运行速度方向的偏角为：
Figure BDA0002469066520000063
则模型上A点合速度vA＝0.007126m/s，方向偏右γA＝1.4239°
B点合速度vB＝0.007124m/s，方向偏右γB＝0.8584°
C点合速度vC＝0.007124m/s，方向偏左γC＝0.8584°
D点合速度vD＝0.007126m/s，方向偏左γD＝1.4239°。

Claims (5)

1.一种地球南北极地景物绕地心轴线快速旋转的靶标系统，其特征在于，该系统包括：极地模拟单元，成像模拟单元和驱动控制单元；
所述极地模拟单元按照比例模拟纬度60°以上自转的地球，并模拟地球的俯视图；
所述成像模拟单元模拟卫星位于所述极地区域上空运动和对所述极地模拟单元成像；
所述驱动控制单元驱动所述极地模拟单元旋转，并控制所述成像模拟单元的成像速度。
2.根据权利要求1所述的一种地球南北极地景物绕地心轴线快速旋转的靶标系统，其特征在于，
所述极地模拟单元包括水平转动平台，设置在所述水平转动平台上的极地模型，和设置在所述极地模型上的极地靶标；
所述成像模拟单元包括：安装在所述极地模型上方的相机运动轨道，设置在所述相机运动轨道上的相机架，和安装在所述相机架上的工业相机；
所述驱动控制单元包括：与所述水平转动平台和所述相机架连接的驱动装置，和安装在所述驱动装置上，控制所述水平转动平台和所述相机架转速的驱动控制装置。
3.根据权利要求2所述的一种地球南北极地景物绕地心轴线快速旋转的靶标系统，其特征在于，所述极地模型和所述极地靶标按照1:1000000比例模拟地球。
4.根据权利要求2所述的一种地球南北极地景物绕地心轴线快速旋转的靶标系统，其特征在于，所述极地靶标的内容可更换。
5.根据权利要求2所述的一种地球南北极地景物绕地心轴线快速旋转的靶标系统，其特征在于，所述相机运动轨道与所述极地模型的弧度相同。
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