CN101814107A - 基于卫星动力学模型库的卫星动力学仿真系统及仿真方法 - Google Patents
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Abstract
基于卫星动力学模型库的卫星动力学仿真系统及仿真方法，它涉及计算机仿真技术领域。它解决了解决现有的动力学仿真系统需重复建立仿真模型来完成建模所导致的研制成本高、周期长的问题，本发明的基于卫星动力学模型库的卫星动力学仿真系统包括：卫星动力学模型库，用于提供多种轨道动力学仿真模型、多种空间环境仿真模型、多种姿态动力学仿真模型、多种敏感器测量仿真模型和多种基本算法仿真模型；模型管理系统，用于根据仿真任务对卫星动力学模型库中各类模型进行调用和控制，以实现卫星动力学仿真。本发明适用于卫星仿真。
Description
技术领域
本发明涉及计算机仿真技术领域，具体涉及一种基于卫星动力学模型库的卫星动力学仿真系统及仿真方法。
背景技术
对于卫星的研制与设计来说，仿真是一个不可缺少的环节并贯穿整项工程的始终。在最初的方案设计阶段，采用数学仿真的方式，对系统的动态和稳态性能进行验证、比较，以确定系统的方案和最优参数。
卫星动力学仿真是卫星数学仿真的重要组成部分，它模拟了卫星的空间环境和卫星的轨道姿态运动，为卫星控制系统的设计提供了一个数学仿真环境。控制系统根据动力学仿真系统产生的卫星姿轨信息和敏感器信息，计算出控制信息并反馈给动力学仿真系统，由此验证控制系统的有效性。因此，卫星动力学仿真对卫星仿真测试具有重要的作用和地位。
目前许多卫星动力学仿真都是针对特定任务进行需求分析，再建立相应的动力学仿真模型，这不仅大大加长了卫星的设计周期，并且在不同仿真任务中可能对同一模型进行重复建立，降低了资源的利用率，进而增加研制成本。
发明内容
为了解决现有的动力学仿真系统需重复建立仿真模型来完成建模所导致的研制成本高、周期长的问题，本发明提供了基于卫星动力学模型库的卫星动力学仿真系统及仿真方法。
本发明的基于卫星动力学模型库的卫星动力学仿真系统，它包括：
卫星动力学模型库，用于提供多种轨道动力学仿真模型、多种空间环境仿真模型、多种姿态动力学仿真模型、多种敏感器测量仿真模型和多种基本算法仿真模型；模型管理系统，用于根据仿真任务对卫星动力学模型库中各类仿真模型进行调用和控制，以实现卫星动力学仿真。
所述卫星动力学模型库包括：轨道动力学子模型库，用于提供多种轨道动力学仿真模型；空间环境子模型库，用于提供多种空间环境仿真模型；姿态动力学子模型库，用于提供多种姿态动力学仿真模型；敏感器测量子模型库，用于提供多种敏感器测量仿真模型；基本算法子模型库，用于为轨道动力学子模型库、空间环境子模型库、姿态动力学子模型库和敏感器测量子模型库提供多种基本算法仿真模型。
基于上述卫星动力学仿真系统的仿真方法为：
模型管理系统根据仿真任务从轨道动力学子模型库中选择轨道动力学仿真模型、从空间环境子模型库中选择空间环境仿真模型、从姿态动力学子模型库中选择姿态动力学仿真模型、从敏感器测量子模型库中选择敏感器测量仿真模型，所述轨道动力学仿真模型在时间信息和初始条件下开始启动，所述轨道动力学仿真模型进行轨道递推获得轨道递推信息，并将所述轨道递推信息传递给空间环境仿真模型和敏感器测量仿真模型，所述空间环境仿真模型根据所述轨道递推信息和启动轨道动力学仿真模型的时间信息计算空间环境信息，所述空间环境仿真模型将所述空间环境信息传递给姿态动力学仿真模型和敏感器测量仿真模型，所述姿态动力学仿真模型根据空间环境信息和来自卫星控制系统的输出力矩信息进行姿态递推获得姿态递推信息，所述姿态动力学仿真模型将所述姿态递推信息传递给敏感器测量仿真模型，所述敏感器测量仿真模型根据轨道递推信息、空间环境信息和姿态递推信息计算敏感器输出信息，所述敏感器测量仿真模型输出所述敏感器输出信息，以完成卫星动力学仿真。
本发明通过卫星动力学模型库，在针对不同仿真任务时，无需再重复建立仿真模型，只需在模型库中选择相应的仿真模型，组合出动力学仿真系统，研制成本低、周期短；通过本发明的仿真系统和仿真方法进行卫星动力学仿真，无需掌握复杂的卫星轨道动力学和姿态动力学原理以及各种空间环境建模原理，只需在已建立完善的卫星动力学模型库中选择需要仿真的模型，配置参数后即可实现卫星动力学仿真，易于使用。
附图说明
图1是本发明的基于卫星动力学模型库的卫星动力学仿真系统的结构示意图；图2是本发明的基于卫星动力学模型库的卫星动力学仿真方法的流程图；图3是本发明的模型管理系统2添加操作流程图；图4是本发明的模型管理系统2信息修改操作流程图；图5是本发明的模型管理系统2删除操作流程图；图6是本发明的模型管理系统2浏览操作流程图；图7是本发明的模型管理系统2查询操作流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：根据说明书附图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的本发明的基于卫星动力学模型库的卫星动力学仿真系统，它包括：
卫星动力学模型库1，用于提供多种轨道动力学仿真模型1-11、多种空间环境仿真模型1-21、多种姿态动力学仿真模型1-31、多种敏感器测量仿真模型1-41和多种基本算法仿真模型1-51；
模型管理系统2，用于根据仿真任务对卫星动力学模型库1中各类仿真模型进行调用和控制，以实现卫星动力学仿真。
本实施方式中，卫星动力学模型库1建立了完善的用于卫星动力学仿真的各类模型，为卫星动力学仿真提供了丰富的模型资源，提高了资源的利用率，进而缩短卫星研制周期，降低研制成本。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，具体实施方式一中的卫星动力学模型库1包括：
轨道动力学子模型库，用于提供多种轨道动力学仿真模型1-11；
空间环境子模型库，用于提供多种空间环境仿真模型1-21；
姿态动力学子模型库，用于提供多种姿态动力学仿真模型1-31；
敏感器测量子模型库，用于提供多种敏感器测量仿真模型1-41；
基本算法子模型库，用于为轨道动力学子模型库、空间环境子模型库、姿态动力学子模型库和敏感器测量子模型库提供多种基本算法仿真模型1-51。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二的进一步说明，具体实施方式一或二中所述的多种轨道动力学仿真模型1-11包括：二体轨道动力学模型、J2项地球形状摄动轨道动力学模型、J4项地球形状摄动轨道动力学模型和卫星位置速度转换轨道根数模型；
所述的多种空间环境仿真模型1-21包括：太阳矢量模型、月球矢量模型、地心矢量模型、大气密度模型、气流速度模型、地磁场模型、地影模型、太阳光压力矩模型、气动力矩模型和重力梯度力矩模型；
所述的多种姿态动力学仿真模型1-31包括：刚体动力学模型、偏置刚体动力学模型、柔性动力学模型、姿态四元素运动学模型、欧拉角运动学模型和欧拉轴角运动学模型；
所述的多种敏感器测量仿真模型1-41包括：数字太阳敏感器模型、01太阳敏感器模型、地球敏感器模型、星敏感器模型、磁强计模型、加速度模型和陀螺模型；
所述的多种基本算法仿真模型1-51包括：坐标系转换模型、矩阵运算模型、矢量运算模型、四元素运算模型、时间系统转换模型、角度转换模型、绝对值模型和符号函数模型。
本实施方式中，空间环境子模型库中各项模型计算的是卫星运行时所处的各种天体环境，使仿真更加逼近真实环境，提高系统的可靠性，所述各项模型的输入信息为时间、姿态四元素和卫星的位置速度矢量，所述各项模型的输出信息为太阳矢量、月球矢量、地心矢量、太阳光压力、太阳光压力矩、气动力、气动力矩、地磁场强度矢量、地磁干扰力矩和重力梯度力矩。
轨道动力学子模型库是根据轨道动力学和运动学方程建立的，其中的各项模型用于计算卫星的位置速度和轨道根数信息，所述各项模型的输入信息为初始位置速度矢量和运行时间，其输出信息为下一时刻的卫星位置速度矢量和瞬时轨道根数。
姿态动力学子模型库是根据姿态动力学和运动学方程建立的，其中的各项模型用于计算卫星的姿态四元数和姿态角速度信息，所述各项模型的输入信息为执行力矩、干扰力矩、姿态四元素和姿态角速度，其输出信息为递推的下一时刻姿态四元素和姿态角速度。
敏感器测量子模型库中的各项模型计算的是各种敏感器的测量输出，它是通过由已知的空间环境和轨道姿态信息计算敏感器理论输出来实现的，所述各项模型的输入信息有太阳矢量、地球矢量、姿态四元素、姿态角速度、地磁场强度矢量和卫星的执行机构信息，输出信息则为各类敏感器的测量输出。
具体实施方式四：根据说明书附图3、4、5、6和7具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一、二或三的进一步说明，具体实施方式一、二或三中的模型管理系统2还用于对各类仿真模型进行添加、修改、删除和查询；
模型管理系统2还用于根据任务需求定义仿真模型各项参数的模型参数开发以及在基本算法仿真模型1-51基础上编写新的功能仿真模型的模型开发。
本实施方式中，卫星动力学模型库1的各项信息均存储于所述模型库中，所述各项信息包括模型编号、模型名称、模型版本号、模型类型、功能描述、模型地址路径和模型开发者信息。模型管理系统2通过管理界面，可对卫星动力学模型库1中的各模型进行添加、修改信息、删除、浏览和查询操作。
图3为模型管理系统2添加操作流程图，模型管理系统2在收到添加命令后从管理界面获取新增模型信息，并检验模型信息格式是否正确；若格式不正确将提示用户按格式输入信息，格式正确则将模型信息存储到数据库的相应数据表中；存储结果将以弹出窗口的形式提示用户成功或失败。
图4为模型管理系统2信息修改操作流程图，模型管理系统2在收到信息修改命令后从管理界面获取待修改模型信息，并尝试打开数据库中相应数据表；若打开成功则将修改信息存入数据表，若打开失败则提示用户错误信息。
图5为模型管理系统2删除操作流程图，模型管理系统2在收到删除命令后，从管理界面获取待删除模型编号，在收到确认删除命令后，从数据库中相应数据表里删除模型信息；若删除失败则提示用户并恢复数据表信息。
图6为模型库管理系统浏览操作流程图，模型管理系统2在收到浏览命令后，从管理界面获取选中模型编号以及需浏览的字段名称，根据字段名称从数据库中相应数据表里提取所属信息并显示在管理界面的显示区。
图7为模型库管理系统查询操作流程图，模型管理系统2收到查询命令后，从管理界面获取查询字段，根据字段从数据库中所有数据表内搜索相同字段，并在管理界面显示区显示搜索结果。
具体实施方式五：根据说明书附图2具体说明本实施方式，本实施方式是基于具体实施方式二实现的，本实施方式所述的基于卫星动力学模型库的卫星动力学仿真方法的仿真过程为：
模型管理系统2根据仿真任务从轨道动力学子模型库中选择轨道动力学仿真模型1-11、从空间环境子模型库中选择空间环境仿真模型1-21、从姿态动力学子模型库中选择姿态动力学仿真模型1-31、从敏感器测量子模型库中选择敏感器测量仿真模型1-41，
所述轨道动力学仿真模型1-11在时间信息和初始条件下开始启动，所述轨道动力学仿真模型1-11进行轨道递推获得轨道递推信息，并将所述轨道递推信息传递给空间环境仿真模型1-21和敏感器测量仿真模型1-41，
所述空间环境仿真模型1-21根据所述轨道递推信息和启动轨道动力学仿真模型1-11的时间信息计算空间环境信息，所述空间环境仿真模型1-21将所述空间环境信息传递给姿态动力学仿真模型1-31和敏感器测量仿真模型1-41，
所述姿态动力学仿真模型1-31根据空间环境信息和来自卫星控制系统的输出力矩信息进行姿态递推获得姿态递推信息，所述姿态动力学仿真模型1-31将所述姿态递推信息传递给敏感器测量仿真模型1-41，
所述敏感器测量仿真模型1-41根据轨道递推信息、空间环境信息和姿态递推信息计算敏感器输出信息，所述敏感器测量仿真模型1-41输出所述敏感器输出信息，以完成卫星动力学仿真。
本实施方式中，模型管理系统2和卫星动力学模型库1共同实现了针对不同仿真任务的柔性设计：其一，在卫星动力学模型库1中，包含了各种类型、适应不同仿真任务的模型，根据仿真任务的特点，可以从卫星动力学模型库1中选择不同的环境模型、不同的动力学模型和不同的敏感器模型，柔性地设计出针对不同仿真任务的卫星动力学仿真系统，以满足高、中、低等不同轨道卫星任务的需要；其二，针对同一个仿真任务，可通过模型管理系统2对仿真参数进行多种方案的配置，将多种方案的仿真结果进行比较，从中选择最优方案。通过从卫星动力学模型库1中选择的仿真模型和参数配置的不同组合，就可以柔性地设计出多种仿真方案，再经过充分的仿真分析比较，确定出适合的方案。
本实施方式为卫星控制系统的柔性设计、柔性仿真和柔性测试提供了测试数据和测试环境，实现了对控制系统进行方案论证和比较，以支持在轨运行。
Claims (5)
1.基于卫星动力学模型库的卫星动力学仿真系统，其特征在于它包括：
卫星动力学模型库(1)，用于提供多种轨道动力学仿真模型(1-11)、多种空间环境仿真模型(1-21)、多种姿态动力学仿真模型(1-31)、多种敏感器测量仿真模型(1-41)和多种基本算法仿真模型(1-51)；
模型管理系统(2)，用于根据仿真任务对卫星动力学模型库(1)中各类仿真模型进行调用和控制，以实现卫星动力学仿真。
2.根据权利要求1所述的基于卫星动力学模型库的卫星动力学仿真建模系统，其特征在于卫星动力学模型库(1)包括：
轨道动力学子模型库，用于提供多种轨道动力学仿真模型(1-11)；
空间环境子模型库，用于提供多种空间环境仿真模型(1-21)；
姿态动力学子模型库，用于提供多种姿态动力学仿真模型(1-31)；
敏感器测量子模型库，用于提供多种敏感器测量仿真模型(1-41)；
基本算法子模型库，用于为轨道动力学子模型库、空间环境子模型库、姿态动力学子模型库和敏感器测量子模型库提供多种基本算法仿真模型(1-51)。
3.根据权利要求1或2所述的基于卫星动力学模型库的卫星动力学仿真系统，其特征在于
所述的多种轨道动力学仿真模型(1-11)包括：二体轨道动力学模型、J2项地球形状摄动轨道动力学模型、J4项地球形状摄动轨道动力学模型和卫星位置速度转换轨道根数模型；
所述的多种空间环境仿真模型(1-21)包括：太阳矢量模型、月球矢量模型、地心矢量模型、大气密度模型、气流速度模型、地磁场模型、地影模型、太阳光压力矩模型、气动力矩模型和重力梯度力矩模型；
所述的多种姿态动力学仿真模型(1-31)包括：刚体动力学模型、偏置刚体动力学模型、柔性动力学模型、姿态四元素运动学模型、欧拉角运动学模型和欧拉轴角运动学模型；
所述的多种敏感器测量仿真模型(1-41)包括：数字太阳敏感器模型、01太阳敏感器模型、地球敏感器模型、星敏感器模型、磁强计模型、加速度模型和陀螺模型；
所述的多种基本算法仿真模型(1-51)包括：坐标系转换模型、矩阵运算模型、矢量运算模型、四元素运算模型、时间系统转换模型、角度转换模型、绝对值模型和符号函数模型。
4. 根据权利要求1或2所述的基于卫星动力学模型库的卫星动力学仿真系统，其特征在于
模型管理系统(2)还用于对各类仿真模型进行添加、修改、删除和查询；
模型管理系统(2)还用于根据任务需求定义仿真模型各项参数的模型参数开发，以及在基本算法仿真模型(1-51)基础上编写新的功能仿真模型的模型开发。
5.基于权利要求2所述的基于卫星动力学模型库的卫星动力学仿真系统的仿真方法，其特征在于它的仿真过程为：
模型管理系统(2)根据仿真任务，从轨道动力学子模型库中选择轨道动力学仿真模型(1-11)、从空间环境子模型库中选择空间环境仿真模型(1-21)、从姿态动力学子模型库中选择姿态动力学仿真模型(1-31)、从敏感器测量子模型库中选择敏感器测量仿真模型(1-41)，
所述轨道动力学仿真模型(1-11)在时间信息和初始条件下开始启动，所述轨道动力学仿真模型(1-11)进行轨道递推获得轨道递推信息，并将所述轨道递推信息传递给空间环境仿真模型(1-21)和敏感器测量仿真模型(1-41)，
所述空间环境仿真模型(1-21)根据所述轨道递推信息和启动轨道动力学仿真模型(1-11)的时间信息计算空间环境信息，并将所述空间环境信息传递给姿态动力学仿真模型(1-31)和敏感器测量仿真模型(1-41)，
所述姿态动力学仿真模型(1-31)根据空间环境信息和来自卫星控制系统的输出力矩信息进行姿态递推获得姿态递推信息，并将所述姿态递推信息传递给敏感器测量仿真模型(1-41)，
所述敏感器测量仿真模型(1-41)根据轨道递推信息、空间环境信息和姿态递推信息计算敏感器输出信息，并输出所述敏感器输出信息，以完成卫星动力学仿真。
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