[发明专利]一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统及方法

说明书

一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统及方法，高保真度视觉仿真系统包括任务管理与可视化子系统、三维网格编辑与优化子系统、环境配置与更新子系统、视觉图像渲染子系统、数据输入输出子系统，应用于深空探测视觉导航系统的前期设计和验证过程当中，可以提供高质量的全阶段仿真图像，通过获取的仿真图像实现火星探测精确定点着陆，能够对大多数深空天体进行图像渲染，对各类深空探测任务具有可拓展性和适应性。

技术领域

本发明涉及一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统及方法，属于航天器自主导航领域。

背景技术

利用视觉信息进行自主导航是实现火星探测精确定点着陆任务的重要手段之一。然而，由于火星距离遥远、探测器研制费用昂贵，所以必须要建立高保真度的仿真环境来模拟接近、下降和着陆过程中的序列图像，以对视觉导航系统进行预先设计和验证，从而加速研制进程并降低研制成本。

半物理仿真可以模拟真实感较强的系统环境，包括经过放缩后的目标天体模型以及传感系统和控制系统等，但也存在诸多限制，例如：(1)受系统误差的影响，无法精确测定探测器相对于目标的真实位姿关系和运动状态，故难以对导航系统进行有效地验证和正确地评价；(2)仿真平台的研制难度大、成本高、周期长，且操作复杂、需要进行标定。与此相反，数学仿真能够在真实尺度的环境下模拟各个阶段中导航所需的序列图像，同时精确提供探测器相对于目标的真实位姿关系和运动状态等参考信息，从而保证对导航系统进行可靠的验证与全面的评价。然而，目前已有的图像仿真系统还存在一些不足，包括：(1)图像质量无法满足要求，或运行效率低下；(2)图像最大分辨率较低，无法模拟最终着陆段的序列图像；(3)系统集成度不高，且缺乏简洁统一的用户接口，导致使用不方便、操作难度大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中存在的不足，提出了一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统，可以为视觉导航系统的设计与验证提供全阶段的高保真度仿真图像，有利于缩短其研发周期。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统，包括任务管理与可视化子系统、三维网格编辑与优化子系统、环境配置与更新子系统、视觉图像渲染子系统、数据输入输出子系统，其中：

任务管理与可视化子系统：用于对图像仿真任务进行管理与控制，同时在显示器上输出当前运行信息并与用户进行交互；

三维网格编辑与优化子系统：用于对参与仿真的环境要素模型进行编辑与优化；

环境配置与更新子系统：针对具体图像仿真任务配置相应的仿真环境，并根据输入参数对其进行更新，为后续的图像渲染做准备；

视觉图像渲染子系统：根据当前配置的环境参数渲染相机所观察到的图像；

数据输入输出子系统：用于读入外部数据来对图像仿真环境和仿真进程进行参数配置，并将仿真结果保存到指定路径。

所述任务管理与可视化子系统包括控制模块、通信模块、显示模块，所述控制模块根据当前图像仿真任务进行管理与控制，通过通信模块与用户进行信息交互，并通过显示模块进行当前任务运行信息的显示。

所述三维网格编辑与优化子系统包括模型读取模块、模型保存模块、模型编辑与优化模块，模型读取模块对参与仿真的环境要素进行读取，模型保存模块将读取所得模型进行保存，并通过模型编辑与优化模块进行编辑与优化，并通过任务管理与可视化子系统进行用户交互及显示。

所述环境配置与更新子系统包括目标天体模型模块、探测器模型模块、恒星星历模块、光照模块、摄像机模块、参数设置模块，目标天体模型模块、探测器模型模块根据模型读取模块读取到的环境要素类型进行模型模拟，通过恒星星历模块、光照模块、摄像机模块为当前图像仿真任务配置相应的仿真环境，并通过参数设置模块进行参数更新。