CN114036759A - 一种卫星在轨管理数字仿真训练系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种卫星在轨管理数字仿真训练系统，涉及卫星控制管理技术领域，包括：专业基础知识训练子系统，用于为参训人员的培训学习提供专业基础知识的多媒体教程，为参训人员提供仿真训练实例的操作学习平台；卫星分析仿真子系统，用于为参训人员提供卫星工程测控和业务测控的分析计算仿真平台；在轨数据处理训练子系统，用于导入卫星实际在轨数据，为参训人员提供卫星在轨数据分析平台；任务流程模拟训练子系统，用于为参训人员提供任务流程模拟、岗位操作模拟及故障模拟的仿真平台；训练管理子系统，用于对整个系统的基础信息、运行控制、训练记录和训练评估进行管理；对整个系统的所有数据进行管理；并通过统一接口提供公共服务。

Description

一种卫星在轨管理数字仿真训练系统

技术领域

本申请涉及卫星控制管理技术领域，尤其是涉及一种卫星在轨管理数字仿真训练系统。

背景技术

卫星的控制管理具有技术复杂、专业性强、理论基础要求高的特点，要求人员具备航天器工程、轨道动力学等基础知识，能够对轨道控制、测控覆盖等问题进行仿真计算，同时熟悉卫星结构部件及功能组成、卫星测控流程，会对实际任务数据进行分析计算，专业要求非常高。

针对卫星控制管理岗位人员的培训，目前卫星运控中心通常采用人员自学、集中授课、跟岗培训、实操训练等传统方式。

由于人造卫星造价昂贵、指挥操作配合复杂、任务系统禁止规定外操作等原因，采用传统方式开展卫星管控人员培训，人才培养周期长，培训实施条件苛刻、难度大。另外各类软件的使用，系统的自动化程度越来越高，任务过程中岗位人员操作非常少且简单，仅熟悉基本岗位操作，难以深入掌握工作原理、数学模型、测控流程等，非常不利于人员分析问题处置应急等综合能力的培养提高。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种卫星在轨管理数字仿真训练系统，以解决现有卫星控制管理岗位人员培训方式存在的培养周期长，培训实施条件苛刻、难度大的技术问题。

一方面，本申请实施例提供了一种卫星在轨管理数字仿真训练系统，包括：专业基础知识训练子系统、卫星分析仿真子系统、在轨数据处理训练子系统、任务流程模拟训练子系统和仿真训练管理子系统；

所述专业基础知识训练子系统，用于为参训人员的培训学习提供专业基础知识的多媒体教程，为参训人员提供仿真训练实例的操作学习平台；

所述卫星分析仿真子系统，用于为参训人员提供卫星工程测控和业务测控的分析计算仿真平台；

所述在轨数据处理训练子系统，用于导入卫星实际在轨数据，为参训人员提供卫星在轨数据分析平台；

所述任务流程模拟训练子系统，用于为参训人员提供任务流程模拟、岗位操作模拟及故障模拟的仿真平台；

所述训练管理子系统，用于对整个系统的基础信息、运行控制、训练记录和训练评估进行管理；对整个系统的所有数据进行管理；通过统一接口提供公共服务。

进一步的，所述专业基础知识训练子系统包括：数字化模块和原理演示模块；

所述数字化模块，用于将卫星管理岗位教材转化为数字化教材，所述卫星在轨岗位教材包括：参考书籍、方案预案和岗位规范训练配套教材；

所述原理演示模块，用于通过多媒体方式向参训人员展示卫星管理、轨道控制相关学科的数学方法、运行控制原理及仿真训练流程；所述多媒体方式包括：文本、视频、动画和虚拟现实。

进一步的，所述卫星分析仿真子系统包括轨道计算仿真模块、平台机动仿真模块、卫星姿态仿真模块、跟踪覆盖计算模块及通信链路计算模块；

所述轨道计算仿真模块，用于实现外测数据仿真、航天器轨道仿真和轨道确定工具箱仿真；

所述平台机动仿真模块，用于实现控制量计算和推力器参数计算；

所述卫星姿态仿真模块，用于自定义飞行器的姿态参考坐标系和姿态描述方式，使用四元素法、欧拉角法以及偏航俯仰滚动描述方式描述卫星姿态，以文件的形式输入各类飞行器的姿态，基于多种转动顺序和多种姿态工作模式进行姿态参数转换和姿态参数预报；用于设定卫星的各种姿态工作模式，进行姿态推演和分析计算；所述姿态工作模式包含正常模式、巡航模式、地球搜索模式、地球指向模式、惯性指向模式以及姿态偏置模式；

所述跟踪覆盖计算模块，用于基于卫星和各类目标的轨道、卫星的姿态、天线的安装位置和天线的视场范围，仿真计算卫星与卫星、卫星与地球站的几何可见、实际可见、通信可见与覆盖情况，基于各种可见性约束条件实现卫星对全球或区域范围的覆盖性能分析；用于根据卫星的姿态、传感器类型、视场范围和仰角约束条件，计算卫星天线、地球站天线的跟踪角度、角速度和角加速度；

所述通信链路计算仿真模块，用于基于雨衰模型、大气损耗模型和射频干扰源模型，仿真星上和地面测控设备的性能；定义和分析测控链路，实现对测控通信信道链路性能的估算和分析。

进一步的，所述轨道计算仿真模块包括：外测数据仿真单元、航天器轨道仿真单元和轨道确定工具箱仿真；

所述外测数据仿真单元，用于仿真地基双程测距数据、转发站四程测距数据、单程测距测角数据、星间测距以及对跟踪目标的四程测距数据、遥测下传的跟踪目标GNSS数据；其中，测量数据考虑模糊修正、考虑不同情况下的数据粗差、站址误差、卫星转发器零值、地面站未扣除的剩余系统误差和光电波折射修正；

所述航天器轨道仿真单元，用于对航天器轨道进行建模，按照输入弹道和位置信息对非航天器轨道建模；对卫星及各类跟踪目标的轨道或轨迹进行仿真，按照需求对地球非球形引力、日月引力、太阳辐射压、姿控推力、轨控推力摄动模型和简化常规摄动模型SGP4进行设置，完成星历仿真计算以及星下点、根数及漂移环、阴影和日凌轨道预报，对机动目标的快速弹道进行时间和坐标系的转换；

所述轨道确定工具箱仿真单元，用于对不同轨道类型的数据进行处理；不同轨道类型的数据包括：二体引力、地球非球形摄动、日月及行星引力、相对论效应摄动、固体潮、海潮、大气阻力摄动、太阳辐射压力摄动、经验径向切向法向加速度和轨控推力模型。

进一步的，所述平台机动仿真模块包括：控制量计算单元和推力器参数计算单元；

所述控制量计算单元，用于根据轨道半长轴、偏心率、倾角、相位以及同步轨道漂移率和定点位置调整需求，进行控制量计算与分析；与轨道分析计算相结合，进行控后轨道的外推计算、轨道根数、位置速度、星下点、漂移率、平经度差和瞬经度差的预报计算；设置地球同步轨道卫星的轨道维持门限和不同的控制策略，进行设定时限的控制和轨道漂移分析；仿真同步轨道卫星东西和南北位置保持，卫星轨道位置转移以及卫星离轨控制卫星平台机动控制过程，进行卫星碰撞风险分析；设置多星共位方法进行多星共位控制分析计算，计算星星相对位置和速度参数；

所述推力器参数计算单元，用于设置推力器推力、比冲和卫星本体的安装角度参数，设置连续点火、开关调制点火及点火调制方式，设置地球同步轨道卫星的推力器控制方式，根据控制量计算推力器开始时刻、关机时刻和点火时长参数；估算推力器点火使用燃料消耗的情况；基于卫星的姿态偏置情况和推力器安装角度计算各轴推力的耦合影响。

进一步的，所述在轨数据处理训练子系统包括：实际数据采集模块和数据挖掘模块；

所述实际数据采集模块，用于采集卫星典型在轨事件时段内遥测变化，对典型遥测参数进行存储和分析；

所述数据挖掘模块，用于对测控事件发生前后以及异常发生前后的遥测特征进行提取，构建估计模型；并对采集后的实测数据进行拟合分析与预测。

进一步的，所述任务流程模拟训练子系统包括：数字卫星模拟模块和测控模拟模块；

所述数字卫星模拟模块，用于基于各个卫星部件库构建多种卫星平台及在轨场景，根据场景产生卫星不同在轨飞行状态时的测控数据和载荷数据；模拟卫星的系统级、分系统级和部件级故障，开展故障状态的仿真推演；响应故障或异常工况下的处置，并模拟处置以后的测控状态变化；

所述测控模拟模块，用于接收数字卫星模拟模块输出的数据，并对关键参数进行显示，能够将轨道控制计算的结果发送至数字卫星模拟模块，提供基于脚本的指令序列的编辑和发送功能，驱动卫星按照控制计算结果参数做出相应的动作；完成卫星轨道、航天器轨道、地面站跟踪、日凌、星蚀及捕获跟踪的预报，完成太阳敏感器可见、地球敏感器干扰和位置保持的事件预报，以及位置保持、太阳帆板控制、陀螺标定、姿态实时监视以及剩余燃料标定的参数计算，根据平台控制、载荷控制过程监视以及天线指向监视的要求完成相应的控制参数计算。

进一步的，所述训练管理子系统包括：训练管理模块、数据库管理模块和公共服务模块；

所述训练管理模块：用于管理参训人员信息档案和培训科目管理档案；对不同权限用户实施访问和操作的权限管理；支持制定培训计划和发布培训计划，根据训练任务内容控制整个训练进度，对操作进行反馈，参训人员完成训练的情况可反馈给培训工作发起人，从人员和科目多维度对培训情况进行记录；对科目训练完成情况进行评估，并设置评估中各个维度的权重比；对参训人员的训练效果进行考核评估，生成对应指标的考核分数；

所述数据库管理模块，用于使用数据库对各个子系统产生的过程和结果数据进行存储和管理，并提供数据检索查询；对于存入数据库的文件，提供文件解析功能，为事后训练评估提供数据支持；支持长时间跨度内的多时间段的数据检索，以及多参数条件的数据检索功能；当数据存储过程中发生异常时能够自动报警；出现软件故障或接口信息异常时，进行告警和提示，并记录日志信息；提供数据访问权限管理功能，禁止非授权用户的访问；

所述公共服务模块，用于提供跨网络跨平台的统一接口，构建底层运行支持环境；提供进程间多种形式的信息交换服务；提供系统时间服务和即时日志服务。

另一方面，基于本申请实施例的卫星在轨管理数字仿真训练系统，本申请实施例提供了一种卫星控制管理岗位人员培训方法，包括：

管训人员通过仿真训练管理子系统下达训练计划；

参训人员接收到训练计划后，进入专业基础知识训练子系统进行基础知识学习；进入卫星分析仿真子系统，进行卫星工程测控和业务测控仿真，完成分析仿真报告；进入在轨数据处理训练子系统，进行卫星在轨数据分析；进入任务流程模拟训练子系统，进行任务流程模拟、岗位操作模拟及故障模拟，完成测控流程模拟训练报告；

管训人员进入仿真训练管理子系统，对参训人员完成的报告及考试主观题进行人工评估；

所述仿真训练管理子系统对考试客观题及参训人员的训练整体情况进行自动评估，并结合人工评估结果，给出综合评估结果。

与现有技术相比，本申请实施例的有益效果包括：

本申请使用计算机仿真技术，实现了图形化、开放式、可配置、可扩展的卫星在轨管理综合仿真训练系统，为不同层次卫星管理岗位人员提供模拟训练平台。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的卫星在轨管理数字仿真训练系统的功能结构图；

图2为本申请实施例提供的任务流程模拟训练子系统的功能结构图；

图3为本申请实施例提供的仿真训练管理子系统的功能结构图；

图4为本申请实施例提供的卫星控制管理岗位人员培训方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

首先对本申请实施例的设计思想进行简单介绍。

针对卫星控制管理岗位人员的培训，目前国内卫星运控中心通常采用人员自学、集中授课、跟岗培训、实操训练等传统方式。由于人造卫星造价昂贵、指挥操作配合复杂、任务系统禁止规定外操作等原因，采用传统方式开展卫星管控人员培训，人才培养周期长，培训实施条件苛刻、难度大。另外各类软件的使用，系统的自动化程度越来越高，任务过程中岗位人员操作非常少且简单，仅熟悉基本岗位操作，难以深入掌握工作原理、数学模型、测控流程等，非常不利于人员分析问题处置应急等综合能力的培养提高。

为解决上述技术问题，本申请提供一种卫星在轨管理数字仿真训练系统，供卫星管控中心岗位培训及人员学习使用。系统具备支持专业基础知识培训、分析仿真计算训练、任务流程训练、卫星在轨数据处理及仿真训练管理的功能，仿真训练管理能够对另外卫星在轨管理四类训练的训练过程及相关信息进行管理控制，经分析仿真计算训练的模型算法可在任务流程模拟训练中进一步验证，经卫星在轨数据处理得到的标定结果等数据可用于修正任务流程模拟训练中的相关参数，提高模拟系统的模拟精度。

本申请提供的系统用于卫星管理人员的培训，具有以下优点：

1、系统能够全面覆盖卫星在轨管理岗位所需的基础知识培训考核、分析仿真计算、测控任务流程模拟学习、数字卫星模拟，能够在此系统开展卫星管控人员专业能力的全面培训，缩短了人员培训的周期；

2、系统针对卫星管理实际任务需求，能够实现卫星的轨道计算、姿态分析、控制计算、覆盖分析及通信链路计算等任务，相对于常用的航天分析工具软件代码自主可控且能在国产操作系统上运行，同时具有较强的针对性，操作使用简单；

3、针对航天任务的特点，系统设计了专门的图形可视化脚本描述语言，实现了航天测控任务的各项基本操作和测控任务流程的基本逻辑元素、能够支持卫星管理任务流程的灵活定制，具有较强的可扩展性；设计了任务流程的可视化展示框架，可按照任务流程脚本由用户自定义显示页面，设计与数字卫星的端口级标准接口，可接受数字卫星“遥测”参数、可向数字卫星发送“遥控”指令，集成轨道控制计算软件，对轨道控制菜单进行可视化数据配置和结果显示，实现了集“遥测”、“遥控”、轨道计算、综合显示于一体的图形化测控模拟；

4、系统设计的数字卫星模型，由数字部件组装构建，数字部件制定开发了标准接口，具有高扩展性，部件包括了太阳、月球、地球等空间环境部件，以及卫星敏感器、控制器、执行器等卫星部件。数字卫星可根据部件组成灵活配置不同类型卫星，并实现对卫星的轨道控制、姿态控制及星上器件的操控，可通过数据显示、三维显示、曲线显示直观地训练人员对卫星认识和原理机理的理解掌握。数字卫星较卫星模拟器，具有开放可灵活配置的优点，通过部件的装配可实现多种类型卫星的模拟。

本申请实施例的系统的技术关键点在于：

1、系统功能包涵了卫星管控人员培训所需的基础知识学习考核、航天分析仿真计算、测控任务流程模拟和数字卫星模拟，全方位为卫星管控人员提供模拟训练平台；

2、系统支持多媒体教程体系编排、训练计划发布、训练开展实施、训练总结评估的卫星管控人员培训的全过程；

3、系统分析仿真软件，代码自主可控且能在国产操作系统上运行，能够支持卫星的轨道计算、姿态分析、控制计算、覆盖分析及通信链路计算等任务；

4、测控模拟软件，集成“遥测”、“遥控”、轨道计算、综合显示于一体，任务流程脚本由用户自定义，可驱动数字卫星进行测控流程模拟，人员可通过测控模拟直接操控数字卫星，开展任务训练；

5、数字卫星模拟，可灵活构建不同类型卫星，能够实现卫星姿态轨道动力学控制模拟，可通过数据显示、三维显示、曲线显示向人员直观展示卫星的原理机理。

在介绍了本申请实施例的应用场景和设计思想之后，下面对本申请实施例提供的技术方案进行说明。

如图1所示，本申请实施例提供了一种卫星在轨管理数字仿真训练系统，包括：专业基础知识训练子系统、卫星分析仿真子系统、在轨数据处理训练子系统、任务流程模拟训练子系统和仿真训练管理子系统。

专业基础知识训练子系统，用于为初级岗位人员的培训学习提供多媒体教程。规划卫星在轨管理岗位教材，提供将参考书籍、方案预案、岗位规范等训练配套教材转化为数字化教材的功能，通过文本、视频、动画、虚拟现实等多媒体方式成体系的展示卫星管理、轨道控制相关学科的数学方法、运行控制原理及仿真训练流程等，提供给受训人员直观易理解的原理教程和仿真训练实例的操作学习平台。参训人员能够按照教程内容深入理解卫星、轨道、控制及捕获跟踪等原理知识，迅速完成分析仿真计算实例训练，实现理论与实践操作的紧密结合。

具体的，专业基础知识训练子系统包括：数字化模块和原理演示模块；

数字化模块，用于将卫星管理岗位教材转化为数字化教材，所述卫星在轨岗位教材包括：参考书籍、方案预案和岗位规范训练配套教材；

原理演示模块，用于通过多媒体方式向参训人员展示卫星管理、轨道控制相关学科的数学方法、运行控制原理及仿真训练流程；所述多媒体方式包括：文本、视频、动画和虚拟现实。

卫星分析仿真子系统，用于提供不特定于具体卫星平台的基础性分析仿真功能，支持参训人员对卫星工程测控和业务测控模型算法进行分析仿真计算训练，对卫星在轨管理控制相关技术开展分析计算、科研论证及难题攻关等。

具体的，卫星分析仿真子系统包括轨道计算仿真模块、平台机动仿真模块、卫星姿态仿真模块、跟踪覆盖计算模块及通信链路计算模块：

轨道计算仿真模块：包含外测数据仿真、航天器轨道仿真和轨道确定工具箱仿真。外测数据仿真，实现卫星外测数据系统的仿真，包括地基双程测距、转发站四程测距数据、单程测距测角数据、星间测距以及对跟踪目标的四程测距数据、遥测下传的跟踪目标GNSS数据。测量数据考虑模糊修正、考虑不同情况下的数据粗差、站址误差、卫星转发器零值、地面站未扣除的剩余系统误差、光电波折射修正等。航天器轨道仿真，实现对航天器轨道建模，能够按照输入弹道、位置信息对非航天器建模，能够对卫星及各类跟踪目标的轨道、轨迹进行仿真，可按照需求对地球非球形引力、日月引力、太阳辐射压、姿控推力、轨控推力等摄动模型和简化常规摄动模型SGP4(Simplified General Perturbation)进行设置，能完成星历仿真计算以及星下点、根数及漂移环、阴影和日凌等轨道预报，对机动目标的快速弹道，能够进行常用时间和坐标系的转换。轨道确定工具箱仿真，可以实现对不同轨道类型的数据处理，包括低轨卫星、中高轨卫星等。包括：二体引力、地球非球形摄动、日月及行星引力、相对论效应摄动、固体潮、海潮、大气阻力摄动、太阳辐射压力摄动、经验RTN(径向、切向和法向)加速度、轨控推力模型。

平台机动仿真模块：包含控制量计算和推力器参数计算。控制量计算，可以根据轨道半长轴、偏心率、倾角、相位以及同步轨道漂移率、定点位置等参数调整需求，进行控制量计算与分析，完成控制时刻、速度增量等控制量的计算；与轨道分析计算相结合，能够进行控后轨道的外推计算和轨道根数、位置速度、星下点、漂移率及平经度差、瞬经度差得预报计算；能够设置地球同步轨道卫星的轨道维持门限和不同的控制策略，自动进行设定时限的控制和轨道漂移分析；仿真同步轨道卫星东西、南北位置保持，卫星轨道位置转移、卫星离轨控制等卫星平台机动控制过程，进行卫星碰撞风险分析；能够设置常用的多星共位方法(经度隔离、倾角隔离、偏心率与倾角同时隔离等)进行多星共位控制分析计算，能够计算星星相对位置、速度等多星共位置关键参数。推力器控制参数计算，能够设置推力器推力、比冲、与卫星本体的安装角度等参数，能够设置连续点火、开关调制点火及点火调制方式(等间隔、递增间隔等周期、递增间隔变周期等)东三、东四平台地球同步轨道卫星常用的推力器控制方式，根据控制量计算推力器开始/关机时刻和点火时长等参数；能够估算推力器点火使用燃料消耗的情况；考虑卫星的姿态偏置情况、推力器安装角度计算各轴推力的耦合影响。

卫星姿态仿真模块：包含姿态描述和受控模式姿态推演。姿态描述，能够自定义飞行器的姿态参考坐标系和姿态描述方式；能够使用常用的四元素法、欧拉角法以及YPR(偏航Yaw、俯仰Pitch和滚动Roll)描述方式描述姿态；能够以文件的形式输入各类飞行器的姿态。可以基于多种转动顺序、多种姿态工作模式进行姿态参数转换和姿态参数预报。受控模式姿态推演，能够设定东三平台、东四平台卫星的各种常见姿态工作模式，进行姿态推演和分析计算；包含正常模式、巡航模式、地球搜索模式、地球指向模式、惯性指向模式以及姿态偏置模式等；能够涵盖常见航天器的姿态控制模式，例如三轴稳定、自旋稳定；能够涵盖火箭、导弹、飞机等非航天目标的姿态描述和姿态推演分析计算。

跟踪覆盖计算模块：包含可见分析与天线跟踪特性分析。考虑卫星和各类目标的轨道(轨迹)、卫星的姿态、天线的安装位置、天线的视场范围仿真计算卫星与卫星、卫星与地球站的几何可见、实际可见、通信可见等可见与覆盖情况；目标可为航天器、火箭(导弹)、地面运动目标等各类非航天器，目标的轨迹数据可通过轨道外推预报、弹道文件、预定轨迹等文件方式输入；实现卫星用于考虑各种可见性约束条件下的对全球或区域范围的覆盖性能分析，根据卫星的姿态、传感器类型(圆锥、方形)、视场范围、仰角约束等条件，计算卫星天线、地球站天线的跟踪角度、角速度、角加速度等数据。

通信链路计算仿真模块：考虑雨衰模型、大气损耗模型和射频干扰源模型，仿真星上和地面测控设备的性能，例如接收机和发射机的主要技术指标，接收天线和发射天线的主要技术指标，如天线方向性图、工作频段、极化方式、编码方式等，定义和分析测控链路，实现对测控通信信道链路性能的估算和分析。

在轨数据处理训练子系统，用于导入卫星实际在轨数据，供人员对卫星进行长期统计分析训练使用。能够挖掘卫星在轨数据，分析卫星轨道的影响因素，为卫星精密轨道确定提供辅助工具。根据实际在轨卫星数据推演姿控的典型控制反馈模型，对控制参数、控制逻辑变化影响进行分析。支持对卫星在轨的典型数据资源进行分析挖掘，对卫星剩余燃料、太敏视场范围分析、天线标定系数的影响、推力器标定系数、卫星干扰力矩影响等进行分析估算，对星上器件进行标定校正。

在轨数据处理训练子系统包括：实际数据采集模块和数据挖掘模块；

实际数据采集模块：按用户要求，采集卫星典型在轨事件时段内遥测变化，对典型遥测参数进行存储和分析。

数据挖掘模块：能够基于实测数据，对数据分析与趋势拟合，建立内部模型，并将仿真与实测数据进行比对。具备构建估计模型能力，对测控事件发生前后、异常发生前后的遥测特征进行提取，实现初步模型构建；能够对采集后的数据进行拟合分析与预测，支持多种常用数据拟合方法。

任务流程模拟训练子系统，包括任务流程模拟、任务流程自定义、岗位操作模拟及故障模拟。能够模拟卫星轨道控制保持、星上器件控制、卫星有效载荷应用等卫星平台控制管理和载荷控制管理流程；支持操作人员对任务时间序列的自定义编排设计和对轨道计算仿真、平台计算仿真、地面遥测遥控仿真等功能模块的自定义组合使用；能够模拟卫星管理和轨道控制岗位在任务流程中发挥的岗位职责、功能作用，模拟岗位人员在任务流程中需重点关注的内容。能够对预定义平台故障和载荷任务故障进行仿真模拟，支持人员进行应急处置操作训练。

如图2所示，任务流程模拟训练子系统包括：数字卫星模拟模块和测控模拟模块；

数字卫星模拟模块：主要通过构建不同的卫星平台及在轨场景，产生在轨数据，为测控模拟模块提供卫星的动力学、平台、载荷及故障信息。该模块能够适应不同卫星平台的多型号卫星的灵活搭建、模块化组装，模拟真实任务场景的测控参数及故障信息。模块具备不同的卫星部件库，可以通过部件构造分系统，进而组装涵盖多种系列及型号的卫星，主要包括常见卫星平台和有效载荷组件集，组件状态能够支持数字训练。能够构建与真实卫星部件、结构一致的，可飞行、操控的卫星模型。能够实时根据测控模拟子系统的输入信息仿真，或自行根据场景产生卫星不同在轨飞行状态时的测控数据、载荷数据。可模拟产生不同场景下卫星异常信息。支持手动模拟卫星的系统级、分系统级、部件级故障设置，并自动开展故障状态的仿真推演。能够响应故障或异常工况下的处置，并模拟处置以后的测控状态变化。

测控模拟模块：测控模拟子系统主要用于模拟卫星平台控制和载荷任务中运控系统对卫星控制的测控流程，不涉及用户业务数据传输，主要包含与卫星模拟子系统的接口单元和轨道控制计算单元，能够接收卫星模拟子系统输出的数据，并对关键参数进行显示，能够将轨道控制计算的结果发送至卫星模拟子系统，提供基于脚本的指令序列的编辑和发送功能，驱动卫星按照控制计算结果参数做出相应的动作。轨道控制计算能够完成卫星轨道、用户航天器轨道、地面站跟踪、日凌、星蚀、捕获跟踪可视窗口等多类预报，能够进行卫星平台管理所需的太阳敏感器可见、地球敏感器干扰、位置保持等多类事件预报，以及位置保持、太阳帆板控制、陀螺标定、姿态实时监视、剩余燃料标定等多类事件的参数计算，能够根据平台控制、载荷控制过程监视以及天线指向监视的要求完成相应的控制参数计算。

训练管理子系统，是整个仿真训练系统的中枢，能够对组织结构、人员类别、人员信息、岗位类别等基础信息进行管理；支持训练管理人员进行训练计划设计与发布，受训人员能够按照计划方案选择训练课目、控制训练的开始和结束；对参训人员实际训练内容、实际训练时长、训练效果等训练过程中的关键数据进行记录与管理；支持对训练评估规则的制定和管理，能够对单次训练效果进行考核评估，并支持对长期训练效果的分类统计和评估。存储和管理系统产生的数据，为系统提供底层数据交换服务、公共软件包模块服务等底层服务。

如图3所示，训练管理子系统包括：训练管理模块、数据库管理模块和公共服务模块；

训练管理模块：包含信息管理、运行控制、记录管理和训练评估。管理人员信息档案、培训科目管理档案；提供人员登录、人员身份等功能，并对不同角色用户进行访问、操作等权限管理；支持制定培训计划、发布培训计划；具备训练场景的规划能力，能根据训练任务内容控制整个训练进度，具备操作反馈功能，受训人员完成训练的情况可反馈给培训工作发起人，从人员、科目多维度对培训情况进行记录。能够对科目训练完成情况设置评估体系，能够查看当前的评估体系，并设置评估体系中维度的权重比；能够对学员训练效果进行考核评估，通过统计采集的操作数据对评估体系中定义的指标的满足情况乘上对应的指标权重，生成对应指标的考核分数。

数据库管理模块：对仿真训练系统各子系统产生的过程、结果数据实施统一入库存储、统一管理，并提供方便灵活的数据检索查询手段；具备对训练计划等数据通过数据库进行交换的功能；对于存入数据库的文件，提供文件解析功能，为事后训练评估提供数据支持；支持长时间跨度内的多时间段的数据检索，以及多参数条件的数据检索功能；数据存储过程中发生异常时能够自动报警；出现软件故障或接口信息异常时，应给予用户告警、提示，并记录日志信息；具备数据访问权限管理功能，禁止非授权用户的访问；具备软件运行、数据访问日志管理的功能。

公共服务模块：提供跨网络跨平台(Linux、Windows)的统一接口实现和环境管理，构建底层运行支持环境；提供进程间多种形式的信息交换服务；提供系统时间服务和即时日志服务。

基于上述实施例的卫星在轨管理数字仿真训练系统，本申请实施例提供了一种卫星控制管理岗位人员培训方法，如图4所示，该方法包括：

步骤101：管训人员通过仿真训练管理子系统下达训练计划；

步骤102：参训人员接收到训练计划后，进入专业基础知识训练子系统进行基础知识学习；进入卫星分析仿真子系统，进行卫星工程测控和业务测控仿真，完成分析仿真报告；进入在轨数据处理训练子系统，进行卫星在轨数据分析；进入任务流程模拟训练子系统，进行任务流程模拟、岗位操作模拟及故障模拟，完成测控流程模拟训练报告；

步骤103：管训人员进入仿真训练管理子系统，对参训人员完成的报告及考试主观题进行人工评估；

步骤104：所述仿真训练管理子系统对考试客观题及参训人员的训练整体情况进行自动评估，并结合人工评估结果，给出综合评估结果。

具体的，以卫星转巡航应急处置任务为例，训练方法如下；

管训人员下达训练“卫星转巡航应急处置”训练计划，计划内容包括基础知识学习、分析仿真模型搭建、任务流程训练，并给定卫星轨道等仿真初值；

参训人员接收计划后，直接进入基础知识学习，可观看教程视频、文字材料等，学习完成后，参加模拟考试；系统可直观体现学习进度和考试成绩；

参训人员根据下达的训练计划及具体内容(包括初始轨道、卫星初始姿态等初值设置)，进入分析仿真软件进行卫星转巡航后姿态模式变化过程“太搜模式-巡航模式-地搜模式-地指模式-正常模式”的搭建，以及全姿态测控可见、地球捕获偏置量等关键测控参数的计算，完成分析仿真报告；

完成分析仿真计算后，进入测控流程模拟，在测控模拟软件中仿真轨道初值并预报计算，根据预报计算结果确定地球捕获控制时刻；发送轨道初值启动数字卫星，启动地球搜索任务流程，监视太敏、地敏、陀螺积分、模式字等关键遥测参数，确认判断数字卫星是否按照期望的控制效果，完成测控流程模拟训练报告；

模拟训练完成后，反馈训练状态，管训人员可对报告及考试主观题进行人工评估，系统对考试客观题及训练整体情况进行自动评估。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种卫星在轨管理数字仿真训练系统，其特征在于，包括：专业基础知识训练子系统、卫星分析仿真子系统、在轨数据处理训练子系统、任务流程模拟训练子系统和仿真训练管理子系统；

所述专业基础知识训练子系统，用于为参训人员的培训学习提供专业基础知识的多媒体教程，为参训人员提供仿真训练实例的操作学习平台；

所述卫星分析仿真子系统，用于为参训人员提供卫星工程测控和业务测控的分析计算仿真平台；

所述在轨数据处理训练子系统，用于导入卫星实际在轨数据，为参训人员提供卫星在轨数据分析平台；

所述任务流程模拟训练子系统，用于为参训人员提供任务流程模拟、岗位操作模拟及故障模拟的仿真平台；

所述训练管理子系统，用于对整个系统的基础信息、运行控制、训练记录和训练评估进行管理；对整个系统的所有数据进行管理；并通过统一接口提供公共服务。

2.根据权利要求1所述的卫星在轨管理数字仿真训练系统，其特征在于，所述专业基础知识训练子系统包括：数字化模块和原理演示模块；

所述数字化模块，用于将卫星管理岗位教材转化为数字化教材，所述卫星在轨岗位教材包括：参考书籍、方案预案和岗位规范训练配套教材；

所述原理演示模块，用于通过多媒体方式向参训人员展示卫星管理、轨道控制相关学科的数学方法、运行控制原理及仿真训练流程；所述多媒体方式包括：文本、视频、动画和虚拟现实。

3.根据权利要求1所述的卫星在轨管理数字仿真训练系统，其特征在于，所述卫星分析仿真子系统包括轨道计算仿真模块、平台机动仿真模块、卫星姿态仿真模块、跟踪覆盖计算模块及通信链路计算模块；

所述轨道计算仿真模块，用于实现外测数据仿真、航天器轨道仿真和轨道确定工具箱仿真；

所述平台机动仿真模块，用于实现控制量计算和推力器参数计算；

所述卫星姿态仿真模块，用于自定义飞行器的姿态参考坐标系和姿态描述方式，使用四元素法、欧拉角法以及偏航俯仰滚动描述方式描述卫星姿态，以文件的形式输入各类飞行器的姿态，基于多种转动顺序和多种姿态工作模式进行姿态参数转换和姿态参数预报；用于设定卫星的各种姿态工作模式，进行姿态推演和分析计算；所述姿态工作模式包含正常模式、巡航模式、地球搜索模式、地球指向模式、惯性指向模式以及姿态偏置模式；

所述跟踪覆盖计算模块，用于基于卫星和各类目标的轨道、卫星的姿态、天线的安装位置和天线的视场范围，仿真计算卫星与卫星、卫星与地球站的几何可见、实际可见、通信可见与覆盖情况，基于各种可见性约束条件实现卫星对全球或区域范围的覆盖性能分析；用于根据卫星的姿态、传感器类型、视场范围和仰角约束条件，计算卫星天线、地球站天线的跟踪角度、角速度和角加速度；

所述通信链路计算仿真模块，用于基于雨衰模型、大气损耗模型和射频干扰源模型，仿真星上和地面测控设备的性能；定义和分析测控链路，实现对测控通信信道链路性能的估算和分析。

4.根据权利要求3所述的卫星在轨管理数字仿真训练系统，其特征在于，所述轨道计算仿真模块包括：外测数据仿真单元、航天器轨道仿真单元和轨道确定工具箱仿真；

所述外测数据仿真单元，用于仿真地基双程测距数据、转发站四程测距数据、单程测距测角数据、星间测距以及对跟踪目标的四程测距数据、遥测下传的跟踪目标GNSS数据；其中，测量数据考虑模糊修正、考虑不同情况下的数据粗差、站址误差、卫星转发器零值、地面站未扣除的剩余系统误差和光电波折射修正；

所述航天器轨道仿真单元，用于对航天器轨道进行建模，按照输入弹道和位置信息对非航天器轨道建模；对卫星及各类跟踪目标的轨道或轨迹进行仿真，按照需求对地球非球形引力、日月引力、太阳辐射压、姿控推力、轨控推力摄动模型和简化常规摄动模型SGP4进行设置，完成星历仿真计算以及星下点、根数及漂移环、阴影和日凌轨道预报，对机动目标的快速弹道进行时间和坐标系的转换；

所述轨道确定工具箱仿真单元，用于对不同轨道类型的数据进行处理；不同轨道类型的数据包括：二体引力、地球非球形摄动、日月及行星引力、相对论效应摄动、固体潮、海潮、大气阻力摄动、太阳辐射压力摄动、经验径向切向法向加速度和轨控推力模型。

5.根据权利要求3所述的卫星在轨管理数字仿真训练系统，其特征在于，所述平台机动仿真模块包括：控制量计算单元和推力器参数计算单元；

所述控制量计算单元，用于根据轨道半长轴、偏心率、倾角、相位以及同步轨道漂移率和定点位置调整需求，进行控制量计算与分析；与轨道分析计算相结合，进行控后轨道的外推计算、轨道根数、位置速度、星下点、漂移率、平经度差和瞬经度差的预报计算；设置地球同步轨道卫星的轨道维持门限和不同的控制策略，进行设定时限的控制和轨道漂移分析；仿真同步轨道卫星东西和南北位置保持，卫星轨道位置转移以及卫星离轨控制卫星平台机动控制过程，进行卫星碰撞风险分析；设置多星共位方法进行多星共位控制分析计算，计算星星相对位置和速度参数；

所述推力器参数计算单元，用于设置推力器推力、比冲和卫星本体的安装角度参数，设置连续点火、开关调制点火及点火调制方式，设置地球同步轨道卫星的推力器控制方式，根据控制量计算推力器开始时刻、关机时刻和点火时长参数；估算推力器点火使用燃料消耗的情况；基于卫星的姿态偏置情况和推力器安装角度计算各轴推力的耦合影响。

6.根据权利要求1所述的卫星在轨管理数字仿真训练系统，其特征在于，所述在轨数据处理训练子系统包括：实际数据采集模块和数据挖掘模块；

所述实际数据采集模块，用于采集卫星典型在轨事件时段内遥测变化，对典型遥测参数进行存储和分析；

所述数据挖掘模块，用于对测控事件发生前后以及异常发生前后的遥测特征进行提取，构建估计模型；并对采集后的实测数据进行拟合分析与预测。

7.根据权利要求1所述的卫星在轨管理数字仿真训练系统，其特征在于，所述任务流程模拟训练子系统包括：数字卫星模拟模块和测控模拟模块；

所述数字卫星模拟模块，用于基于各个卫星部件库构建多种卫星平台及在轨场景，根据场景产生卫星不同在轨飞行状态时的测控数据和载荷数据；模拟卫星的系统级、分系统级和部件级故障，开展故障状态的仿真推演；响应故障或异常工况下的处置，并模拟处置以后的测控状态变化；

所述测控模拟模块，用于接收数字卫星模拟模块输出的数据，并对关键参数进行显示，能够将轨道控制计算的结果发送至数字卫星模拟模块，提供基于脚本的指令序列的编辑和发送功能，驱动卫星按照控制计算结果参数做出相应的动作；完成卫星轨道、航天器轨道、地面站跟踪、日凌、星蚀及捕获跟踪的预报，完成太阳敏感器可见、地球敏感器干扰和位置保持的事件预报，以及位置保持、太阳帆板控制、陀螺标定、姿态实时监视以及剩余燃料标定的参数计算，根据平台控制、载荷控制过程监视以及天线指向监视的要求完成相应的控制参数计算。

8.根据权利要求1所述的卫星在轨管理数字仿真训练系统，其特征在于，所述训练管理子系统包括：训练管理模块、数据库管理模块和公共服务模块；

所述训练管理模块：用于管理参训人员信息档案和培训科目管理档案；对不同权限用户实施访问和操作的权限管理；支持制定培训计划和发布培训计划，根据训练任务内容控制整个训练进度，对操作进行反馈，参训人员完成训练的情况可反馈给培训工作发起人，从人员和科目多维度对培训情况进行记录；对科目训练完成情况进行评估，并设置评估中各个维度的权重比；对参训人员的训练效果进行考核评估，生成对应指标的考核分数；

所述数据库管理模块，用于使用数据库对各个子系统产生的过程和结果数据进行存储和管理，并提供数据检索查询；对于存入数据库的文件，提供文件解析功能，为事后训练评估提供数据支持；支持长时间跨度内的多时间段的数据检索，以及多参数条件的数据检索功能；当数据存储过程中发生异常时能够自动报警；出现软件故障或接口信息异常时，进行告警和提示，并记录日志信息；提供数据访问权限管理功能，禁止非授权用户的访问；

所述公共服务模块，用于提供跨网络跨平台的统一接口，构建底层运行支持环境；提供进程间多种形式的信息交换服务；提供系统时间服务和即时日志服务。

9.一种卫星控制管理岗位人员培训方法，其特征在于，基于权利要求1-8任一项所述的卫星在轨管理数字仿真训练系统实现，所述方法包括：

管训人员通过仿真训练管理子系统下达训练计划；

参训人员接收到训练计划后，进入专业基础知识训练子系统进行基础知识学习；进入卫星分析仿真子系统，进行卫星工程测控和业务测控仿真，完成分析仿真报告；进入在轨数据处理训练子系统，进行卫星在轨数据分析；进入任务流程模拟训练子系统，进行任务流程模拟、岗位操作模拟及故障模拟，完成测控流程模拟训练报告；

管训人员进入仿真训练管理子系统，对参训人员完成的报告及考试主观题进行人工评估；

所述仿真训练管理子系统对考试客观题及参训人员的训练整体情况进行自动评估，并结合人工评估结果，给出综合评估结果。

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