CN102567586A - 一种航天任务三维综合态势的仿真系统及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航天任务三维综合态势的仿真系统及仿真方法，包括航天卫星轨迹及姿态建模、卫星帧照建模、覆盖范围分析与建模、数据跟踪接收建模、时间管理、坐标系管理、三维可视化仿真。所述时间管理是对航天任务仿真提供仿真时间及天文时间多种时间标准。所述坐标系管理是提供天体坐标系、地球固联坐标系、运动坐标系等多坐标系统来描述卫星等运动物体运动规律。所述三维可视化仿真是对前面所述的态势分析及建模结果进行三维可视化展现及回演、推演，并能根据仿真任务或者演示脚本，控制仿真过程的加速、减速、暂停、开始，为展现空间综合态势及所选重点关注的仿真阶段的分析及演示提供了有力的保障。

Description

一种航天任务三维综合态势的仿真系统及仿真方法

技术领域

本发明涉及一种航天资源的建模方法，特别是一种航天任务三维综合态势的仿真系统及仿真方法。

背景技术

由于空间环境的特殊性以及航天活动本身所具有的高投入、高风险、大范围、高精度、快速反应等特点，涉及在轨卫星、任务载荷、地面站网、处理中心等各类天、地资源，为科学组织、可靠管理、高效指挥、实时控制宝贵的航天资产，必须针对航天遥感、大地测量、信号侦收、对地观测等不同的航天任务建立专用化的指挥信息系统。

航天任务指挥信息系统的核心工作之一就是航天任务综合态势的实时处理与三维可视化仿真展现，并提供丰富的人机交互。要求既可提供卫星在轨运行情况的实时图像，为卫星在轨管理决策提供依据；又可以实现对空间资源监控、空间任务规划、科学指挥决策等业务。

近年来，随着计算机图形图像技术的迅猛发展，科学可视化、计算机动画和虚拟现实成为计算机图形学的三大热门，三维图形因其在仿真三维空间的关键作用更是备受瞩目，其中的主要应用技术——可视化技术使人能够在三维仿真世界中直接对具有形体的目标进行操作，赋予人们对物体进行仿真并且实时交互的能力，也成为航天任务综合态势建模与可视化展现的主要技术工具。

目前，国际上在航天器分析仿真方面典型的产品当首推AGI开发的卫星工具包STK。STK可以快速方便地分析各种复杂的航天任务，并提供逼真的三维可视化动态场景；但只以有限的接口提供一定的二次开发能力，自主扩展性、复用性和系统集成性都较差，而且不具备自主产权，需耗费大量的科研经费购置。在国内，许多航天科技工作者也进行了深入的研究，但是就目前国内航天器在轨运行仿真的研究现状来看，大多数仿真系统还只限于仿真轨道姿态数据的计算，仿真结果的可视化程度并不高。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种航天任务三维综合态势的建模及仿真方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种航天任务三维综合态势的仿真系统，包括航天卫星轨迹及姿态建模模块、卫星帧照建模模块、覆盖范围分析与建模模块以及三维可视化仿真模块，其特征在于，还包括数据跟踪接收建模模块、时间管理模块、坐标系管理模块；

所述航天卫星轨迹及姿态建模模块、卫星帧照建模模块、覆盖范围分析与建模模块、数据跟踪接收建模模块用于建立航天任务执行过程中的综合态势模型；

所述时间管理模块用于统一各模块仿真时间，为仿真系统提供例如推演、回演、加速、减速等时间功能管理。

所述坐标系管理模块提供多个坐标系，可以在不同空间坐标系下展现不同的空间物体运动规律，运动坐标系的设计成功地管理了卫星、地球等运动物体在不同坐标系之间的换算关系，使得复杂运动简单化。

所述三维可视化仿真模块结合时间管理模块和坐标系管理模块，将卫星轨迹及姿态建模模块、卫星帧照建模模块、覆盖范围分析与建模模块的建模计算结果通过三维可视化的方式展现出来。

其中，所述航天卫星轨迹及姿态建模模块根据卫星六个轨道根数(轨道平面倾角、升交点赤径、轨道椭圆半长轴、轨道椭圆偏心率、近地点幅角、卫星过近地点时刻)计算出卫星星历数据，并对星历数据进行插值，实时计算当前时刻卫星的位置及姿态，参见《GPS卫星测量定位理论与应用》，第8章，张守信，1996年第一版，国防科技大学出版社。

所述卫星帧照建模模块根据卫星所带载荷的各个参数(例如、载荷所带成像设备的张角、设备的侧摆角度等)以及载荷性质(例如成像卫星)，建立空间帧照模型(例如成像卫星可以建立一个空间方形锥)，模拟载荷工作状态(如拍摄成像过程)。

所述覆盖范围分析与建模模块是根据所述卫星帧照建模模块建立的帧照模型，计算卫星在地面的工作范围(如成像卫星在地面拍摄的范围)。即卫星帧照模型在空间与地球相交的区域建模。

所述数据跟踪接收建模模块用于模拟卫星与地面站之间或者卫星与卫星之间传输数据(如成像卫星拍摄的图片)的过程，通过计算建立动态波束模型来实现；

本发明中所述数据跟踪接收建模模块根据航天侦察资源轨迹及姿态建模模块计算出的卫星位置或者卫星与地面站的位置，建立模拟卫星与地面之间数据传输的动态模型，所述模拟卫星数据传输的动态模型调用以下子模块：

子模块1，确定并建立三维传输实体模型的形状；

子模块2，根据纹理颜色及式样制作纹理图像；

子模块3，将纹理图像贴到三维传输实体模型上，在场景循环中对纹理图像做相应的位置变换来模拟波束的移动。

本发明中所述的通讯链路建模模块是模拟航天侦察资源之间的通讯链路，根据航天侦察资源轨迹及姿态建模模块计算出的卫星位置建立各资源之间的通讯模型通过三维可视化仿真模块表达；当表示两个在地面的航天资源通讯情况时，等分两个在地面的航天资源之间的直线段，然后计算各等分点对应于地表的弧线段上的点。

本发明中还公开了一种航天任务三维综合态势的仿真方法，包括以下步骤：

步骤1，初始化设置；

步骤2，仿真时间设置；

步骤3，轨道及位置姿态计算；

步骤4，判断是否帧照，如果是，则进行步骤5，否则进行步骤9；

步骤5，进行帧照建模分析；

步骤6，进行覆盖范围分析；

步骤7，判断是否进行数据传输，如果是，则进行步骤8，否则进行步骤9；

步骤8，传输动态效果建模；

步骤9，进行三维可视化展示。

本发明中所述初始化设置包括绘制三维场景的图形初始化，加载环境模型，包括卫星模型、地面站模型。

本发明通过坐标系统之间的管理简化了运动目标在不同坐标系下的换算，将复杂的运动通过分解成多个简单的运动(通过运动坐标系来表达)而得以实现，并结合三维可视化模块，将航天任务资源综合态势可在不同空间及时间角度去展现，即可在太空观察，也可在地球表面甚至跟踪航天器模式等多角度、多方位去观察，也可根据调整仿真虚拟时间，控制飞行过程的速度，达到最佳观看效果。所述的三维可视化仿真模块，主要是结合航天任务中的时间及坐标系管理模块，实现航天任务综合态势分析建模结果的三维可视化，实现用户交互仿真，根据需要控制仿真时间的开始及结束、暂停、加速、减速、进行仿真推演及回演。

三维可视化仿真系统实现了航天侦察综合态势分析结果的三维可视化，并为重点关注的仿真阶段提供了回演及推演，提供了一个仿真分析、演示的工具。实现了航天资源在不同的时间及空间标准下的运动规律，时间及坐标系管理模块的设计，巧妙地化解了各种航天资源复杂运动之间的换算关系(例如绘制卫星覆盖范围)，能轻松获取其任意时刻所需的航天资源目标的位置及姿态信息，对于及时了解航天任务三维综合态势提供了一种简单有效的手段。

所述的数据跟踪接收建模，卫星与地面站进行通讯的特殊效果(动态波束)实现，采用了纹理变换技术，实现效果理想，但消耗系统资源少。

本发明与现有技术相比，所具有的优点有：(1)建立了航天任务三维综合态势建模方法并进行展现，为了解卫星、地面接收站、通讯链路等状态，正确预订飞行方案，进行指挥调度提供了一个形象，直观、有力的工具，大大提高了指挥作业的工作效率。(2)涉及到的建模算法简单，计算简单，但结果理想，提高了航天任务卫星仿真、数据跟踪接收等结果的可视化程度。(3)三维可视化仿真设计灵活，可扩展性、复用性强，可以在大多数支持OpenGL的平台上进行移植。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明系统结构示意图。

图2本发明中卫星覆盖范围建模图。

图3为本发明方法流程图。

图4为本发明三维可视化仿真流程图。

具体实施方式

本发明公开了航天任务综合态势建模是对整个航天任务系统中的相关资源的态势分析与建模，并结合可视化仿真模块，对航天任务资源(卫星、地面站)态势分析结果进行三维可视化显示，以实时或近实时的方式显示各类航天资源的工作状态、任务信息、故障情况等，进而以宏观的方式向指挥调度人员反映整个任务系统的可用性和完成各项任务的效率情况。可被分析的侦察资源包括卫星、地面站以及通讯设备等。

如图1所示，本发明包括航天侦察卫星轨迹及姿态建模模块、卫星帧照建模模块、覆盖范围分析与建模模块、数据跟踪接收建模模块、时间管理模块、坐标系管理模块、三维可视化仿真模块。以上模块可以根据现有技术实现，或者参见基于OpenGL的GPS卫星轨道仿真可视化实现，白文娟，哈尔滨工程大学，2009，3。

其中数据跟踪接收建模模块、时间管理模块、坐标系管理模块是本发明重点。

所述的航天侦察资源轨迹及姿态建模就是建立航天侦察资源(如卫星)的运行轨道及姿态模型。在卫星轨道动力学中，卫星相对于地球中心的运动，可以通过轨道半长径、轨道偏心率、轨道平面倾斜角、升交点赤径、近地点角、平近点角这六个轨道根数来确定。该模块根据当前t时刻卫星基本轨道根数，模拟计算并预报卫星的精确轨道；根据精确轨道及当前仿真时间计算卫星当前飞行姿态。

所述的帧照建模是模拟卫星帧照过程，根据航天侦察资源轨迹及姿态建模模块计算出的卫星载荷的参数、星下点位置、卫星位置、载荷侧摆角、载荷张角等建立方形或者圆锥形探测锥，并通过三维建模显示出来。

所述卫星覆盖范围分析与建模模块根据帧照建模建立的帧照探测锥模型，计算出卫星传感器在地球表面的工作范围，即卫星探测锥体在空间上与地球相交的一圈数据值。如果把地球近似为一个球体，覆盖区域是一个圆(如果载荷的探测椎是一个圆锥形)。方形探测锥覆盖区域则是一个四段弧线围成的区域，如图2所示，其中，p点表示当前时刻卫星所在的位置，其所在的弧段为卫星的一段轨迹线。Q点代表探测范围上一点。t向量表示卫星当前时刻飞行的切线方向，n向量表示卫星位置p与地心的连线所在的向量。椎体与地球相交的区域即为帧照区域。

所述的数据跟踪接收建模即根据航天侦察资源轨迹及姿态建模模块计算出的卫星位置(或者卫星与地面站的位置)，建立模拟卫星数据传输的动态模型，其中核心技术建立数据传输动态特殊效果模型，即动态波束。波束实现的原理如下：

1.首先确定并建立三维传输实体模型的形状(例如椎体)。

2.根据需要的纹理颜色及式样制作纹理图像(例如条纹状)。

3.结合三维可视化模块，将纹理贴到建立好的三维传输实体模型上，在场景循环中对纹理做相应的位置变换来模拟波束的移动。

此方法建模简单，计算量少，消耗资源较小，但效果理想。

所述的通讯链路建模模块是模拟航天侦察资源之间的通讯链路，根据航天侦察资源轨迹及姿态建模模块计算出的卫星位置建立各资源之间的通讯模型，以三维可视化的方式表达出来，例如简单地可以用不同颜色的连线表示两个资源之间的通信情况，绿色表示可以通讯，红色表示不可以等。当表示两个在地面的航天资源通讯情况时，由于沿地球表面应该是一段弧线段，所以应该等分两点之间的直线段，然后计算各等分点对应于地表的弧线段上的点。计算方法如下：

1.首先计算直线段上等分点P与地球中心连线的向量op；

2.对向量op进行单位化；

3.最后对单位化的向量各坐标分量乘以此处地心到地表半径的模，即得到地表弧线段上的对应点，以此类推即可得弧线段各点。

所述时间及坐标系管理是对航天任务仿真在时间上和空间坐标上的统一管理，时间有天文时间和虚拟仿真时间两套标准，在天文时间标准下，进行实时化仿真，系统仿真各模块都按照真实的时间及速度运转，客观运行情况一目了然。在虚拟仿真时间情况下，可以根据需要调控仿真时间进行加速、减速、暂停、回演等，对所关注的重点时间段非实时仿真。

所述的时间及坐标系管理模块中，坐标系管理通过建立多个运动坐标系，对场景中各种运动进行换算管理。运动坐标系的设计成功地管理了场景中各运动目标的位置及各种复杂运动变换，将一个复杂的运动可以分解成多个简单的运动的叠加，一个运动坐标系代表一个简单的运动或运动物体。仿真设计中所定的坐标系有天体坐标系、地球固联坐标系及各个运动坐标系。天体坐标系是一种地心坐标系，静止不动，所有目标在此坐标系下都是运动的，它与三维可视化仿真模块的世界坐标系重合。地球固联坐标系原点也在地心，相对于地球而静止，与天体坐标系的z轴重合，相对于天体坐标系在绕z轴做匀速转动。结合三维可视化仿真模块中的视点变换，当视点处于天体坐标系下时，模拟在太空观察的视角，各航天资源都以本来客观的运动规律在运动；当视点处于地球固联坐标系下时，看到地球表面的物体均为静止，空间航天资源的运动都是以相对于地球的运动规律在运动。从天体坐标系变换到地固坐标系的变换矩阵为 $M_r=\left[\begin{array}{cccc}\cos a& \sin a& 0& 0\\ -\sin a& \cos \mathrm{\α}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$ 无论是视点变换还是空间任一物体，只要乘以此矩阵，就会实现从天体坐标系到地固坐标系的变换。

以卫星帧照覆盖范围为例，介绍运动坐标系的运用。绘制覆盖范围时，已知的条件有根据航天侦察资源轨迹及姿态建模模块计算的卫星位置，及帧照建模模块计算的帧照模型，与地球相交，计算相交区域及在三维仿真模块进行绘制。在三维仿真模块绘制需要的数据都是在世界坐标系下(天体坐标系)的数据，计算某个卫星位置的相交数据要交给三维仿真模块绘制，因地球在运动，此时位置已经变动，再按照原始计算数据绘制，位置肯定不对。利用运动坐标系叠加就能很好地解决这个问题，其中解决步骤如下：

1、把卫星与地球某时刻相交的数据当成一个对象，建立数据运动坐标系，并在此坐标系下描述数据对象。

2、对运动的地球建立地球运动坐标系，关联地球三维实体模型在此运动坐标系下，这个运动坐标系的运动方式就是空间地球自转方式，并实时更新此运动坐标系与世界坐标系下的换算矩阵M。

3、关联数据运动坐标系到地球运动坐标系。

4、实现数据运动坐标系的位置更新，当地球运动坐标系运动时，实时计算两坐标系之间的坐标换算矩阵 $M_r=\left[\begin{array}{cccc}\cos a& \sin a& 0& 0\\ -\sin a& \cos \mathrm{\α}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$ 并保存。

5、绘制帧照范围时，只要给数据乘以步骤4中的换算矩阵即可得到在地球运动坐标系下的坐标，再将处理的数据乘以矩阵M，得到世界坐标系下的数据坐标值，并进行绘制。

如图3所示，航天任务三维综合态势处理流程图中包括如下步骤：步骤1，接收到航天任务开始消息，激发仿真模块进行仿真准备。

步骤2，进行初始化。初始化主要是对展现航天任务的三维仿真环境进行初始化，包括绘制三维场景的图形初始化，加载环境模型，包括卫星模型、地面站模型等航天资源；时间模块初始化，时间系统初始化，用以确定后面卫星仿真的时间系统；坐标系设置，可以设置初始观察状态是在天体坐标系下进行观察，还可以是地球固联坐标系下，也可以是跟踪卫星的动态坐标系模式下观察，即确定了当前的运动坐标系。一旦坐标系选定，后面各个模块建模描述均在当前坐标系下进行。

步骤3，根据仿真开始时间利用时间管理模块进行系统仿真时间调整及设置。设置的开始时间即为当前仿真开始时间。不同的时间影响到当前卫星的位置，从而影响卫星轨迹及姿态建模模块、卫星帧照建模模块、覆盖范围分析模块、数据跟踪接收模块的建模与计算。

步骤4，接收卫星信息，根据当前仿真时间，由航天卫星轨迹及姿态建模模块计算轨道数据，根据仿真每帧绘制轨道需要，插值计算并保存卫星数据。根据轨道数据计算当前时间卫星位置及姿态并保存。

步骤5，判断卫星当前是否接收到需要开机工作的消息，如果是进行帧照状态一系列建模计算。如果否，则继续绘制在轨运行状态。

步骤6，如果卫星进行帧照开始，首先要根据航天卫星轨迹及姿态建模所计算的卫星轨道信息、位置姿态信息及接收到的卫星信息获得载荷参数，建立卫星帧照模型，根据当前运动坐标系，计算地表帧照范围的数据，关联此坐标系与三维可视化模块绘制坐标系，实时进行绘制。

步骤7，卫星帧照的结果就是在地球表面产生一个帧照范围，即卫星覆盖范围。根据建立的帧照模型，计算该模型与地球表面相交的区域，将数据保存，后交三维可视化模块进行绘制显示。

步骤8，判断卫星是否进行数据传输。

步骤9，如果进行数据传输，确定传输模型的形状，建立动态波束模型，根据星与星之间的位置(或者星地之间的位置)，交与三维可视化模块绘制。

步骤10，三维可视化模块是将上述各模块设置或者建模产生的数据，真正实现卫星三维综合态势的仿真显示。将各个建模结果通过三维动画的方式表达出来。

所述三维可视化仿真是实现航天任务三维综合态势的可视化。是将航天卫星轨迹及姿态建模、覆盖范围分析与建模、卫星帧照建模、数据跟踪接收建模等模块产生的数据及模型结合时间及坐标系管理模块，以三维可视化仿真的模式绘制出来。是在VC++环境下，结合OpenGL图形库进行开发，进行模拟仿真。结合时间及坐标系管理模块，可视化仿真分为实时可视化仿真和非实时可视化仿真两种。实时可视化仿真是将空间环境(地球及星空等环境的运行情况)及各种侦察资源态势分析结果(卫星在轨运行各种状态，如飞行姿态变化、帧照过程及条带分布、数据通讯等)实时地以三维动画的方式展现出来，并具有人性化的实时操作界面。非实时可视化仿真可以对所关注的重点时间段态势非实时地进行重演、推演、加速、减速等仿真控制。

图4为三维可视化仿真流程图。如图所示：步骤1，可视化仿真开始之前要进行初始化设置，主要是完成底层图形库初始化、场景管理的各个参数初始化，各模块初始化设置，以及场景所需各种三维资源的加载等等。

步骤2，初始化完毕进入三维仿真系统帧循环。帧循环主要处理实时任务及实时人机交互等。比如接收卫星任务消息，及上述七大模块中模型建立、绘制场景等都在帧循环中完成。

步骤3，场景绘制是三维可视化仿真模块中最重要的一个环节，主要是利用图形库对各模块产生的数据进行绘制，实现三维可视化显示。

步骤4，仿真任务完成后要结束仿真，结束处理主要是对初始化阶段及帧循环中分配的资源进行释放等工作。

本发明是在VC++环境下，结合OpenGL图形库进行开发，所需显卡要求是支持OpenGL1.2、1.3及以上的图形卡。

本发明提供了一种航天任务三维综合态势的仿真系统及仿真方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种航天任务三维综合态势的仿真系统，包括航天卫星轨迹及姿态建模模块、卫星帧照建模模块、覆盖范围分析与建模模块以及三维可视化仿真模块，其特征在于，还包括数据跟踪接收建模模块、时间管理模块、坐标系管理模块；

所述航天卫星轨迹及姿态建模模块、卫星帧照建模模块、覆盖范围分析与建模模块、数据跟踪接收建模模块以及通讯链路建模模块用于建立航天任务执行过程中的综合态势模型；

所述时间管理模块用于统一各模块仿真时间，为仿真系统提供推演、回演、加速、减速的时间功能管理；

所述坐标系管理模块提供多个坐标系，用于在不同空间坐标系下展现不同的空间物体运动位置，以及不同坐标系之间的换算；

所述三维可视化仿真模块结合时间管理模块和坐标系管理模块，将卫星轨迹及姿态建模模块、卫星帧照建模模块、覆盖范围分析与建模模块的建模计算结果通过三维可视化的方式展现出来。

其中，所述航天卫星轨迹及姿态建模模块根据卫星六个轨道根数计算出卫星星历数据，并对星历数据进行插值，实时计算当前时刻卫星的位置及姿态；所述卫星帧照建模模块根据卫星所带载荷的各个参数以及载荷性质，建立空间帧照模型，模拟载荷工作状态；

所述覆盖范围分析与建模模块是根据所述卫星帧照建模模块建立的帧照模型，计算卫星在地面的工作范围，即卫星帧照模型在空间与地球相交的区域建模；所述数据跟踪接收建模模块用于模拟卫星与地面站之间或者卫星与卫星之间传输数据的过程，通过计算建立动态波束模型来实现。

2.根据权利要求1所述的一种航天任务三维综合态势的仿真系统，其特征在于，所述数据跟踪接收建模模块根据航天侦察资源轨迹及姿态建模模块计算出的卫星位置或者卫星与地面站的位置，建立模拟卫星与地面之间数据传输的动态模型，所述模拟卫星数据传输的动态模型调用以下子模块：

子模块1，确定并建立三维传输实体模型的形状；

子模块2，根据纹理颜色及式样制作纹理图像；

子模块3，将纹理图像贴到三维传输实体模型上，在场景循环中对纹理图像做相应的位置变换来模拟波束的移动。

3.一种航天任务三维综合态势的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，初始化设置；

步骤2，仿真时间设置；

步骤3，轨道及位置姿态计算；

步骤4，判断是否帧照，如果是，则进行步骤5，否则进行步骤9；

步骤5，进行帧照建模分析；

步骤6，进行覆盖范围分析；

步骤7，判断是否进行数据传输，如果是，则进行步骤8，否则进行步骤9；

步骤8，传输动态效果建模；

步骤9，进行三维可视化展示。

4.根据权利要求3所述的一种航天任务三维综合态势的仿真方法，其特征在于，所述初始化设置包括绘制三维场景的图形初始化，加载环境模型，包括卫星模型、地面站模型。

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