CN105466477A - 一种面向卫星目标和恒星目标的天基观测模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向卫星目标和恒星目标的天基观测模拟系统及方法，实现了观测卫星对空间卫星目标和恒星的模拟观测。该系统包括恒星数据库读取模块、卫星动力学仿真类库、卫星初始参数配置模块、观测卫星动力学仿真与控制、目标卫星动力学仿真与控制、观测卫星载荷转台模拟、目标可见性判断模块、观测卫星载荷成像模拟、观测结果模拟输出模块。本发明在以整个天基观测物理过程模拟为出发点，构建和模拟包含观测卫星、观测载荷、目标卫星、恒星等各个模型的天基观测过程，并动态输出置信度高的天基观测模拟结果。

Description

一种面向卫星目标和恒星目标的天基观测模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及针对天基观测的计算机仿真技术。确切的说是一种面向卫星目标和恒星目标的天基观测模拟系统及方法。

背景技术

为了更有效的利用空间，更深入的探索空间，各航天大国都在积极研究空间监视技术。空间监视主要是对探测识别和跟踪特定的空间目标，主要是通过地基观测系统和天基观测系统完成。相比于地基观测系统而言，天基观测系统具有以下显著的优点：不受地理位置和气象条件的约束，并且可以从不同的方位观测目标；天基观测不经过大气衰减，具有比地基观测更高的信噪比；天基观测系统在轨运行，只需要一颗星便能够实现对整个地球同步轨道的覆盖。鉴于天基观测的优点，得到了越来越多的重视。

天基观测在完成目标的探测识别时，往往依赖于大量的目标大小、形状和姿态随目标运动变化的真实序列图像源。由于技术因素的制约，在现有条件下无法用真实空间环境进行大量的试验并获取试验图像数据，阻碍着天基观测技术的发展。因此，利用计算机仿真技术对天基观测系统的模拟具有非常重要的现实意义。

仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿，是以计算机技术为基础，以控制论与相似原理为方法，借助系统模型对现实系统进行解析的一门综合性技术。计算机仿真技术是以多学科与理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法分析和解决问题的综合性技术。计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟—数字混合机仿真和数字机仿真几个阶段。随着并行处理技术和集成电路的发展，数字机已成为计算机仿真的主流。并以在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、军事模拟等领域得到了广泛的应用，并且受到了越来越多的关注和重视。

可视化技术可以很好的表征天基观测模拟的结果。可视化技术是利用计算机图像学和图像处理技术，将数据转换成图像或图形在计算机中显示出来，并进行交互处理的方法和技术。随着可视化技术的发展，现阶段已经形成了很多可视化工具，其中GL的OpenGL已被认为是高性能图形和交互式视景处理的标准。其中观测结果输出模块主要通过OpenGL实现。

现阶段对天基观测的研究往往是卫星观测平台和观测载荷单独研究和模拟，包含整个天基观测过程的各个对象的研究和模拟相对较少。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种面向卫星目标和恒星目标的天基观测模拟系统及方法，在以整个天基观测物理过程模拟为出发点，构建和模拟包含观测卫星、观测载荷、目标卫星、恒星等各个模型的天基观测过程，并动态输出置信度高的天基观测模拟结果。

本发明技术解决方案：一种面向卫星目标和恒星目标的天基观测模拟系统，包括恒星数据库读取模块、卫星动力学仿真类库、卫星初始参数配置模块、观测卫星动力学仿真与控制、目标卫星动力学仿真与控制、观测卫星载荷转台模拟模块、目标可见性判断模块、观测卫星载荷成像模拟、观测结果模拟输出模块；其中：

恒星数据库读取模块，读取真实星表数据并将星表的经度和纬度信息转换为地心惯性系下的位置矢量信息，记录每颗星的位置矢量和星等信息，提供给目标可见性判断模块；

卫星动力学仿真类库，以面向对象的方式提供不同精度动力学模型和不同精度的数值积分方法的卫星轨道和姿态动力学仿真的功能，供观测卫星的动力学仿真与控制模块和目标卫星的动力学仿真与控制模块调用，可复用性和可扩展性高；

卫星初始参数配置模块，包括对仿真时间设置，观测卫星和载荷的初始运动状态及物理参数的配置，目标卫星的初始运动状态及物理参数的配置，观测卫星和目标卫星轨道控制配置，观测卫星和目标卫星的姿态控制模式配置，并作为仿真初始参数供观测卫星的动力学仿真与控制模块和目标卫星的动力学仿真与控制模块调用，物理参数包括有卫星的转动惯量，观测卫星载荷安装位置，载荷CCD大小及焦距等，轨道控制模式配置包括对轨控时刻和脉冲增量的配置，姿态控制模式配置包括卫星不同任务阶段的姿态控制模式状态字；

观测卫星动力学仿真与控制模块，实现观测卫星动力学仿真与控制系统仿真；仿真真开始时接收卫星初始参数配置模块的输入数据，仿真过程中通过调用卫星动力学仿真类库实现在轨观测卫星的轨道和姿态运动和控制过程的模拟，并在每一个仿真时刻输出观测卫星地心惯性系下的三轴位置矢量和姿态给目标可见性判断模块，输出地心惯性系与轨道系、轨道系和卫星本体系之间的转换矩阵给观测卫星载荷转台模拟模块；

目标卫星动力学仿真与控制模块，实现目标卫星动力学仿真与控制系统仿真，仿真开始时接收卫星初始参数配置模块的输入数据，仿真过程中通过调用卫星动力学仿真类库实现在轨目标卫星的轨道和姿态运动和控制过程的模拟，并在每一个仿真时刻输出目标卫星在地心惯性系下的三轴位置矢量和姿态给目标可见性判断模块；

观测卫星载荷转台模拟模块，对观测载荷二维转台的运动模拟，模拟卫星转台的俯仰运动和偏航运动，在每一个仿真时刻接收观测卫星动力学仿真与控制模块传入的地心惯性系与轨道系、轨道系和卫星本体系之间的坐标转换矩阵，输出载荷转台的俯仰角和偏航角，以及载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵给目标可见性判断模块；

目标可见性判断模块，包括对恒星目标的可见性判断及卫星目标的可见性判断。模拟过程中接收恒星数据库读取模块传入的恒星在地心惯性系下的位置矢量和星等，接收目标卫星动力学仿真与控制模块传入的目标地心惯性系下的三轴位置矢量和姿态，接收观测卫星动力学仿真与控制模块传入的观测卫星的三轴位置矢量和姿态，接收观测卫星载荷转台模拟模块传入的载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵，在每一个仿真时刻计算目标到观测卫星的相对位置矢量与观测载荷光轴矢量的夹角与视场的关系，满足地球不遮挡、太阳和月球不在视场内、目标在视场范围内的条件下记录该目标的相对位置，对于卫星目标，根据相对位置计算等效星等，对于恒星目标，直接记录其星等值，并将记录结果和载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵提供给观测卫星载荷成像模拟模块；

观测卫星载荷成像模拟模块，接收目标可见性判断模块传递的可见目标信息、载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵，基于可见目标在成像坐标系下的位置矢量和成像坐标系及载荷像平面坐标系的关系，对目标位置在像平面坐标系下进行二维投影，并在每一个仿真时刻计算输出其在像平面坐标系下的位置，供观测结果输出模块调用，并以文本文件的形式保存每一仿真时刻下的天基观测结果；

观测结果输出模块，基于观测卫星载荷成像模拟模块传入的可见目标在像平面坐标系下的位置及目标星等信息，利用计算机渲染技术，绘制出载荷成像窗口以及窗口中的可见目标，完成对天基观测结果的模拟输出，并以图片格式的形式保存每一仿真时刻下的天基观测结果。

所述观测卫星动力学仿真与控制模块具体实现如下：

(1)根据卫星初始参数配置模块提供的观测卫星初始数据，分别进行观测卫星轨道和姿态动力学仿真以及控制系统仿真；

(2)观测卫星动力学仿真时，根据动力学模型精度要求调用卫星动力学仿真类库中的不同动力学模型以及数值积分方法；

(3)观测卫星控制系统仿真时，根据预置的卫星轨道控制配置参数进行设定时刻的脉冲变轨控制；根据观测卫星姿态控制模式配置参数，应用PID控制律方法，进行不同姿态控制模式下的姿态控制系统的设计，并在一个控制回路完成时输出每一个仿真时刻下的观测卫星三轴位置矢量和地心惯性系与轨道系、轨道系和卫星本体系之间的转换矩阵。

所述目标卫星动力学仿真与控制模块具体实现如下：

(1)根据目标卫星初始参数配置提供的目标卫星初始数据，分别进行目标卫星轨道和姿态动力学以及控制系统仿真；

(2)目标卫星动力学仿真时，根据动力学模型精度要求调用卫星动力学仿真类库中的不同动力学模型以及数值积分方法；

(3)目标卫星控制系统仿真时，根据预置的目标卫星轨道控制配置参数进行设定时刻的脉冲变轨控制，根据目标卫星姿态控制模式配置参数，应用PID控制律控制方法，进行不同姿态控制模式下的姿态控制系统的设计，并在一个控制回路完成时输出每一个仿真时刻下的目标卫星三轴位置矢量和姿态。

一种面向卫星目标和恒星目标的天基观测模拟方法，实现步骤如下：

(1)模拟开始时，运行恒星数据库读取模块，计算获取地心惯性系下的恒星位置矢量和星等信息并提供给目标可见性判断模块，运行卫星初始参数配置模块，获取观测卫星和目标卫星的配置参数并提供给观测卫星动力学仿真与控制模块、目标卫星动力学仿真与控制模块；

(2)在一个模拟仿真步长内，根据接收到的卫星初始配置参数数据，运行观测卫星动力学仿真与控制模块和目标卫星动力学仿真与控制模块；调用卫星动力学类库进行动力学仿真与控制，并输出观测卫星的三轴位置和姿态和目标三轴位置和姿态给目标可见性模块，输出观测卫星地心惯性系与轨道系、轨道系和卫星本体系之间的转换矩阵给观测卫星载荷模拟模块；

(3)观测载荷模拟模块接收观测卫星的坐标转换矩阵，结合载荷转台模拟的俯仰和偏航角数据，输出载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵提供给目标可见性判断模块；

(4)目标可见性判断模块接收恒星数据库读取模块的恒星位置矢量和星等信息、接收观测卫星动力学仿真与控制模块的观测卫星位置矢量和姿态、接收目标卫星动力学仿真与控制模块的目标位置矢量和姿态、接收观测载荷模拟模块的载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵，进行目标视场内判断，并输出视场内的目标的位置及星等信息、观测载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵给观测卫星载荷成像模拟模块；

(5)观测卫星载荷成像模拟模块基于目标可见性模块传递的可见目标位置矢量及星等信息、观测卫星载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵，进行目标在像平面的成像位置计算，并将成像结果提供给观测结果输出模块；

(6)观测结果输出模块基于观测卫星载荷成像模拟模块输入的目标成像位置及目标星等信息，绘制出载荷成像窗口以及窗口中的可见目标，完成对天基观测结果的模拟输出。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明系统性的解决了天基观测模拟问题。天基观测模拟是一个多学科问题，涉及天体力学、飞行器设计、光学和计算机图形学等。现阶段的天基观测模拟系统化程度不高，往往集中在某一点上，比如集中在卫星动力学仿真与控制或者光学系统仿真等，本方法从系统角度出发，涵盖天基观测模拟的各节点，包括天基观测模拟的各过程阶段，如观测卫星在轨运动、目标卫星在轨运动、观测载荷的在轨观测等，系统性的解决天基观测模拟问题。

(2)本发明动态性的解决了天基观测模拟问题。现阶段的天基观测模拟研究中，针对观测载荷成像模拟时，往往是给定某时刻下的观测卫星和目标的状态，局限在了某一时刻点的模拟，缺乏动态性和连续性，本方法从天基观测模拟过程入手，通过计算机仿真手段，本发明解决了天基观测过程的动态模拟。

(3)本发明逼真性的解决了天基观测模拟问题。本方法中涉及的各对象，包括观测卫星、观测载荷、目标卫星等对象都是通过高精度的动力学仿真数据高逼真性的生成各对象运动数据，因此以此为基础的天基观测模拟的逼真性得到了大大的提高。

附图说明

图1是本发明系统模块化结构图；

图2是本发明的系统数据流图；

图3是本发明系统运行流程图；

图4是轨道坐标系与地心惯性坐标系的关系图；

图5观测载荷坐标系与观测载荷像平面坐标系的关系图；

图6为卫星动力学仿真与控制计算流程图；

图7远距离观测模拟效果图；

图8近距离观测模拟效果图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图对本发明的具体实施方式进行说明。

如图1、2所示，本发明提供一种面向卫星目标和恒星目标的天基观测模拟系统。主要包括恒星数据库读取模块、卫星动力学仿真类库、卫星初始参数配置模块、观测卫星动力学仿真与控制、目标卫星动力学仿真与控制、观测卫星载荷转台模拟模块、目标可见性判断模块、观测卫星载荷成像模拟、观测结果模拟输出模块，，各模块间的数据通信主要通过内部接口的形式实现，整个系统的运行流程如图3所示。

不同坐标系之间的数据转换通过坐标转换矩阵实现。面向卫星目标和恒星目标的天基观测模拟系统涉及的坐标系包括地心惯性系、轨道坐标系、本体坐标系、载荷转台坐标系和像平面坐标系，定义如下：

地心惯性系，简称i系：O_iX_iY_iZ_i，其中原点O_i位于地心，O_iX_i指向春分点，O_iZ_i为自转轴，指向北极，O_iY_i与O_iX_i和O_iZ_i成右手系。

轨道坐标系，简称o系：OX_oY_oZ_o，其中原点O位于卫星质心，OX_o与目标速度方向一致，OZ_o指向地心，OY_o与OX_o和OZ_o成右手系。

卫星本体坐标系，简称b系：OX_bY_bZ_b，其中原点O位于卫星质心，OX_b、OY_b、OZ_b三轴与星体固连，为卫星三个主惯量轴方向，其中OX_b为滚动轴，OY_b为俯仰轴，OZ_b为偏航轴。

载荷转台坐标系，简称p系：O_pX_pY_pZ_p，原点O_p在载荷光学镜头的投影中心，O_pZ_p为载荷光轴方向，O_pX_p和O_pY_p平行于CCD/CMOS的两个边，指向与CCD的排列顺序一致，满足右手定则。

像平面坐标系，简称c系：O_cX_cY_cZ_c，原点O_c为载荷坐标系原点O_p在CCD平面的投影，O_cX_c和O_cY_c与载荷坐标系O_pX_p和O_pY_p方向一致。

地心惯性系和轨道坐标系如图4所示，载荷转台坐标系与像平面坐标系如图5所示。

恒星数据库读取模块，读取真实星表数据并将星表的经度和纬度信息转换为地心惯性系下的位置矢量信息，记录每颗星的位置矢量和星等信息，提供给目标可见性判断模块。恒星数据库涵盖从5到13星等以内不同范围的数据库。具体信息包括赤经α，赤纬δ和星等level。

r_x＝R*cosδ*cosα

r_y＝R*cosδ*sinα

r_z＝R*sinδ

其中(r_x,r_y,r_z)为恒星的地心惯性系下的位置矢量，R为设定的天球半径。

卫星动力学仿真类库，以面向对象的方式提供不同动力学精度模型和不同精度的数值积分方法的卫星轨道和姿态动力学仿真的功能，供观测卫星的动力学仿真与控制和目标卫星的动力学仿真与控制块调用，可复用性和可扩展性高；不同动力学精度模型可以涵盖二体模型，J2摄动模型等，可根据精度模型需求自定义添加；不同的数值积分计算方法，包括Gill法和7阶龙格库塔法等，可根据精度要求自定义添加。

卫星轨道模型在地心惯性系下，设卫星的位置矢量为运动学模型为：

$\stackrel{\·\·}{\stackrel{\→}{r}}=F_0\left(\stackrel{\→}{r}\right)+F_z\left(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\·}{\stackrel{\→}{r}},t\right)+F_c\left(t\right)$

其中，r为卫星在地心惯性系下的位置矢量，F₀是地球中心引力加速度，F_z是是除地球中心引力加速度外其它各力学因素(亦即摄动源)对卫星的摄动加速度，F_c为控制力加速度，t为卫星运行时间，根据动力学模型的精度不同，考虑不同的摄动源模型，支持不同类型摄动源的自定义添加。

目标和平台的姿态运动学模型均采用四元素法描述：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{q_1}\\ \stackrel{\·}{q_2}\\ \stackrel{\·}{q_3}\\ \stackrel{\·}{q_4}\end{array}\right]=1/2\left[\begin{array}{cccc}{q}_4& -q_3& q_2& q_1\\ q_3& q_4& -q_1& q_2\\ -q_2& q_1& q_4& q_3\\ -q_1& -q_2& -q_3& q_4\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x-{\mathrm{\ω}}_{ox}\\ {\mathrm{\ω}}_y-{\mathrm{\ω}}_{oy}\\ {\mathrm{\ω}}_z-{\mathrm{\ω}}_{oz}\\ 0\end{array}\right]$

其中(q₁,q₂,q₃,q₄)为卫星本体相对于轨道下的四元素，(ω_x,ω_y,ω_z)为卫星在本体系中的三轴绝对角速度，(ω_ox,ω_oy,ω_oz)为星体轨道角速度在本体系的三轴分量。

卫星姿态运动学方程为：

其中w_s为卫星在本体系中的绝对角速度，I_s为卫星相对星体质心系的整星转动惯量，H_w为飞轮的转动惯量，T为卫星所受的合外力矩。

卫星初始参数配置模块，对仿真时间设置，观测卫星和载荷的初始运动状态及物理参数的配置，目标卫星的初始运动状态及物理参数的配置，观测卫星和目标卫星轨道控制配置，观测卫星和目标卫星的姿态控制模式配置，并作为仿真初始参数供观测卫星的动力学仿真与控制模块和目标卫星的动力学仿真与控制模块调用。其中初始运动状态包括卫星的轨道a,e,i,ω,Ω,f，分别为卫星半长轴，偏心率，轨道倾角，近地点幅角，升交点赤经，真近地点角，姿态初值θ,φ,分别为滚动角，俯仰角，偏航角，滚动速度，俯仰角速度和偏航角速度，物理参数包括有卫星的转动惯量I，观测卫星载荷初始安装矩阵载荷焦距f，载荷视场类型Type，载荷视场大小Inch，成像CCD的尺寸大小CCD_x,CCD_y，轨道控制模式配置包括对轨控时刻和脉冲增量的配置，姿态控制模式配置包括卫星不同任务阶段的姿态控制模式状态字。

观测卫星动力学仿真与控制模块，仿真开始时根据卫星初始参数配置模块提供的观测卫星初始数据，分别进行观测卫星轨道和姿态动力学仿真以及控制系统仿真；观测卫星动力学仿真时，根据动力学模型精度要求调用卫星动力学仿真类库中的不同动力学模型以及数值积分方法；观测卫星控制系统仿真时，根据预置的卫星轨道控制配置参数进行设定时刻的脉冲变轨控制；根据观测卫星姿态控制模式配置参数，应用PID控制律方法，进行不同姿态控制模式下的姿态控制系统的设计，并在一个控制回路完成时输出观测卫星的地心惯性系下的三轴位置矢量和姿态给目标可见性判断模块，还输出了观测卫星轨道系相对于地心惯性系的转换矩阵C_oi，本体系相对于轨道系的转换矩阵C_bo给观测卫星载荷转台模拟模块。整个计算过程如图6所示。

轨道系相对于地心惯性系的转换矩阵计算公式为：

$c_{oi}=\left[\begin{array}{ccc}0& 1& 0\\ 0& 0& -1\\ -1& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}cos(\mathrm{\ω}+f)& sin(\mathrm{\ω}+f)& 0\\ -sin(\mathrm{\ω}+f)& \cos (\mathrm{\ω}+f)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos i& \sin i\\ 0& -\sin i& \cos i\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\Ω}& sin\mathrm{\Ω}& 0\\ -sin\mathrm{\Ω}& cos\mathrm{\Ω}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

卫星本体系相对于轨道系的转换矩阵为：

$C_{bo}=\left[\begin{array}{ccc}{q}_1^2-q_2^2-q_3^2+q_4^2& 2\left(q_1{q}_2+q_3{q}_4\right)& 2\left(q_1{q}_3-q_2{q}_4\right)\\ 2\left(q_1{q}_2-q_3{q}_4\right)& -q_1^2+q_2^2-q_3^2+q_4^2& 2\left(q_1{q}_4+q_2{q}_3\right)\\ 2\left(q_1{q}_3+q_2{q}_4\right)& 2\left(-q_1{q}_4+q_2{q}_3\right)& -q_1^2-q_2^2+q_3^2+q_4^2\end{array}\right]$

基于反馈四元素的PID控制律下的控制力矩的计算公式为：

T_cx＝2*K_xp*q_1E*q_4E+K_xd*w_x

T_cy＝2*K_yp*q_1E*q_4E+K_yd*w_y

T_cz＝2*K_zp*q_1E*q_4E+K_zd*w_z

其中q_e＝(q_1E,q_2E,q_3E,q_4E)为误差四元素，(T_cx,T_cy,T_cz)为卫星本体系下的三轴控制力矩,(K_xp,K_xd)为卫星本体系下x轴的PD控制参数，(K_yp,K_yd)为卫星本体系下y轴的PD控制参数，(K_zp,K_zd)为卫星本体系下z轴的PD控制参数。

目标卫星动力学仿真与控制模块，仿真开始时根据目标卫星初始参数配置提供的目标卫星初始数据，分别进行目标卫星轨道和姿态动力学以及控制系统仿真；目标卫星动力学仿真时，根据动力学模型精度要求调用卫星动力学仿真类库中的不同动力学模型以及数值积分方法；目标卫星控制系统仿真时，根据预置的目标卫星轨道控制配置参数进行设定时刻的脉冲变轨控制，根据目标卫星姿态控制模式配置参数，应用PID控制律控制方法，进行不同姿态控制模式下的姿态控制系统的设计，并在一个控制回路完成时输出目标卫星的地心惯性系下的三轴位置矢量和姿态给目标可见性判断模块。整个计算过程如图6所示。

观测卫星载荷转台模拟，负责模拟卫星平台上载荷转台的俯仰运动和偏航运动，其中俯仰运动通过载荷转台的y轴旋转实现，偏航运动通过载荷转台的x轴旋转实现。包括有巡天模式和目标跟踪模式两种载荷转台运动模式，巡天模式负责初始阶段的目标搜寻和探测，目标跟踪模式负责目标的识别和跟踪。模块在每一个仿真时刻输出转台的俯仰角θ'和偏航角φ'，以及转台实际位置相对于其初始安装位置的转换矩阵通过俯仰角和偏航角计算转换矩阵公式如下。

$C_{p_{re}{p}_{in}}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\θ}}^{,}& 0& {\mathrm{sin\θ}}^{,}\\ 0& 1& 0\\ -{\mathrm{sin\θ}}^{,}& 0& {\mathrm{cos\θ}}^{,}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& {\mathrm{cos\φ}}^{,}& {\mathrm{sin\φ}}^{,}\\ 0& -{\mathrm{sin\φ}}^{,}& {\mathrm{cos\φ}}^{,}\end{array}\right]$

目标可见性判断模块，包括对恒星目标的可见性判断及卫星目标的可见性判断。模拟过程中接收恒星数据库读取模块传入的恒星在地心惯性系下的位置矢量和星等，接收目标卫星动力学仿真与控制模块传入的目标地心惯性系下的三轴位置矢量和姿态，接收观测卫星动力学仿真与控制模块传入的观测卫星的三轴位置矢量和姿态，接收观测卫星载荷转台模拟模块传入的载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵，在每一个仿真时刻计算目标到观测卫星的相对位置矢量与观测卫星载荷光轴矢量的夹角与视场的关系，满足地球不遮挡、太阳和月球不在视场内、目标在视场范围内的条件，记录该目标的相对位置，对于卫星目标，根据相对位置计算等效星等，对于恒星目标，直接记录其星等值，并将记录结果和载荷相对于地心惯性系的转换矩阵提供给观测卫星载荷成像模拟模块；

地球遮挡时，目标进入地球阴影，不能被太阳照射，探测系统无法观测目标；日光影响即目标相对于观测卫星矢量与太阳相对于观测卫星的矢量之间的夹角大于某一个临界角，该临界角为太阳的视半径与光散射角之和。月光影响与日光影响原理相同。视场条件是判断目标相对于观测载荷的位置矢量与载荷光轴所成夹角是否小于视场临界值，如若小于，则满足成像条件。χ代表目标在观测载荷坐标系下位置矢量与载荷光轴的夹角。其计算公式为：

$\mathrm{\χ}=\arccos (\stackrel{\→}{r_p}\·\stackrel{\→}{r_l})$

$\stackrel{\→}{r_p}=\left[\begin{array}{c}{x}_p\\ y_p\\ z_p\end{array}\right]$ 代表观测载荷坐标系下的目标位置矢量， $\stackrel{\→}{r_l}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ z_l\end{array}\right]$ 代表观测载荷坐标系下的光轴位置矢量。

判断是否在视场中的不等式条件为：

χ≤AngView

式中AngView为载荷视场临界角。若满足不等式条件，则观测目标在载荷视场中，否则不在视场中。

观测卫星载荷成像模拟模块，接收目标可见性判断模块传递的可见目标信息、载荷相对于地心惯性系的转换矩阵，基于可见目标在成像坐标系下的位置矢量和成像坐标系及载荷像平面坐标系的关系，对目标位置在像平面坐标系下进行二维投影，并在每一个仿真时刻计算输出其在像平面坐标系下的位置，供观测结果输出模块调用，并以文本文件的形式保存每一仿真时刻下的天基观测结果。

主要计算内容包括：

●计算目标在观测载荷坐标系下的位置矢量：

$\left[\begin{array}{c}{x}_p\\ y_p\\ z_p\end{array}\right]=C_{p_{re}{p}_{in}}{C}_{p_{in}b}{C}_{bo}{C}_{oi}(\left[\begin{array}{c}{x}_{i_t}\\ y_{i_t}\\ z_{i_t}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{x}_{i_c}\\ y_{i_c}\\ z_{i_c}\end{array}\right])$

其中， $\left[\begin{array}{c}{x}_{i_t}\\ y_{i_t}\\ z_{i_t}\end{array}\right]$ 代表目标在地心惯性系下的位置矢量， $\left[\begin{array}{c}{x}_{i_c}\\ y_{i_c}\\ z_{i_c}\end{array}\right]$ 代表观测卫星在地心惯性系下的位置矢量，代表观测卫星载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵， $\left[\begin{array}{c}{x}_p\\ y_p\\ z_p\end{array}\right]$ 代表观测载荷坐标系下的目标位置矢量。

●计算目标在像平面坐标系下的位置为：

$x=\frac{x_p}{z_p}*f$

$y=\frac{y_p}{z_p}*f$

其中f为观测载荷的焦距，(x，y)代表目标在像平面坐标系下的坐标值。

观测结果输出模块，基于观测卫星载荷成像模拟模块传入的可见目标在像平面坐标系下的位置及目标星等信息，利用计算机渲染技术，绘制出载荷成像窗口以及窗口中的可见目标，完成对天基观测结果的模拟输出，并以图片格式的形式保存每一仿真时刻下的天基观测结果。天基观测模拟远距离观测结果如图6所示，天基观测模拟近距离观测结果如图7所示。

总之，本发明针对观测卫星、卫星目标实际在轨运行状态、观测卫星安装的观测载荷的实际物理状态、恒星目标的信息，利用计算机仿真技术构建了针对卫星目标和恒星目标的天基观测模拟系统，实现了对天基观测系统的仿真模拟，并分别以数据和图像的形式输出各个仿真时刻的观测模拟结果。在以整个天基观测物理过程模拟为出发点，构建和模拟包含观测卫星、观测载荷、目标卫星、恒星等各个模型的天基观测过程，并动态输出置信度高的天基观测模拟结果。

Claims (4)

1.一种面向卫星目标和恒星目标的天基观测模拟系统，其特征在于：包括恒星数据库读取模块、卫星动力学仿真类库、卫星初始参数配置模块、观测卫星动力学仿真与控制、目标卫星动力学仿真与控制、观测卫星载荷转台模拟模块、目标可见性判断模块、观测卫星载荷成像模拟、观测结果模拟输出模块；其中：

恒星数据库读取模块，读取真实星表数据并将星表的经度和纬度信息转换为地心惯性系下的位置矢量信息，记录每颗星的位置矢量和星等信息，提供给目标可见性判断模块；

卫星动力学仿真类库，以面向对象的方式提供不同精度动力学模型和不同精度的数值积分方法的卫星轨道和姿态动力学仿真的功能，供观测卫星的动力学仿真与控制模块和目标卫星的动力学仿真与控制模块调用，可复用性和可扩展性高；

卫星初始参数配置模块，包括对仿真时间设置，观测卫星和载荷的初始运动状态及物理参数的配置，目标卫星的初始运动状态及物理参数的配置，观测卫星和目标卫星轨道控制配置，观测卫星和目标卫星的姿态控制模式配置，并作为仿真初始参数供观测卫星的动力学仿真与控制模块和目标卫星的动力学仿真与控制模块调用；

观测卫星动力学仿真与控制模块，实现观测卫星动力学仿真与控制系统仿真；仿真真开始时接收卫星初始参数配置模块的输入数据，仿真过程中通过调用卫星动力学仿真类库实现在轨观测卫星的轨道和姿态运动和控制过程的模拟，并在每一个仿真时刻输出观测卫星地心惯性系下的三轴位置矢量和姿态给目标可见性判断模块，输出地心惯性系与轨道系、轨道系和卫星本体系之间的转换矩阵给观测卫星载荷转台模拟模块；

目标卫星动力学仿真与控制模块，实现目标卫星动力学仿真与控制系统仿真，仿真开始时接收卫星初始参数配置模块的输入数据，仿真过程中通过调用卫星动力学仿真类库实现在轨目标卫星的轨道和姿态运动和控制过程的模拟，并在每一个仿真时刻输出目标卫星在地心惯性系下的三轴位置矢量和姿态给目标可见性判断模块；

观测卫星载荷转台模拟模块，对观测载荷二维转台的运动模拟，模拟卫星转台的俯仰运动和偏航运动，在每一个仿真时刻接收观测卫星动力学仿真与控制模块传入的地心惯性系与轨道系、轨道系和卫星本体系之间的坐标转换矩阵，输出载荷转台的俯仰角和偏航角，以及载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵给目标可见性判断模块；

目标可见性判断模块，包括对恒星目标的可见性判断及卫星目标的可见性判断；模拟过程中接收恒星数据库读取模块传入的恒星在地心惯性系下的位置矢量和星等，接收目标卫星动力学仿真与控制模块传入的目标地心惯性系下的三轴位置矢量和姿态，接收观测卫星动力学仿真与控制模块传入的观测卫星的三轴位置矢量和姿态，接收观测卫星载荷转台模拟模块传入的载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵，在每一个仿真时刻计算目标到观测卫星的相对位置矢量与观测载荷光轴矢量的夹角与视场的关系，满足地球不遮挡、太阳和月球不在视场内、目标在视场范围内的条件下记录该目标的相对位置，对于卫星目标，根据相对位置计算等效星等，对于恒星目标，直接记录其星等值，并将记录结果和载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵提供给观测卫星载荷成像模拟模块；

观测卫星载荷成像模拟模块，接收目标可见性判断模块传递的可见目标信息、载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵，基于可见目标在成像坐标系下的位置矢量和成像坐标系及载荷像平面坐标系的关系，对目标位置在像平面坐标系下进行二维投影，并在每一个仿真时刻计算输出其在像平面坐标系下的位置，供观测结果输出模块调用，并以文本文件的形式保存每一仿真时刻下的天基观测结果；

观测结果输出模块，基于观测卫星载荷成像模拟模块传入的可见目标在像平面坐标系下的位置及目标星等信息，利用计算机渲染技术，绘制出载荷成像窗口以及窗口中的可见目标，完成对天基观测结果的模拟输出，并以图片格式的形式保存每一仿真时刻下的天基观测结果。

2.根据权利要求1所述的面向卫星目标和恒星目标的天基观测模拟系统，其特征在于：所述观测卫星动力学仿真与控制模块具体实现如下：

(1)根据卫星初始参数配置模块提供的观测卫星初始数据，分别进行观测卫星轨道和姿态动力学仿真以及控制系统仿真；

(2)观测卫星动力学仿真时，根据动力学模型精度要求调用卫星动力学仿真类库中的不同动力学模型以及数值积分方法；

(3)观测卫星控制系统仿真时，根据预置的卫星轨道控制配置参数进行设定时刻的脉冲变轨控制；根据观测卫星姿态控制模式配置参数，应用PID控制律方法，进行不同姿态控制模式下的姿态控制系统的设计，并在一个控制回路完成时输出每一个仿真时刻下的观测卫星三轴位置矢量和地心惯性系与轨道系、轨道系和卫星本体系之间的转换矩阵。

3.根据权利要求1所述的面向卫星目标和恒星目标的天基观测模拟系统，其特征在于：所述目标卫星动力学仿真与控制模块具体实现如下：

(1)根据目标卫星初始参数配置提供的目标卫星初始数据，分别进行目标卫星轨道和姿态动力学以及控制系统仿真；

(2)目标卫星动力学仿真时，根据动力学模型精度要求调用卫星动力学仿真类库中的不同动力学模型以及数值积分方法；

(3)目标卫星控制系统仿真时，根据预置的目标卫星轨道控制配置参数进行设定时刻的脉冲变轨控制，根据目标卫星姿态控制模式配置参数，应用PID控制律控制方法，进行不同姿态控制模式下的姿态控制系统的设计，并在一个控制回路完成时输出每一个仿真时刻下的目标卫星三轴位置矢量和姿态。

4.一种面向卫星目标和恒星目标的天基观测模拟方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)模拟开始时，运行恒星数据库读取模块，计算获取地心惯性系下的恒星位置矢量和星等信息并提供给目标可见性判断模块，运行卫星初始参数配置模块，获取观测卫星和目标卫星的配置参数并提供给观测卫星动力学仿真与控制模块、目标卫星动力学仿真与控制模块；

(2)在一个模拟仿真步长内，根据接收到的卫星初始配置参数数据，运行观测卫星动力学仿真与控制模块和目标卫星动力学仿真与控制模块；调用卫星动力学类库进行动力学仿真与控制，并输出观测卫星的三轴位置和姿态和目标三轴位置和姿态给目标可见性模块，输出观测卫星地心惯性系与轨道系、轨道系和卫星本体系之间的转换矩阵给观测卫星载荷模拟模块；

(3)观测载荷模拟模块接收观测卫星的坐标转换矩阵，结合载荷转台模拟的俯仰和偏航角数据，输出载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵提供给目标可见性判断模块；

(4)目标可见性判断模块接收恒星数据库读取模块的恒星位置矢量和星等信息、接收观测卫星动力学仿真与控制模块的观测卫星位置矢量和姿态、接收目标卫星动力学仿真与控制模块的目标位置矢量和姿态、接收观测载荷模拟模块的载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵，进行目标视场内判断，并输出视场内的目标的位置及星等信息、观测载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵给观测卫星载荷成像模拟模块；

(5)观测卫星载荷成像模拟模块基于目标可见性模块传递的可见目标位置矢量及星等信息、观测卫星载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵，进行目标在像平面的成像位置计算，并将成像结果提供给观测结果输出模块；

(6)观测结果输出模块基于观测卫星载荷成像模拟模块输入的目标成像位置及目标星等信息，绘制出载荷成像窗口以及窗口中的可见目标，完成对天基观测结果的模拟输出。