CN103258084B - 一种基于时间同步的分布式航天任务视景仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间同步的分布式航天任务视景仿真系统，该系统由提供统一时间标准的时间同步服务器、维护三维模型和虚拟环境的环境模型服务器、包含轨道动力学、姿态动力学和坐标系统转换计算模型为视景仿真提供数据的仿真推演服务器、存储实测数据和仿真数据的数据存储服务器以及用来显示不同视角视景的显示终端构成。系统所有服务器和显示终端接入同一个千兆以太网。

Description

一种基于时间同步的分布式航天任务视景仿真系统

技术领域

本发明涉及一种视景模拟技术，更特别地说，是指一种基于时间同步的分布式航天任务视景仿真系统。

背景技术

文援兰编著的《卫星导航系统分析与仿真技术》，2009年12月第1版；第7章“分布式仿真及其在卫星导航系统上的应用杨概述”中说到：一般说来，仿真是对模型的试验研究，由此系统仿真可以描述为建立系统的模型，并在模型上进行试验的技术、方法和过程。分布式仿真便是基于分布式系统构建系统模型，并进行试验的仿真过程。

谭维炽，胡金刚主编的《航天器系统工程》，2009年4月第1版；第3章“航天任务分析”中说到：航天任务是运用航天技术实现特定目标的工程项目。航天任务的范围十分广泛，经过几十年的航天实践，航天任务的范围已经从近地空间科学探测扩展到深空探测和载人航天，延伸到通信、导航、遥感、气象等诸多应用领域。一些航天任务可以用一颗航天器完成任务的目标，有些任务目标需要用一系列航天器陆续完成，或者需要多颗航天器组成的星座予以实现。

航天任务视景仿真包括仿真环境构造和仿真驱动两部分。仿真环境的构造是将航天器、地面站等实体的三维模型映射到一个由地球、太阳、月球以及恒星组成的虚拟三维环境中的过程，仿真驱动则是在统一的时间系统协调下利用实测数据或仿真数据，经解析、插值、坐标变换处理，得到航天器及其他天体的位置、姿态以及轨道信息，驱动三维场景展现航天器飞行状态的过程。视景仿真不仅要展示航天器在惯性空间中整体的运行情况，还要通过视角的切换，展示不同飞行阶段的细节过程。航天器是完成航天任务的基本手段，利用其在太空的高远位置资源，实现各种功能以满足用户需要。同时，要完成航天任务还离不开地面站，测量船，测控站等地面系统的支持。总之，航天任务复杂、昂贵、环境严酷、发射后不能维修、要求极高成功率，这些特点决定了仿真技术在其研制中的地位。

现有的仿真程序大部分是使用C语言或者FORTRAN编程语言编写的数值仿真程序，用户界面不够友好，交互性差，输出的结果为数字文本信息，需要很强的专业知识背景才能够解读，不能直观地体现航天器运动状态的变化以及航天器、地球、太阳之间的时空关系。

在航天任务日趋复杂的形势下，单机系统的计算与显示能力已经很难满足视景仿真的需求。因此，在复杂航天任务的视景仿真中基于分布式计算系统构建起来的分布式视景仿真便成为了最佳选择。

发明内容

本发明的目的是提供一种既可以通过接受实时数据进行实时反映航天任务的整体运行情况，还可以通过配置初始参数和调节仿真时间步长进行航天任务仿真推演的分布式航天任务视景仿真系统。该系统在统一时间协调机制下，利用数据驱动任务视景，不仅能够使用户直观了解航天任务的进行情况，还能够协助用户完成对任务执行情况的判断和决策。

本发明的一种基于时间同步的分布式航天任务视景仿真系统，该系统包括有时间同步服务器(1)、环境模型服务器(2)、仿真推演服务器(3)、数据存储服务器(4)和多个显示终端(5)，时间同步服务器(1)、环境模型服务器(2)、仿真推演服务器(3)、数据存储服务器(4)和多个显示终端(5)接入同一个千兆以太网中。

时间同步服务器(1)用于提供时间同步指令T₁，该时间同步指令T₁中包含当前真实时刻T_c和当前仿真时刻T_s，以及真实速度V_c和仿真速度V_s；

环境模型服务器(2)用于存储和管理航天任务中所涉及到的VRML格式的实体三维模型和环境模型。

仿真推演服务器(3)第一方面根据关联信息D_2-3或离线数据信息利用轨道运动状态量的变换解算得到航天器的位置和速度信息DD₃₁；第二方面根据关联信息D_2-3或离线数据信息利用航天器姿态运动的方程解算得到航天器的俯仰、偏航、滚转等姿态指向信息DD₃₂；第三方面根据坐标变换的方法对DD₃₁和DD₃₂进行解算，得到在显示终端(5)的坐标系中推演数据M＝{M₃₁,M₃₂,M₃₃}，并将所得推演数据发送至数据存储服务器(4)。

数据存储服务器(4)用于存储关联信息D_2-3和仿真推演服务器(3)产生的所有推演数据M＝{M₃₁,M₃₂,M₃₃}。

显示终端(5)通过接收来自时间同步服务器(1)输出的时间同步指令T₁，并根据用户配置的视角信息D₅，向数据存储服务器(4)发送数据请求，得到数据存储服务器(4)传回的视景数据，并用视景数据更新场景中所有实体的位置，驱动场景画面的帧刷新。

本发明分布式航天任务视景仿真系统的优点在于：

①依据视景指令构建不同工作模式，使得航天任务中的各分系统通过信息交换和彼此协作以完成一个总的系统模型的仿真试验目标。

②通过时间同步服务器设置统一的时间指令，依据该时间指令为基础进行不同工作模式的配置，实现了推演的向前前进。

③通过显示终端自身配置的视角信息，完成了不同工作模式下的不同场景仿真，且实现了多角度的视景显示。

附图说明

图1是本发明基于时间同步的分布式航天任务视景仿真系统的结构框图。

图2是本发明进行实时任务视景仿真的结构框图。

图3是本发明进行任务推演视景仿真的结构框图。

图4是本发明进行数据驱动视景仿真的结构框图。

图5是应用本发明航天任务视景仿真系统的一般工作流程图。

1.时间同步服务器	2.环境模型服务器	3.仿真推演服务器
			4.数据存储服务器	5.显示终端

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明的一种基于时间同步的分布式航天任务视景仿真系统，该系统包括有时间同步服务器1、环境模型服务器2、仿真推演服务器3、数据存储服务器4和多个显示终端5，系统所有服务器和显示终端接入同一个千兆以太网中。

在本发明中，一种基于时间同步的分布式航天任务视景仿真系统通过五个模块的不同组合实现了三个视景仿真的工作模式：实时任务视景仿真、任务推演视景仿真和数据驱动视景仿真。通过不同的视景仿真得到五个模块的不同连接关系(如图2、图3、图4所示)。本发明涉及到的五个模块之间的信息连接关系或者是串联连接，也可以是并联连接。

(一)实时任务视景仿真

利用环境模型服务器2提供的关联信息D_2-3进行视景仿真时，分布式航天任务视景仿真系统以实时任务视景仿真模式运行。实时任务视景仿真的结构框图如2所示，图中，包括有时间同步服务器1、环境模型服务器2、仿真推演服务器3、数据存储服务器4和多个显示终端5。

仿真推演服务器3读取遥测数据或者环境模型服务器2提供的关联信息D_2-3，同时接收时间同步服务器1提供的时间同步指令T₁和显示终端5提供的视角信息D_5-3；然后按照关联信息D_2-3的发送时间步长进行仿真推演，生成实时任务视景仿真的视景数据M₃₁，并向数据存储服务器4发出数据存储指令D_3-4；然后数据存储服务器4依据数据存储指令D_3-4对所述视景数据M₃₁进行保存；最后，视景数据M₃₁通过显示终端5得以演示。

在本发明中，所述视景数据M₃₁是作为驱动实时任务视景仿真的场景向前推进的数据源。

所述遥测数据是指遥测系统实时测量航天器在飞行过程中的位置、速度以及有效载荷的状态数据。在本发明中，所述遥测数据作为仿真系统外部的输入数据，能够在仿真系统中实现重建三维场景。

(二)任务推演视景仿真

根据视景仿真的需求、通过任务界面(设置在显示终端5的设备上)输入的离线数据信息进行视景仿真时，分布式航天任务视景仿真系统以任务推演视景仿真模式运行。任务推演视景仿真的结构框图如3所示，图中，包括有时间同步服务器1、仿真推演服务器3、数据存储服务器4和多个显示终端5。所述离线数据信息是指存储在显示终端5上的航天器轨道、姿态、有效载荷等飞行状态初始参数和仿真时间范围等时间参数。

仿真推演服务器3读取离线数据信息和显示终端5提供的视角信息D_5-3，并生成仿真时间范围内的推演仿真数据M₃₂，然后向数据存储服务器4发送数据存储指令D_3-4；然后数据存储服务器4依据数据存储指令D_3-4对所述推演仿真数据M₃₂进行保存；最后，推演仿真数据M₃₂通过显示终端5得以演示。

在本发明中，所述推演仿真数据M₃₂作为驱动任务推演视景仿真的场景向前推进的数据源。

在本发明中，用户配置时间同步服务器1发出的时间同步指令T₁，并修改T₁中的仿真速度V_s；显示终端5根据接收到的时间同步指令T₁向数据存储服务器4请求数据，并利用请求到的数据来驱动任务推演视景仿真的场景向前推进。

(a)若V_s＝V_c，则场景按真实时刻向前推进；

(b)若0＜V_s＜V_c，则实现场景慢进；

(c)若V_s＞V_c，则实现场景快进；

(d)若V_s＝-V_c，则场景按真实时刻速度后退；

(e)若-V_c＜V_s＜0，则实现场景慢退；

(f)若V_s＜-V_c，则实现场景快退；

(g)若V_s＝0，则实现场景暂停。

在本发明中，实时任务视景仿真和任务推演视景仿真中，都是利用保存在数据存储服务器4中的数据(视景数据M₃₁、推演仿真数据M₃₂)，驱动显示终端5的视景运动进行演示。

(三)数据驱动视景仿真

在本发明中，数据驱动视景仿真是在统一的时间系统调度下，进行显示终端5的视景运动。数据驱动视景仿真的结构框图如4所示，图中，包括有时间同步服务器1、数据存储服务器4和多个显示终端5。

时间同步服务器1向各个显示终端5发出时间同步指令T₁，显示终端5在接到时间同步指令T₁后，根据自身配置的视角信息D₅来设置演示请求指令D_5-4，并将该演示请求指令D_5-4发送至数据存储服务器4，数据存储服务器4根据演示请求指令D_5-4，检索已存储在数据存储服务器4中的离线数据信息，并通过线性插值对离线数据信息进行处理，得到指定时刻的数据集M₃₃，然后将数据集打包后返回至显示终端5。显示终端5对数据包进行解包并刷新场景，更新画面帧，然后读入下一条时间同步指令，重复上述过程，从而实现由数据驱动的视景运动起来，即数据驱动视景仿真。

(四)时间同步服务器1

时间同步服务器1用于提供统一的时间标准，即输出时间同步指令T₁。该时间同步指令T₁中包含当前真实时刻T_c和当前仿真时刻T_s；两者分别按照一定的流逝速度向前推进，流逝速度即包括了流逝的快慢，也包括了流逝的方向。当前真实时刻T_c的流逝速度记为V_c(简称为真实速度V_c)，当前仿真时刻T_s的流逝速度记为V_s(简称为仿真速度V_s)。

在本发明中，时间同步服务器1中设置的仿真速度V_s由用户自行配置，与真实速度V_c不一致。设置不同的仿真速度V_s能够实现场景推演的快进、慢进、快退、慢退和暂停。

时间同步服务器1选用北京中新创科技有限公司生产的DNPTP-8S网络时间服务器。

(五)环境模型服务器2

环境模型服务器2用于存储和管理航天任务中所涉及到的VRML格式的实体三维模型和环境模型。能够根据显示终端5的不同请求，向其提供对应的模型。这里的不同请求是指通过任务界面(设置在显示终端5的设备上)输入的离线数据信息。

在本发明中，环境模型服务器2中存储有视景仿真所需的所有航天器、地面站等实体的VRML格式的三维模型，太阳、月球、行星等天体模型，以及所有恒星的位置和亮度信息。该环境模型服务器2为视景仿真提供了基础数据，是视景仿真成功进行的后台支撑。

环境模型服务器2选用联想RD530机架式服务器。

(六)仿真推演服务器3

仿真推演服务器3第一方面根据关联信息D_2-3或用户配置的初始轨道数据(离线数据信息)利用轨道运动状态量的变换解算得到航天器的位置和速度信息DD₃₁；第二方面根据关联信息D_2-3或用户配置的初始姿态数据(离线数据信息)利用航天器姿态运动的方程解算得到航天器的俯仰、偏航、滚转等姿态指向信息DD₃₂；第三方面根据坐标变换的方法对DD₃₁和DD₃₂进行解算，得到在显示终端5的坐标系中推演数据M＝{M₃₁,M₃₂,M₃₃}，并将所得推演数据发送至数据存储服务器4。

仿真推演服务器3选用联想R680机架式服务器。

运动状态量的变换、航天器姿态运动的方程和坐标变换的方法引用《航空航天器运动的建模——飞行动力学的理论基础》，肖业伦著，2003年6月第1版。运动状态量的变换在第6章的6.2.2节，航天器姿态运动的方程在第6章的6.5.3节，坐标变换的方法在第2章。

(七)数据存储服务器4

数据存储服务器4用于存储关联信息D_2-3和仿真推演服务器3产生的所有推演数据M＝{M₃₁,M₃₂,M₃₃}。

数据存储服务器4选用群晖科技DS213+网络存储服务器。

在本发明中，数据存储服务器4对数据(D_2-3、M)进行汇总、统一格式，屏蔽了数据来源的异构性，可以处理仿真数据、外测数据、遥测数据、控制指令。数据存储服务器4一方面存储了所有的仿真数据，另一方面还向所有的显示终端提供数据支持以驱动视景仿真推进。

(八)多个显示终端5

显示终端5(具有图形处理功能的终端机或者投影仪)通过接收来自时间同步服务器1输出的时间同步指令T₁，并根据用户配置的视角信息D₅，向数据存储服务器4发送数据请求，得到数据存储服务器4传回的视景数据(D_2-3、M)，并用D_2-3、M更新场景中所有实体的位置，驱动场景画面的帧刷新。

随着不断刷新的画面，以达到视景仿真的向前推进。显示终端可以是计算机、投影仪、图像工作站。终端机即计算机显示终端，是计算机系统的输入、输出设备。计算机显示终端伴随主机时代的集中处理模式而产生，并随着计算技术的发展而不断发展。终端机又称共享器，分享器，电脑共享器，电脑分享器。终端机为节省客户终端成本，经研发生产的专业终端设备，是公认的最适用于客户的终端设备。

显示终端5选用联想ThinkStationE31图形工作站或联想ThinkCentreM8411t计算机与夏普SharpXR-N855XA投影仪组成的投影系统。

(九)一般工作流程

参见图5所示，仿真开始时，用户根据需求配置仿真视景模式(实时任务视景仿真、任务推演视景仿真和数据驱动视景仿真)，即工作模式，不同的仿真视景模式使得本发明设计的系统是处于实时任务视景仿真模式还是任务推演视景仿真模式；

所有显示终端根据用户的配置，形成不同的视景仿真模型请求指令；

显示终端依据视景仿真模型请求指令向环境模型服务器请求所使用的模型数据；

环境模型服务器将模型数据按照指令要求发送至指定的显示终端上；

显示终端根据收到的模型数据构建虚拟场景，并根据用户的配置切换至指定的视角；

仿真主进程循环开启，时间同步服务器广播时间同步指令；

仿真推演服务器对接收到的关联信息D_2-3或者初始参数进行仿真推演形成仿真数据(离线数据信息)进行处理(引用书中的三个模型)，得到推演数据M＝{M₃₁,M₃₂,M₃₃}；

推演数据M＝{M₃₁,M₃₂,M₃₃}被保存在数据存储服务器中；

显示终端读取时间同步指令，并转换成数据请求指令，通过数据请求指令向数据存储服务器检索所需的视景演示数据；

数据存储服务器根据数据请求指令的请求将对应的数据进行打包发送，显示终端接收到返回的数据后，刷新场景内各实体对象的状态，更新画面帧；

若仿真时间已到达仿真结束时间则仿真结束，否则仿真过程继续，直至时间同步服务器发出仿真结束时间指令。

在本发明中，除显示终端外的多个服务器，这些服务器是指一个管理资源并为用户提供服务的计算机软件，通常分为文件服务器、数据库服务器和应用程序服务器。运行以上软件的计算机或计算机系统也被称为服务器。相对于普通PC来说，服务器在稳定性、安全性、性能等方面都要求更高，因为CPU、芯片组、内存、磁盘系统、网络等硬件和普通PC有所不同。

本发明设计的基于时间同步的分布式航天任务视景仿真系统，很好地解决了现有视景仿真中存在的用户界面不够友好，交互性差，输出的结果为数字文本信息，需要很强的专业知识背景才能够解读，不能直观地体现航天器运动状态的变化以及航天器、地球、太阳之间的时空关系的这些问题和不足。航天任务视景仿真技术是计算机图形学和图像处理技术在航天任务仿真中的应用，它将航天任务中的遥测、外测数据以及数值仿真数据以可视的形式再现航天器的飞行状态，并将周围的场景映射到一个虚拟仿真环境中。它是使用户产生身临其境感觉的交互式仿真环境，实现了用户与环境进行自然交互。

Claims (7)

1.一种基于时间同步的分布式航天任务视景仿真系统，其特征在于：该系统包括有时间同步服务器(1)、环境模型服务器(2)、仿真推演服务器(3)、数据存储服务器(4)和多个显示终端(5)，时间同步服务器(1)、环境模型服务器(2)、仿真推演服务器(3)、数据存储服务器(4)和多个显示终端(5)接入同一个千兆以太网中；

时间同步服务器(1)用于提供时间同步指令T₁，该时间同步指令T₁中包含当前真实时刻T_c和当前仿真时刻T_s，以及真实速度V_c和仿真速度V_s；

环境模型服务器(2)用于存储和管理航天任务中所涉及到的VRML格式的实体三维模型和环境模型；

仿真推演服务器(3)第一方面根据关联信息D_2-3或离线数据信息利用轨道运动状态量的变换解算得到航天器的位置和速度信息DD₃₁；第二方面根据关联信息D_2-3或离线数据信息利用航天器姿态运动的方程解算得到航天器的俯仰、偏航、滚转姿态指向信息DD₃₂；第三方面根据坐标变换的方法对DD₃₁和DD₃₂进行解算，得到在显示终端(5)的坐标系中推演数据M＝{M₃₁,M₃₂,M₃₃}，并将所得推演数据发送至数据存储服务器(4)；

数据存储服务器(4)用于存储关联信息D_2-3和仿真推演服务器(3)产生的所有推演数据M＝{M₃₁,M₃₂,M₃₃}；

显示终端(5)通过接收来自时间同步服务器(1)输出的时间同步指令T₁，并根据用户配置的视角信息D₅，向数据存储服务器(4)发送数据请求，得到数据存储服务器(4)传回的视景数据，并用视景数据更新场景中所有实体的位置，驱动场景画面的帧刷新。

2.根据权利要求1所述的基于时间同步的分布式航天任务视景仿真系统，其特征在于：该系统能够实现实时任务视景仿真、任务推演视景仿真和数据驱动视景仿真。

3.根据权利要求1所述的基于时间同步的分布式航天任务视景仿真系统，其特征在于：进行实时任务视景仿真时，仿真推演服务器(3)读取遥测数据或者环境模型服务器(2)提供的关联信息D_2-3，同时接收时间同步服务器(1)提供的时间同步指令T₁和显示终端(5)提供的视角信息D_5-3；然后按照关联信息D_2-3的发送时间步长进行仿真推演，生成实时任务视景仿真的视景数据M₃₁，并向数据存储服务器(4)发出数据存储指令D_3-4；然后数据存储服务器(4)依据数据存储指令D_3-4对所述视景数据M₃₁进行保存；最后，视景数据M₃₁通过显示终端(5)得以演示。

4.根据权利要求1所述的基于时间同步的分布式航天任务视景仿真系统，其特征在于：进行任务推演视景仿真时，仿真推演服务器(3)读取离线数据信息和显示终端(5)提供的视角信息D_5-3，并生成仿真时间范围内的推演仿真数据M₃₂，然后向数据存储服务器(4)发送数据存储指令D_3-4；然后数据存储服务器(4)依据数据存储指令D_3-4对所述推演仿真数据M₃₂进行保存；最后，推演仿真数据M₃₂通过显示终端(5)得以演示。

5.根据权利要求1所述的基于时间同步的分布式航天任务视景仿真系统，其特征在于：进行数据驱动视景仿真时，时间同步服务器(1)向各个显示终端(5)发出时间同步指令T₁，显示终端(5)在接到时间同步指令T₁后，根据自身配置的视角信息D₅来设置演示请求指令D_5-4，并将该演示请求指令D_5-4发送至数据存储服务器(4)，数据存储服务器(4)根据演示请求指令D_5-4，检索已存储在数据存储服务器(4)中的离线数据信息，并通过线性插值对离线数据信息进行处理，得到指定时刻的数据集M₃₃，然后将数据集打包后返回至显示终端(5)。

6.根据权利要求1所述的基于时间同步的分布式航天任务视景仿真系统，其特征在于：用户配置时间同步服务器(1)发出的时间同步指令T₁，并修改T₁中的仿真速度V_s；显示终端(5)根据接收到的时间同步指令T₁向数据存储服务器(4)请求数据，并利用请求到的数据来驱动任务推演视景仿真的场景向前推进；

(a)若V_s＝V_c，则场景按真实时刻向前推进；

(b)若0＜V_s＜V_c，则实现场景慢进；

(c)若V_s＞V_c，则实现场景快进；

(d)若V_s＝-V_c，则场景按真实时刻速度后退；

(e)若-V_c＜V_s＜0，则实现场景慢退；

(f)若V_s＜-V_c，则实现场景快退；

(g)若V_s＝0，则实现场景暂停。

7.根据权利要求1所述的基于时间同步的分布式航天任务视景仿真系统，其特征在于：时间同步服务器(1)中设置的仿真速度V_s由用户自行配置，与真实速度V_c不一致；设置不同的仿真速度V_s能够实现场景推演的快进、慢进、快退、慢退和暂停。