CN113053198A - 一种航天器模拟发射系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天器技术领域，具体公开了一种航天器模拟发射系统，包括：地面指挥子系统，设立指挥员、飞控员和遥测员，三者相互配合完成控制和监测；地面操作子系统，设置加电/复位、一分钟准备、点火起飞、场景加速、遥控指令五个岗位执行指令；航天器模拟发射软件子系统包括火箭和航天器仿真模型、运动轨迹、关键节点动作等仿真模块，局域网将三个指挥员和五个操作员集合到当次的模拟发射流程中，不同岗位配置相应操作设备和操作人员，协同工作，完成对航天器模拟发射软件子系统的操作，随着指令的变化，火箭及航天器仿真模型和仿真轨迹发生变化，实现航天器发射过程的三维可视化及动作对应的音效输出。

Description

一种航天器模拟发射系统

技术领域

本发明属于航天器技术领域，特别涉及一种航天器模拟发射系统，涉及航天器发射全生命周期的控制、监测和可视化演示方法、系统。

背景技术

随着中国北斗三号全球卫星导航系统的建成及月球土壤的取回，中国航空航天技术的蓬勃发展再次引发了人们的热议。很多民众一直关注着中国航天事业的发展，对航空空调技术有着强烈的好奇心。国家对航天技术的宣传和科普也非常重视，但航天器的发射资料仅有网上公布的视频或者理论介绍，虽然这些材料比较详细地介绍了航天发射过程，但这些形式只是让人处于旁观者的立场，没有沉浸式的航天器发射操作体验环境，缺乏参与感。同时，航天器的发射场地具有保密性，一般民众不允许进入。

公开号CN108595771A的专利申请公开了一种航天器设备现场模拟分析方法，主要利用三维软件导入航天器设备模型，并在航天器视场模拟摄像机模型及各摄像机视场角范围，从而建立航天器设备现场模拟分析模型，用于对航天器设备视场被遮挡区域和被遮挡率的快速分析与计算。该申请主要对航天器设备视角是否有遮挡进行计算、分析，不涉及对航天器的控制，并且不涉及航天器运行过程的可视化。

公开号为CN108550294A的专利申请公开了一种模拟星球登陆的教学方法、装置、电子设备以及存储介质，使用户在模拟的太空微重力环境下进行太空体验，同时，通过模拟星球登陆的过程，使用户学习太空教学方面的课程，让用户掌握航天器模拟地球至待登陆星球登陆整个过程中各个技术要点，对登陆过程、航天器特性进行比较全面的学习。该申请内容主要用于教学，侧重对单人操作的评估，不涉及航天器发射过程中的团队整体操作，并且不涉及对航天器发射过程的整体监测。

综合来说，目前航天器发射的介绍多为录制的视频资料或理论介绍的图文资料，学习者缺乏操作和参与感；现有的与航天器发射相关的软件系统或设备侧重于对航天器特性的分析，或通过软件模拟航天器的登录过程，对用户的模拟操作状态进行评分，并且这些均为单机版，缺乏对航天器从点火至进入预定轨道全生命周期的地面控制系统的介绍，以及航天器发射飞行过程的可视化，不涉及地面控制、监测人员的操作，不便于全面地、沉浸式地了解、体验航天器从点火至进入预定轨道的整个过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种虚实结合的分布式航天器模拟发射系统，便于模拟发射全流程，允许操作人员从不同角度观察，同时结合局域网合作、可视化和音效实现沉浸式体验。

为实现上述目的，本发明提供了一种航天器模拟发射系统，包括：地面指挥子系统，设立01号指挥员、02号飞控员和03号遥测员这三个岗位，允许三个操作人员相互配合完成整个系统的控制和监测；地面操作子系统，设置加电/复位、一分钟准备、点火起飞、场景加速、遥控指令五个操作岗位，听从01号指挥员、02号飞控员和03号遥测员下达的指令；航天器模拟发射软件子系统，包括仿真模型、运动轨迹、关键节点动作、遥控指令等仿真模块，对火箭和航天器（尤其是北斗卫星导航系统中的卫星）的模型、运动轨迹、运行过程中的关键节点动作、遥控指令等进行仿真，模拟真实航天器的发射过程，仿真模型在地面操作子系统的控制下完成相应动作；可视化及音效控制子系统，连接大屏幕显示器和音响，对仿真模型及其运动进行三维可视化和相应的音效输出，并对上述八个操作人员之间的交互式应答进行音效控制。

作为上述方案的改进，地面指挥子系统、地面操作子系统各人员呈阶梯式圆弧形分布，地面指挥子系统工作岗位设置在上级，每个工作岗位配置监测电脑及麦克风，地面操作子系统工作岗位设置在下级，每个工作岗位上配置该岗位定制操作设备和麦克风，麦克风用于控制音效，人员根据自己的身份进入地面指挥子系统和地面操作子系统不同的岗位，协同工作。

作为上述方案的改进，所述点火起飞操作岗位需要执行的动作包括程序转弯、一级关机、一二级分离、二级点火、抛整流罩、二级关机、二三级分离、三级点火、三级一次关机、三级二次点火、三级二次关机、星箭分离、太阳翼展开、通讯载荷展开、太阳帆板对日定向、进入转移轨道、进入预定轨道。

作为上述方案的改进，所述仿真模型包括火箭模型、卫星模型、发射场模型、测控站模型和测控船模型，所述仿真轨迹包括卫星轨迹和仿真火箭弹道。

作为上述方案的改进，所述火箭模型包括一级、二级和三级模型，所述火箭模型还包括关节动作和火焰，所述卫星模型包括星体、太阳帆板和载荷，所述卫星轨迹包括停泊轨道、转移轨道和目标任务轨道。

作为上述方案的改进，当三个指挥员和五个操作员之中缺少一个或多个时，将空缺的岗位设置成AI控制。

作为上述方案的改进，所述可视化及音效控制子系统设有VR设备接口，操作人员佩戴VR头盔后看到3D的仿真模型和仿真轨迹。

本发明具有如下有益效果：

发射系统包含航天器从点火至进入预定轨道的全生命周期，对各项内容都有全面地、系统的介绍，采用虚实结合的方式构建航天器从发射至到达预定轨道全生命周期的控制、监测操作环境，构建与航天器发射现场一致的体验环境，在室内即可完整地、沉浸式地体验航天器发射的整个过程，参与度高。

航天器模拟发射软件对火箭模型、航天器模型、火箭弹道、航天器轨道、测控站模型、测控船模型、测控指令等各种各样的模型进行设计及仿真，并高逼真度地还原航天器发射过程中的关键节点动作，通过定制操作设备可对航天器进行实时控制，解决了以往只能观看航天器发射，不能操作的缺陷。

航天器模拟发射系统通过显示器和音响设备构建视觉、听觉环境，通过三维可视化的方式展示航天器发射过程中的动作，通过音响设备完成航天器发射过程中的倒计时报数、点火升空模拟、操作人员的交互式应答。全方位地展示航天器发射过程中的动作、声音，构建沉浸式的体验环境；航天器模拟发射软件子系统可对整个模拟速度进行控制，在航天器进入轨道前可进行最高8倍速的画面加速，进入预定轨道后可进一步加速，在不影响操作体验效果的情况下节省等待时间。

航天器模拟发射系统构建了协同操作工作环境，类似一局游戏多个玩家共同配合，其中不同岗位配置相应操作设备和操作人员，各操作人员协同工作，共同配合完成航天器发射的控制、监测工作，相互沟通和交流培养对岗位的细致认识和合作精神。

附图说明

图1是一种实施例下航天器模拟发射系统的原理图；

图2是一种实施例下航天器模拟发射系统的布局图；

图3是一种实施例下航天器模拟发射系统的整体操作流程图；

图4是一种实施例下航天器模拟发射系统的软件模块组成图；

图5是一种实施例下航天器模拟发射系统的关键动作流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。本发明公开了一种航天器模拟发射系统。

图1是航天器模拟发射系统的原理图，系统包含地面指挥子系统、地面操作子系统、航天器模拟发射软件子系统、可视化及音效控制子系统四个部分。地面指挥子系统是整个系统的控制指挥中心，设立01号指挥员、02号飞控员、03号遥测员三个岗位，负责下达指令和现场控制，完成对整个系统的控制和监测，03号遥测员通过远程观察的方式获取航天器的外界信息。地面操作子系统在地面指挥子系统的控制下开展具体操作，设置加电/复位、一分钟准备、点火起飞、场景加速、遥控指令五个操作岗位，完成对航天器发射过程的点火控制、设备状态监测指令执行工作。航天器模拟发射软件子系统为航天器模拟发射系统中的虚拟部分，对火箭和航天器（尤其是北斗卫星导航系统中的卫星）的模型、运动轨迹、运行过程中的关键节点、遥控指令等进行仿真，模拟真实航天器的发射过程，仿真模型在地面操作子系统的控制下完成相应动作；可视化及音效控制子系统对航天器模拟发射软件子系统中的仿真模型及其运动进行三维可视化和相应的音效输出，并对地面控制子系统、地面操作子系统之间的交互式应答进行音效控制。

图2为航天器模拟发射系统布局图，地面指挥子系统、地面操作子系统各人员呈阶梯式圆弧形分布，地面指挥子系统工作岗位设置在上级，每个工作岗位配置监测电脑及麦克风；地面操作子系统工作岗位设置在下级，每个工作岗位上配置该岗位定制操作设备和麦克风，麦克风用于控制音效。各工作岗位上的设备通过网线和航天器模拟发射软件子系统的设备组成局域网，实现对航天器模拟发射软件子系统的控制；航天器模拟发射软件子系统的设备通过HDMI线与大屏幕的显示器连接，实现航天器发射过程的三维可视化；通过USB线与调音台连接，实现航天器发射过程的音效模拟。为了得到更大的显示面积，可以采用投影仪的方式展示画面。

图3是航天器模拟发射系统操作流程图，基于该系统完成一次完整的航天器模拟发射过程共需八名人员，包括地面指挥子系统01号指挥员、02号飞控员、03号遥测员三名人员和地面操作子系统加电/复位操作员、一分钟准备操作员、点火起飞操作员、场景加速操作员、遥控指令操作员五名操作人员。所有人员按照工作任务到达对应工作岗位，准备就绪后听从01号指挥员统一控制。当01号指挥员发出加电指令时，地面操作子系统各操作员依次操作自身的设备，完成设备加电操作，并同时汇报操作结果。地面操作子系统各设备加电完成后，01号指挥员发出一分钟准备指令，一分钟准备操作员操作其设备，完成后汇报执行结果；当一分钟准备完成后01号指挥员发出点火起飞指令，点火起飞操作员操作其设备，完成后汇报执行结果；此时，火箭从发射场发射，按照预先设定好的飞行动作及飞行路径飞行，02号飞控员和03号遥测员根据航天器飞行过程中途径的各地面点实时播报各地面站点雷达跟踪状态和遥测信息状态；当02号飞控员播报“长江六号跟踪正常”后，01号指挥员发出遥控指令，遥控指令操作员操作其设备，完成后汇报执行结果；当航天器太阳帆板对日定向后，01号指挥员发出场景加速指令，场景加速操作员操作其设备，完成后汇报执行结果；当航天器到达预定轨道后，01号指挥员发出复位指令，加电/复位操作员操作其设备，完成后汇报执行结果；此时，航天器模拟发射完成，01号指挥员宣布发射结果。

图4是航天器模拟发射系统软件模块组成图，主要包括仿真模型、仿真轨迹、遥控指令仿真三大模块。仿真模型包括火箭模型、卫星模型、发射场模型、测控站、测控船模型的仿真，火箭模型包括对火箭发射过程中的一级、二级、三级模型分别进行仿真，对火箭发射过程中的关节动作（如一级关机、一二级分离、二级关机等）进行模拟，同时对火箭点火时的火焰进行模拟；卫星模型仿真主要对卫星的星体、太阳帆板、卫星上搭载的载荷进行仿真。仿真轨迹包括对卫星的停泊轨道、转移轨道、目标任务轨道进行设计和仿真，以及对火箭的大气层内飞行段、等角速度程序飞行段、过渡轨道的轨迹进行设计和仿真。航天器模拟发射软件子系统对航天器从起飞到进入预定轨道整个过程中涉及到的模型进行三维建模仿真，当按照飞行轨迹途径跟踪站（测控站、测控船）时，对雷达跟踪状态和遥测信息状态进行仿真，高逼真度地还原航天器发射过程。

图5是航天器模拟发射系统的子系统的关键动作流程图，航天器模拟发射软件子系统对航天器从起飞到进入预定轨道整个过程中的关键节点动作进行仿真，当地面操作子系统点火起飞操作员操作其设备（即按下点火起飞按钮）后，航天器模拟发射软件子系统将执行火箭点火起飞动作，然后火箭按照提前设定好的路径飞行，升空后第17秒火箭将不再垂直向上飞行，执行程序转弯动作，向地球倾斜飞行，进入程序转弯飞行段；升空后第153秒火箭执行一级关机动作，第157秒执行一二级分离动作，此后，火箭进入二级飞行段；第234秒火箭已飞出大气层，此时执行抛掉整流罩动作；第333秒火箭执行二级关机动作，随后第341秒执行二三级分离动作，此后，火箭进入三级一次飞行段；第611秒火箭执行三级一次关机动作，在第847秒执行三级二次点火动作，进入三级二次飞行段，此后，地面操作子系统遥控指令操作员可操作其设备，启动遥控指令的仿真；在第1441秒执行三级二次关机动作，此时火箭进入末速修正段；在第1541秒执行星箭分离动作，火箭和航天器分离，此后，显示器将只显示航天器模型（卫星）；在第1619秒，航天器执行太阳翼展开动作，展开太阳帆板；在第1781秒，执行卫星通信载荷展开，随后在第1841秒执行太阳帆板对日定向动作；此后，地面操作子系统场景加速操作员根据指令进行场景加速，在第2301秒卫星进入转移轨道，在转移轨道继续飞行；在第2701秒卫星进入预定轨道，在预定轨道飞行。至此，完成一次完整的航天器发射。显示器对点火起飞至到达预定轨道整个过程中的模型、节点动作、测控站/测控船对航天器的监测控制进行三维可视化，整个可视化界面可缩放，从不同视角进行观测。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种航天器模拟发射系统，其特征在于包括：

地面指挥子系统，设立01号指挥员、02号飞控员和03号遥测员这三个岗位，允许三个操作人员相互配合完成整个系统的控制和监测；

地面操作子系统，设置加电/复位、一分钟准备、点火起飞、场景加速、遥控指令五个操作岗位，听从01号指挥员、02号飞控员和03号遥测员下达的指令；

航天器模拟发射软件子系统为航天器模拟发射系统中的虚拟部分，包括仿真模型、运动轨迹、关键节点动作、遥控指令等仿真模块，对火箭和航天器的模型、运动轨迹、运行过程中的关键节点动作、遥控指令等进行仿真，模拟真实航天器的发射过程，仿真模型在地面操作子系统的控制下完成相应动作；

可视化及音效控制子系统，连接大屏幕的显示器和音响，对仿真模型及其运动进行三维可视化和相应的音效输出，并对上述八个操作人员之间的交互式应答进行音效控制。

2.根据权利要求1所述的航天器模拟发射系统，其特征在于：地面指挥子系统、地面操作子系统各人员呈阶梯式圆弧形分布，地面指挥子系统工作岗位设置在上级，每个工作岗位配置监测电脑及麦克风，地面操作子系统工作岗位设置在下级，每个工作岗位上配置该岗位定制操作设备和麦克风，麦克风用于控制音效，人员根据自己的身份进入地面指挥子系统和地面操作子系统不同的岗位协同工作。

3.根据权利要求1所述的航天器模拟发射系统，其特征在于：所述航天器模拟发射软件子系统的关键节点动作包括程序转弯、一级关机、一二级分离、二级点火、抛整流罩、二级关机、二三级分离、三级点火、三级一次关机、三级二次点火、三级二次关机、星箭分离、太阳翼展开、通讯载荷展开、太阳帆板对日定向、进入转移轨道、进入预定轨道。

4.根据权利要求3所述的航天器模拟发射系统，其特征在于：所述仿真模型包括火箭模型、卫星模型、发射场模型、测控站模型和测控船模型，所述仿真轨迹包括卫星轨迹和仿真火箭弹道。

5.根据权利要求4所述的航天器模拟发射系统，其特征在于：所述火箭模型包括一级、二级和三级模型，所述火箭模型还包括关节动作和火焰，所述卫星模型包括星体、太阳帆板和载荷，所述卫星轨迹包括停泊轨道、转移轨道和目标任务轨道。

6.根据权利要求1至5任一项所述的航天器模拟发射系统，其特征在于：当三个指挥员和五个操作员之中缺少一个或多个时，将空缺的岗位设置成AI控制。

7.根据权利要求6所述的航天器模拟发射系统，其特征在于：所述可视化及音效控制子系统设有VR设备接口，操作人员佩戴VR头盔后看到3D的仿真模型和仿真轨迹。

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