一种考虑高精地形的月球南北极光照情况实时计算方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种考虑高精地形的月球南北极光照情况实时计算方法。

背景技术

在未来月球探测任务规划过程中，尤其是南北极地区的月球探测任务，需要对南北极预期探测区域的光照情况开展分析。

目前月面光照条件的计算，往往将忽略月面地形起伏对太阳的遮挡，将月球等效成椭球进行计算，缺乏在高地形空间分辨率影响的光照结果。在月球南北极区域，目前计算方法得出的结果误差大，难以在工程设计和科研实践中合理应用。

在月球南北极区域，目前计算方法得出的结果误差大，难以在工程设计和科研实践中合理应用。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种考虑高精地形的月球南北极光照情况实时计算方法，本发明提出的光照计算方法，可自定义地形搜索范围和精度，光照结果计算准确。

为实现上述目的，本发明提供了一种考虑高精地形的月球南北极光照情况实时计算方法，包括以下步骤：

S1：根据月球地面测量位置坐标建立所述地面测量位置的坐标系，光照计算模型输入所述地面测量位置的坐标，光照计算模型通过定义太阳的光照状态从而说明所述地面测量位置在考虑高精地形时的光照情况；

S2：根据所述地面测量位置的所述光照情况的计算参数和指定的地形数据库信息计算所述地面测量位置的最大高度角，即计算所述地面测量位置的地形遮罩情况；

S3：计算所述地面测量位置的所述地形遮罩情况后，通过高精度星历和指定时间序列计算太阳相关参数，根据所述太阳相关参数计算所述光照状态，从而进一步计算出所述地面测量位置的所述光照情况，所述地形遮罩情况和所述光照情况通过用户界面输出表格数据和图形数据。

较佳地，步骤S1中，建立所述地面测量位置的坐标系，具体为：

使用笛卡尔坐标系，输入所述地面测量位置的经纬高坐标，建立所述地面测量位置的坐标系，表示太阳和所述地面测量位置的周围地形的最大高度的位置。

较佳的，定义太阳的光照状态，具体为：

定义太阳的即为光照状态即为定义太阳被地形遮挡的比例，根据太阳被遮挡部分的大小将所述光照状态分为光照、半影和全影三种状态，根据所述光照状态表示所述地面测量位置的月夜、月昼或半影情况，进一步说明所述地面测量位置的月夜、月昼或半影时间，更说明所述地面测量位置在考虑高精地形时的光照情况。

较佳地，所述光照状态分为光照、半影和全影三种状态，具体为：

光照是指所述太阳完全不被遮挡，处于完全光照状态；半影是指所述太阳部分被遮挡，处于半影状态；全影是指所述太阳完全被遮挡，处于完全阴影状态。

较佳地，步骤S2中，所述计算参数进一步包括：地形搜索精度、地形搜索范围、光照计算跨度、光照计算间隔等计算参数。

较佳地，步骤S2中，计算所述地面测量位置地形遮罩情况，包括：

根据所述地面测量位置，获得所述地面测量位置周围区域的高精度地形数据，随后以所述地面测量位置北向为方位角零点，每隔0.5°或1°，计算所述地面测量位置360°方位的地形遮罩仰角参数，即地形遮罩参数；

根据所述地形遮罩参数，获得所述地面测量位置的地形遮罩范围，同时根据太阳方位角，进行所述太阳方位角插值，精确得到对应方位的地形仰角参数，进一步判别太阳的所述光照状态。

较佳地，步骤S3中，太阳相关参数包括：根据地面测量位置的周围地形的最大高度的位置，搜索指定时刻的所述光照状态下的地形最大仰角α

较佳地，所述太阳高度角El和所述太阳方位角Az的计算，具体为：

指定时刻下在所述地面测量位置的坐标系位置的太阳坐标

根据所述太阳坐标

较佳地，所述太阳视半径α

其中R

指定时刻所述光照状态，根据所述太阳光照状态判别所述地面测量位置的光照情况：

较佳地，在步骤S3中，所述地形遮罩情况和所述光照情况通过用户界面输出表格数据和图形数据，具体为：

建立用于计算所述地形遮罩情况和所述光照情况的所述用户界面，在所述用户界面上输入包括所述地面测量位置的坐标、所述地形数据库信息、所述计算参数在内的输入信息；

所述用户界面以服务的形式托管在一台服务器上，所述服务器接收到所述输入信息之后，通过所述地形遮罩情况的算法和所述光照情况的算法将结果返回给用户界面。

与现有技术相比，本发明提供了一种考虑高精地形的月球南北极光照情况实时计算方法，实现光照结果计算准确，同时可自定义地形搜索范围和精度，基于目前已有最高精度DEM地形数据，通过逐方位角搜索地平线并计算仰角，再结合太阳高度角和圆盘视直径，进而得到该地点光照计算结果，通过用户界面输出表格数据和图形数据。

附图说明

图1为地面测量位置水平坐标系示意图；

图2为当地地形遮罩属性设置页面示意图；

图3为地面测量位置的光照计算模型示意图；

图4为地面测量位置水平坐标系下太阳方位角和高度角示意图；

图5为地形遮罩的三维图形设置页面示意图；

图6是月球南极沙克尔顿坑底部的地形遮罩输出结果示意图；

图7是当地报告、图表等结果输出设置页面示意图；

图8是当地地形遮罩数据示意图；

图9是月球南极坑顶部P7点的光照时间段示意图；

图10是P7点光照强度等参数示意图；

图11是太阳方位角、高度角报告示意图。

附图标记：

1：天顶方向椭球体法线；

2；北极；

3：地线；

4：地面测量位置；

5：当地水平面；

6：月球；

7：月面南极坑顶点；

8：太阳圆盘；

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，专业技术人员可以对每个步骤使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

实施例

本发明的目的在于提供了一种考虑高精地形的月球南北极光照情况实时计算方法，本发明提出的光照计算方法，可自定义地形搜索范围和精度，光照结果计算准确。

为实现上述目的，本发明提供了一种考虑高精地形的月球南北极光照情况实时计算方法，包括以下步骤：

S1：根据月球地面测量位置坐标建立地面测量位置的坐标系，光照计算模型输入地面测量位置的坐标，光照计算模型通过定义太阳的光照状态从而说明地面测量位置在考虑高精地形时的光照情况，具体地，在本实施例中，将以月面南极坑顶点为例，计算南极的光照情况，以及输出相关图表；

S2：根据地面测量位置的光照情况的计算参数和指定的地形数据库信息计算地面测量位置的最大高度角，即计算地面测量位置的地形遮罩情况；

S3：计算地面测量位置的地形遮罩情况后，通过高精度星历和指定时间序列计算太阳相关参数，根据太阳相关参数计算光照状态，从而进一步计算出地面测量位置的光照情况，所述地形遮罩情况和所述光照情况可通过用户界面输出表格数据和图形数据，具体地，在本实施例中，用户界面主要涉及到地形遮罩情况的计算服务和光照情况的计算服务。

较佳地，步骤S1中，建立地面测量位置的坐标系，具体为：

参考图1所示，使用笛卡尔坐标系，输入地面测量位置的经纬高坐标，建立地面测量位置的坐标系，表示太阳和地面测量位置的周围地形的最大高度的位置，具体地，在本实施例中，本发明中在月面南极坑顶点观测太阳时，采用当地水平坐标系(也称北东地坐标系)，简称LH坐标系，其定义如下：

1)X轴指向当地北方向；

2)Y轴指向当地东方向；

3)Z轴指向当地天底方向

其中XY平面为当地水平面，垂直于地球椭球体法线，具体地，在本实施例中，输入南极坑顶点的坐标信息传送到用户界面。

较佳的，定义太阳的光照状态，具体为：

定义太阳的即为光照状态即为定义太阳被地形遮挡的比例，根据太阳被遮挡部分的大小将光照状态分为光照、半影和全影三种状态，根据光照状态表示地面测量位置的月夜、月昼或半影情况，进一步说明地面测量位置的月夜、月昼或半影时间，更说明地面测量位置在考虑高精地形时的光照情况。

较佳地，光照状态分为光照、半影和全影三种状态，具体为：

光照是指太阳完全不被遮挡，处于完全光照状态；半影是指太阳部分被遮挡，处于半影状态；全影是指太阳完全被遮挡，处于完全阴影状态。

优选地，光照状态分为光照、半影和全影三种状态，根据地面测量位置的所述光照状态精确说明所述地面测量位置的月夜、月昼或半影时间，具体地，在本实施例中，光照时指太阳完全不被遮挡，当地处于完全光照状态，太阳光照强度因子为1；半影是指太阳部分被遮挡，当地处于半影状态，太阳光照强度因为0-1之间的小数；全影是指太阳完全被遮挡，当地处于完全阴影状态，太阳光照强度因子为0。

较佳地，步骤S2中，计算参数进一步包括：地形搜索精度、地形搜索范围、光照计算跨度、光照计算间隔等计算参数。

较佳地，步骤S2中，计算地面测量位置地形遮罩情况，包括：

根据地面测量位置，获得地面测量位置周围区域的高精度地形数据，随后以地面测量位置北向为方位角零点，每隔0.5°或1°，计算地面测量位置360°方位的地形遮罩仰角参数，即地形遮罩参数，将计算数据在用户界面的本地保存；

根据地形遮罩参数，获得地面测量位置的地形遮罩范围，同时根据太阳方位角，进行太阳方位角插值，精确得到对应方位的地形仰角参数，进一步判别太阳的光照状态。

参考图2所示，应用界面的地形遮罩情况的计算服务，具体是打开该对象属性窗口，在“基础-地形遮罩”属性页面中，“使用”选项下拉框中选择“地形数据”，调用后台算法，使用地形数据进行地形遮罩计算，“地形遮罩参数”页面缺省未选中，则后台计算时使用缺省参数进行地形遮罩计算，步长缺省为5m，地形最大搜索距离为180km，实际使用时，需根据地形的实际情况，可选中“地形遮罩参数”，然后进行具体参数设置，同时可采用自定义两极Dem数据(本例中采用Moon_LDEM_80s_20m数据)，计算完毕后返回当前位置的地形遮罩情况保存在本地。

参考图3所示，步骤S3中，太阳相关参数包括：通过指定时刻的地面测量位置的地形高度角，计算太阳高度角El、太阳方位角Az、太阳圆盘半径α

较佳地，步骤S3中，太阳相关参数包括：根据所述地面测量位置的周围地形的最大高度的位置，搜索指定时刻的所述光照状态下的地形最大仰角α

更优地，太阳高度角El和太阳方位角Az的计算，具体为：

指定时刻下在地面测量位置的坐标系位置的太阳坐标

根据太阳坐标

具体地，在本实施例中，R

参考图4所示，具体地，在本实施例中，方位角定义为：X轴与太阳方向矢量在XY平面内的投影矢量的夹角，+X轴为零点，向+Y轴方向为正；高度角定义为：太阳方向矢量与XY平面的夹角，-Z轴方向为正。

较佳地，太阳视半径α

其中R

较佳地，指定时刻光照状态，包括：

根据太阳光照状态判别在南极某地面测量位置的光照情况。

较佳地，在步骤S3中，所述地形遮罩情况和所述光照情况通过用户界面输出表格数据和图形数据，具体为：

建立用于计算所述地形遮罩情况和所述光照情况的所述用户界面，在所述用户界面上输入包括所述地面测量位置的坐标、所述地形数据库信息、所述计算参数在内的输入信息；

所述用户界面以服务的形式托管在一台服务器上，所述服务器接收到所述输入信息之后，通过所述地形遮罩情况的算法和所述光照情况的算法将结果返回给用户界面。

参考图5所示，在“三维图形-地形遮罩”属性页面，可选中“距离设置”，使得三维窗口中，将地形遮罩参数以可视化的方式进行显示。

参考图6所示，地形遮罩参数显示结果。

参考图7所示，计算完成后，菜单栏点击“图表”，打开“报告和统计图”窗口，右侧的报告样式中，罗列出本发明可生成的图表样式，包含地形遮罩数据(“Azimuth-Elevation”)、光照时间段(“Lighting Times”)、光照强度参数(“Solar Intensity”)等，具体是把光照情况中的时间参数和计算的数据条目，其中数据条目包括光照强度，光照持续时间发送给光照情况的计算服务，计算完毕后返回结果，可自定义生成相关图表。

如图8所示，是通过用户界面提供的地形遮罩情况的算法得到的当地地形遮罩数据图。

如图9所示，是月球南极坑顶部月面南极坑顶点7点的光照时间段。

如图10所示，是月面南极坑顶点7光照强度等参数图，通过用户界面提供的光照情况的算法获得光照强度的图形数据。

如图11所示，是太阳方位角、高度角报告。

综上所述，本发明提出的月球南北极光照情况实时计算方法，可加载符合GIS标准的自定义高精地形数据，这大大扩展了光照计算中地形数据的兼容性和灵活性，通过相关图形界面的开发，用户可方便快捷指定任意时间跨度和计算间隔，方便用户计算当地任意时刻的光照情况。