CN114444304B - 一种空间任务仿真方法、系统及仿真系统 - Google Patents

一种空间任务仿真方法、系统及仿真系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间任务仿真方法、系统及仿真系统，涉及仿真领域。该方法包括：根据仿真任务类型在对象模型库中选择第一对象、在事件模型库中选择第一事件，根据预设约束关系表将所述第一对象和所述第一事件进行组合配置，生成事件对象组，根据预设配置算法对事件对象组进行配置计算，获得动作指令数据集和轨道姿态数据集，根据所述动作指令数据集和所述轨道姿态数据集，结合预设数据驱动方法，驱动所述第一对象模型进行对象位置姿态变化和驱动所述第一事件模型进行事件动作演示，直至完成仿真任务，实现多样化场景中各种常见空间任务事件的动作颗粒度的仿真和近距离演示。

Description

一种空间任务仿真方法、系统及仿真系统
技术领域
本发明涉及仿真领域，尤其涉及一种空间任务仿真方法、系统及仿真系统。
背景技术
现有VppSTK软件具备卫星仿真分析、任务规划、过境分析与空间态势显示等多种功能，但是，在飞行器动作颗粒度的仿真方面能力不足，更不能用于飞行器与地外天体之间的复杂交互过程仿真；其能适用的空间任务类型有限，主要面向通信、导航、遥感、导弹等应用场景，无法同时满足其他复杂空间任务仿真需要，比如在轨服务与维护、空间科学探测等。
现有其他的可视化航天项目实施系统平台，能实现飞行器的巡航、绕飞、飞越等较为单一的飞行动作仿真，以及火箭发射、飞行器交会对接等少数固定类型的空间任务仿真，但不能完成飞行器与其他天体或者飞行器之间复杂的交互动作和过程仿真，比如飞行器进行地外行星或近地小天体着陆、资源勘探、利用等，而且其开发模式是针对每个具体的任务仿真需求，单独开发一套独立的仿真软件，因此，系统可扩展性和通用性不足，通常只能解决特定或者较小范围类型的空间任务仿真。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种空间任务仿真方法、系统及仿真系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种空间任务仿真方法，包括：
S1，根据仿真任务类型在对象模型库中选择第一对象、在事件模型库中选择第一事件；
S2，根据预设约束关系表将所述第一对象和所述第一事件进行组合配置，生成事件对象组；
S3，根据预设配置算法对事件对象组进行配置计算，获得动作指令数据集和轨道姿态数据集；
S4，根据所述动作指令数据集和所述轨道姿态数据集，结合预设数据驱动方法，驱动所述第一对象模型进行对象位置姿态变化和驱动所述第一事件模型进行事件动作演示，直至完成仿真任务。
本发明的有益效果是：本方案根据预设约束关系表将所述第一对象和所述第一事件进行组合配置实现对象和事件的自由组合和智能配置，最终实现各类空间任务的通用化仿真。通过对象模型库和事件模型库丰富空间任务仿真的飞行器动作类型和适用场景，实现多样化场景中各种常见空间任务事件的动作颗粒度的仿真和近距离演示。
适用于通信、导航、遥感、在轨服务与维护、空间科学探测、无人月球探测与资源勘测、近地小天体探测预警与防御、载人航天、深空探测等各种空间任务，极大的提高空间任务系统仿真的通用性。
进一步地，所述S2之前还包括：根据仿真开始时间或者距离阈值配置所述第一事件的启动条件；
当所述启动条件满足，则执行步骤S2。
采用上述进一步方案的有益效果是：本方案通过设置开始时间或者距离阈值，支持触发条件可设置，实现启动事件仿真。
进一步地，所述S3具体包括：
根据所述第一事件、所述第一对象的轨道数据和姿态数据，结合预设配置算法进行动作时间计算和轨道时间配准计算，获得动作指令数据集和轨道姿态数据集。
采用上述进一步方案的有益效果是：本方案根据仿真需要可以计算获得不同精度和效率的动作指令数据集和轨道姿态数据集。
进一步地，还包括：根据飞行器对象、火箭对象、行星对象、小天体对象、脉冲星对象、地面站对象和日地月空间环境对象构建对象模型库。
采用上述进一步方案的有益效果是：本方案构建的对象模型库可支持通用的三维数字模型格式，包括FBX、OBJ、AMRT等格式，支持导入和导出，因此，具有很强的可扩展性。
构建了一个覆盖典型场景的空间任务事件及其动作序列的模型库，包括天地通信链路、星间链路导航、燃料存储及运输、绕飞、飞越、零部件更换、燃料加注、火箭发射、着陆器释放、着陆器着陆、上升器起飞、小天体预警与防御、成像观测、物理量探测、资源勘探等15类常见空间任务事件模型，能在飞行器动作颗粒度上进行精细仿真和演示，实现各类空间任务复杂动作的仿真。
进一步地，还包括：
根据多个重复动作事件和多个动作序列事件构建事件模型库；
所述重复动作事件包括：天地通信链路事件、星间链路导航事件、燃料存储及运输事件、绕飞事件和飞越事件；
所述动作序列事件包括：零部件更换事件、燃料加注事件、火箭发射事件、着陆器释放事件、着陆器着陆事件、上升器起飞事件、小天体预警与防御事件、成像观测事件、物理量探测事件和资源勘探事件。
采用上述进一步方案的有益效果是：本方案构建的事件模型库定义了各种动作和时间序列，能在飞行器动作颗粒度上进行精细仿真和演示。
事件模型库具有典型场景的多类任务事件，利用智能化组配技术，可实现不同空间场景下的空间任务仿真，具有很强的通用性。
进一步地，任一事件包括由对应对象完成一个动作或多个动作的动作序列。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种空间任务仿真系统，包括：分析选择模块、组合配置模块、配置计算模块和仿真模块；
所述分析选择模块用于根据仿真任务类型在对象模型库中选择第一对象、在事件模型库中选择第一事件；
所述组合配置模块用于根据预设约束关系表将所述第一对象和所述第一事件进行组合配置，生成事件对象组；
所述配置计算模块用于根据预设配置算法对事件对象组进行配置计算，获得动作指令数据集和轨道姿态数据集；
所述仿真模块用于根据所述动作指令数据集和所述轨道姿态数据集，结合预设数据驱动方法，驱动所述第一对象模型进行对象位置姿态变化和驱动所述第一事件模型进行事件动作演示，直至完成仿真任务。
本发明的有益效果是：本方案根据预设约束关系表将所述第一对象和所述第一事件进行组合配置实现对象和事件的自由组合和智能配置，最终实现各类空间任务的通用化仿真。通过对象模型库和事件模型库丰富空间任务仿真的飞行器动作类型和适用场景，实现多样化场景中各种常见空间任务事件的动作颗粒度的仿真和近距离演示。
适用于通信、导航、遥感、在轨服务与维护、空间科学探测、无人月球探测与资源勘测、近地小天体探测预警与防御、载人航天、深空探测等各种空间任务，极大的提高空间任务系统仿真的通用性。
进一步地，还包括：启动模块，用于根据仿真开始时间或者距离阈值配置所述第一事件的启动条件。
采用上述进一步方案的有益效果是：本方案通过设置开始时间或者距离阈值，支持触发条件可设置，实现启动事件仿真。
进一步地，所述配置计算模块具体包括：根据所述第一事件、所述第一对象的轨道数据和姿态数据，结合预设配置算法进行动作时间计算和轨道时间配准计算，获得动作指令数据集和轨道姿态数据集。
采用上述进一步方案的有益效果是：本方案根据仿真需要可以计算获得不同精度和效率的动作指令数据集和轨道姿态数据集。
进一步地，还包括：对象模型库构建模块，用于根据飞行器对象、火箭对象、行星对象、小天体对象、脉冲星对象、地面站对象和日地月空间环境对象构建对象模型库。
采用上述进一步方案的有益效果是：本方案构建的对象模型库可支持通用的三维数字模型格式，包括FBX、OBJ、AMRT等格式，支持导入和导出，因此，具有很强的可扩展性。
构建了一个覆盖典型场景的空间任务事件及其动作序列的模型库，包括天地通信链路、星间链路导航、燃料存储及运输、绕飞、飞越、零部件更换、燃料加注、火箭发射、着陆器释放、着陆器着陆、上升器起飞、小天体预警与防御、成像观测、物理量探测、资源勘探等15类常见空间任务事件模型，能在飞行器动作颗粒度上进行精细仿真和演示，实现各类空间任务复杂动作的仿真。
进一步地，还包括：事件模型库构建模块，用于根据多个重复动作事件和多个动作序列事件构建事件模型库；
所述重复动作事件包括：天地通信链路事件、星间链路导航事件、燃料存储及运输事件、绕飞事件和飞越事件；
所述动作序列事件包括：零部件更换事件、燃料加注事件、火箭发射事件、着陆器释放事件、着陆器着陆事件、上升器起飞事件、小天体预警与防御事件、成像观测事件、物理量探测事件和资源勘探事件。
采用上述进一步方案的有益效果是：本方案构建的事件模型库定义了各种动作和时间序列，能在飞行器动作颗粒度上进行精细仿真和演示。
事件模型库具有典型场景的多类任务事件，利用智能化组配技术，可实现不同空间场景下的空间任务仿真，具有很强的通用性。
进一步地，任一事件包括由对应对象完成一个动作或多个动作的动作序列。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明的实施例提供的一种空间任务仿真方法的流程示意图；
图2为本发明的其他实施例提供的通用空间任务仿真的方案图；
图3为本发明的其他实施例提供的动作序列的内容的示意图；
图4为本发明的其他实施例提供的轨道姿态数据集的示意图；
图5为本发明的其他实施例提供的动作指令数据集的示意图；
图6为本发明的其他实施例提供的通用空间任务仿真系统组成图；
图7为本发明的其他实施例提供的通用空间任务仿真处理流程图；
图8为本发明的其他实施例提供的零部件更换事件仿真示意图；
图9为本发明的其他实施例提供的燃料存储及运输事件仿真示意图；
图10为本发明的其他实施例提供的燃料加注事件仿真示意图；
图11为本发明的其他实施例提供的绕飞事件仿真示意图；
图12为本发明的其他实施例提供的着陆器着陆事件仿真示意图；
图13为本发明的其他实施例提供的小天体预警与防御事件防御卫星处置仿真示意图；
图14为本发明的其他实施例提供的天基自主PNT与组网通信任务仿真示意图；
图15为本发明的实施例提供的一种空间任务仿真系统的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。本发明利用计算机技术开展航天领域的空间任务仿真、演示和分析，具有直观、高效、经济的特点，有助于提高空间任务的安全性和鲁棒性，更好的发挥空间应用效益、降低运营成本。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种空间任务仿真方法，包括：空间任务仿真主要是建立任务方案离散或连续事件仿真模型，对仿真场景中的主要事件进行抽象、对事件属性和系统状态进行建模描述；建立考虑随机因素的事件仿真模型，实现确定性或不确定性任务方案仿真，并基于统计评价指标进行仿真结果分析。
空间任务仿真从应用范围划分，可分为通用空间任务仿真和专业空间任务分析两大类。其中，通用空间任务仿真实现多类空间任务仿真，以空间任务层面的仿真、演示为主，覆盖常规的通信、导航、遥感等典型应用场景。专业空间任务分析专门针对空间轨道、姿态进行仿真计算、分析和设计，强调算法的高精度要求，比如专注于航天动力学仿真分析的软件，专注于姿态控制与仿真的软件，以及底层计算与仿真函数库等。部分功能强大的通用空间任务仿真软件，同时具备专业空间任务分析的部分功能。
S1，根据仿真任务类型在对象模型库中选择第一对象、在事件模型库中选择第一事件；在某一实施例中，可以将所有的对象模型和事件模型设计为基本的仿真元素，可任意、自由的创建对象和事件。
S2，根据预设约束关系表将所述第一对象和所述第一事件进行组合配置，生成事件对象组；
在某一实施例中，根据仿真需要，选择相关的对象；根据仿真需要和已选择的对象类别，分别选择相关对象在仿真中将要并且能够参与的事件，生成事件和对象对，即事件对象组。事件和对象对的关系可以包括：一个事件可以由多个对象共同完成，因此，一个事件可以对应多个对象。事件和对象的自由组合创建可以包括：通过仿真需求维护事件与对象的约束关系表，即预设约束关系表如表1所示，确保事件和对象对的合理性：
事件名称 参与该事件的合理对象列表
事件1 对象1，对象2，......
...... ......
事件n 对象n，对象n+1，......
表1
S3，根据预设配置算法对事件对象组进行配置计算，获得动作指令数据集和轨道姿态数据集；预设配置算法可以是智能化组配技术。
在某一实施例中，通过智能化组配技术实现对象和事件的自由组合和智能配置，智能化组配技术包括自由组合和智能配置两个方面：1)各类仿真对象与空间任务事件可进行自由创建和自由组合；2)对象和事件可进行智能配置，自动完成轨道时间配准和动作时间计算，分别为对象和事件生成并配置仿真所需的基础数据集，包括轨道姿态数据集和动作指令数据集。
S4，根据所述动作指令数据集和所述轨道姿态数据集，结合预设数据驱动方法，驱动所述第一对象模型进行对象位置姿态变化和驱动所述第一事件模型进行事件动作演示，直至完成仿真任务。需要说明的是，预设数据驱动方法可以是三维仿真中常规现有的数据驱动技术，利用数据驱动技术，基于智能组配输出的轨道姿态数据集和动作指令数据集，分别驱动对象模型的位置姿态变化和事件动作演示，最终生成各类型空间任务的仿真画面和视频。
在某一实施例中，如图2所示，在丰富的空间任务对象和空间任务事件模型库的基础上，利用智能化组配技术，实现对象和事件的自由组合和智能配置，生成轨道姿态数据集和动作指令数据集，分别驱动对象模型的位置姿态变化和事件动作演示，最终生成各类型空间任务的仿真画面和视频。
本方案根据预设约束关系表将所述第一对象和所述第一事件进行组合配置实现对象和事件的自由组合和智能配置，最终实现各类空间任务的通用化仿真。通过对象模型库和事件模型库丰富空间任务仿真的飞行器动作类型和适用场景，实现多样化场景中各种常见空间任务事件的动作颗粒度的仿真和近距离演示。
适用于通信、导航、遥感、在轨服务与维护、空间科学探测、无人月球探测与资源勘测、近地小天体探测预警与防御、载人航天、深空探测等各种空间任务，极大的提高空间任务系统仿真的通用性。
优选地，在上述任意实施例中，所述S2之前还包括：根据仿真开始时间或者距离阈值配置所述第一事件的启动条件；
当所述启动条件满足，则执行步骤S2。
本方案通过设置开始时间或者距离阈值，支持触发条件可设置，实现启动事件仿真。
优选地，在上述任意实施例中，所述S3具体包括：
根据所述第一事件、所述第一对象的轨道数据和姿态数据，结合预设配置算法进行动作时间计算和轨道时间配准计算，获得动作指令数据集和轨道姿态数据集。
在某一实施例中，预设配置算法可以包括：i根据仿真需要，配置事件的启动条件，可配置绝对开始时间，在仿真时间到达时启动事件仿真，或者配置距离阈值，当两个对象之间的距离小于等于该阈值时启动事件仿真；
在另一实施例中，预设配置算法还可以包括：ii根据仿真需要，配置事件关联的相关对象的轨道和姿态数据；
在另一实施例中，轨道时间配准计算可以包括：iii按照固定的时间间隔，生成从仿真开始时间到仿真结束时间的等间隔时间采样点，仿真开始时间到仿真结束时间覆盖智能配置第ii步输入的所有对象的轨道和姿态数据的时间；对智能配置第ii步输入的事件关联对象的轨道和姿态数据进行插值计算，可以采用多项式拟合插值、拉格朗日插值等多种插值计算方法，方法的具体参数也可根据精度和效率的要求综合确定，本发明不对具体插值方法及其参数做要求，下面以多项式拟合插值方法为例具体说明插值计算过程；(1)首先计算轨道数据三维矢量的位置x分量在新的统一时间基准T(i，k)的多项式拟合系数，以1阶多项式拟合为例，需要计算两个拟合系数a0，a1，分别对应时间变量的常数项系数和1次项系数。以要插值计算的轨道时间T(i，k)为中心，选取两个外部输入的轨道数据时间T(i，j)和T(i，j+1)及其对应轨道数据位置x分量Px(i，j)和Px(i，j+1)，需满足T(i，k)位于T(i，j)和T(i，j+1)之间的条件，得到以两个拟合系数为未知量的两个方程：
Figure BDA0003486003140000101
其中，Px(i，j)为对象i在时间T(i，j)的位置x分量。解上述方程组，则获得位置x分量的局部多项式拟合系数a0，a1。
(2)插值计算新的统一时间基准T(i，k)的位置x分量Px(i，k)，其中T(i，k)位于时间T(i，j)和T(i，j+1)之间：
Figure BDA0003486003140000102
(3)以同样的方法，重复上述步骤(1)和(2)，分别计算新的统一时间基准T(i，k)的位置y分量Py(i，k)、位置z分量Pz(i，k)、姿态俯仰(pitch)分量Ap(i，k)、姿态偏航(yaw)分量Ay(i，k)、姿态翻滚(roll)分量Ar(i，k)；
(4)重复上述步骤(1)、(2)和(3)，计算所有新的统一时间基准T(i，k)，k＝1，2，3，...，end的位置数据和姿态数据，直到T(i，k)落在外部输入的轨道和姿态数据的时间之外时，结束该循环处理。
依次对智能配置第ii步输入的其他事件关联对象的轨道和姿态数据，进行多项式拟合插值计算，生成统一时间基准的位置数据和姿态数据。
当所有对象计算完毕，获得如图4所示的轨道姿态数据集，轨道姿态数据集的所有时间为同一个基准，具有一致的采样间隔，其中，T(i，j)表示对象i的位置和姿态的第j个时间采样点；P(i，j)表示对象i的第j个时间采样点的位置矢量，包含x、y、z三个分量；A(i，j)表示对象i的第j个时间采样点的姿态矢量，包含俯仰、偏航、翻滚三个分量；i表示对象编号，j表示时间采样点序号，end表示当前对象位置和姿态的最后一个时间采样点。
在另一实施例中，动作时间计算，计算所有事件关联对象的每个动作的绝对开始时间，可以包括：
对于重复动作事件，根据轨道数据计算动作绝对开始时间，可以包括：对于天地通信链路和星间链路导航两类事件，根据事件关联的两个对象的轨道数据，判断两个对象直线路径上是否有其他天体遮挡，如果没有遮挡则视为可见并记录此时时间为第一次动作的绝对开始时间；持续监视两个对象的轨道数据，当后续首次出现遮挡时，记录此时时间为第一次动作的绝对结束时间，与第一次动作的绝对开始时间相减，获得第一次动作的持续时间；持续监视两个对象的轨道数据，直至全部轨道数据结束，获得多次动作的绝对开始时间和持续时间。
对于燃料存储及运输、绕飞、飞越等事件，动作持续进行，动作的绝对开始时间为事件关联的两个对象的轨道数据的开始时间，持续时间为轨道数据从开始到结束的总时长。
对于动作序列事件，根据轨道数据和外部配置的事件启动条件计算每个动作的绝对开始时间，可以包括：
如果事件启动条件为绝对开始时间，则第一个动作的绝对开始时间为外部配置的事件绝对开始时间；
如果事件启动条件为距离阈值，则遍历事件关联的两个对象的轨道数据，计算每个时间点上两个对象之间的距离，将两个对象之间的距离小于等于该阈值的第一个时间定义为第一个动作的绝对开始时间；
利用″绝对开始时间+相对开始时间″的计算方法，根据上面获得的第一个动作的绝对开始时间(事件绝对开始时间和第一个动作的绝对开始时间)，以及事件模型预定义的每个动作的相对开始时间，依次获得动作序列中其他动作的绝对开始时间，生成动作指令数据集，动作指令数据集的内容如图5所示，其中，Ts(i，j)表示对象i的第j个动作的绝对开始时间，T0(i，j)表示对象i的第j个动作的持续时间，i表示对象编号，j表示动作编号，end表示结束动作编号。
本方案根据仿真需要可以计算获得不同精度和效率的动作指令数据集和轨道姿态数据集。
优选地，在上述任意实施例中，还包括：根据飞行器对象、火箭对象、行星对象、小天体对象、脉冲星对象、地面站对象和日地月空间环境对象构建对象模型库。
在某一实施例中，对象模型库包括以下对象：
飞行器：包括卫星、在轨服务飞行器、补加服务飞行器、航天飞机、载人飞船、星际飞船、空间站、航天器等不同类型的飞行器；
火箭：用于运载卫星、航天器等其他飞行器的各类型运载火箭；
行星：太阳系八大行星；
小天体：近地小天体；
脉冲星：用于仿真基于脉冲星信号的导航服务；
地面站：地面微波接收站、激光接收站等，用于仿真天地通信和空间科学实验等；
日地月空间环境：日地月的太阳风、磁场和电离层环境，用于仿真空间科学实验等。
本方案构建的对象模型库可支持通用的三维数字模型格式，包括FBX、OBJ、AMRT等格式，支持导入和导出，因此，具有很强的可扩展性。
构建了一个覆盖典型场景的空间任务事件及其动作序列的模型库，包括天地通信链路、星间链路导航、燃料存储及运输、绕飞、飞越、零部件更换、燃料加注、火箭发射、着陆器释放、着陆器着陆、上升器起飞、小天体预警与防御、成像观测、物理量探测、资源勘探等15类常见空间任务事件模型，能在飞行器动作颗粒度上进行精细仿真和演示，实现各类空间任务复杂动作的仿真。
优选地，在上述任意实施例中，还包括：
根据多个重复动作事件和多个动作序列事件构建事件模型库；
所述重复动作事件包括：天地通信链路事件、星间链路导航事件、燃料存储及运输事件、绕飞事件和飞越事件；
所述动作序列事件包括：零部件更换事件、燃料加注事件、火箭发射事件、着陆器释放事件、着陆器着陆事件、上升器起飞事件、小天体预警与防御事件、成像观测事件、物理量探测事件和资源勘探事件。
在某一实施例中，事件模型库包括一系列空间任务事件，每个事件均包含由相关对象完成的一个动作或者多个动作的动作序列，每个动作需进行事先预定义，包括每个动作发生的相对开始时间、动作内容、持续时间等，动作序列的内容如图3所示，根据预定义的动作序列的动作数量，事件模型分为重复动作事件和动作序列事件两大类别：
重复动作事件包含预定义的一个动作，动作相对简单，无需事先预定义相对开始时间和持续时间，重复动作事件在一个具体的空间任务仿真中，其定义的动作可持续、重复进行，具体包括以下5个小类：
天地通信链路：飞行器和地面站之间建立通信链路；
星间链路导航：导航卫星和接受导航服务的用户飞行器对象之间建立导航链路；
燃料存储及运输：补加服务飞行器携带燃料并运输至预定轨道；
绕飞：一个对象绕另一个对象进行飞行；
飞越：一个对象飞越另一个对象。
动作序列事件包含预定义的动作序列，动作相对复杂，具有一定的先后顺序，需事先预定义相对开始时间和持续时间，动作序列在一个具体的空间任务仿真中，其定义的第一个动作到最后一个动作通常只需仿真运行一次，具体包括以下10个小类：
零部件更换：在轨服务飞行器为在轨运行的用户飞行器进行零部件更换，包括机械臂展开、抵近、更换零部件等完整的动作序列内容；
燃料加注：在轨服务飞行器为在轨运行的用户飞行器进行燃料加注，包括抵近、对接、燃料加注及燃料变化等完整的动作序列内容；
火箭发射：地面上发射运载火箭或者星际飞船，包括点火、发射区粉尘生成、起飞、飞行等完整的动作序列内容；
着陆器释放：运载航天器搭载着陆器到预定轨道后释放着陆器，包括航天器释放着陆器、着陆器离开等完整的动作序列内容；
着陆器着陆：着陆器到达预定轨道后进行着陆，包括接近目标表面、着陆区粉尘生成、降落等完整的动作序列内容；
上升器起飞：上升器离开指定天体表面，包括点火、起飞区粉尘生成、起飞、飞行等完整的动作序列内容；
小天体预警与防御：预警卫星发现小天体和防御卫星处置小天体，包括预警卫星发现小天体、处置卫星抵近或者撞击小天体等完整的动作序列内容；
成像观测：飞行器对特定目标进行远距离成像观测，包括光学或者微波观测过程和示意、观测结果展示等完整的动作序列内容；
物理量探测：飞行器对特定目标进行就地观测，包括探测过程和示意、探测结果展示等完整的动作序列内容；
资源勘探：飞行器对特定目标进行勘探，包括探测、采样、提炼和利用等完整的动作序列内容。
本方案构建的事件模型库定义了各种动作和时间序列，能在飞行器动作颗粒度上进行精细仿真和演示。
事件模型库具有典型场景的多类任务事件，利用智能化组配技术，可实现不同空间场景下的空间任务仿真，具有很强的通用性。
优选地，在上述任意实施例中，任一事件包括由对应对象完成一个动作或多个动作的动作序列。
在另一实施例中，如图6所示，实现上述实施例一种空间任务仿真方法的系统可以包括：底层功能、任务配置、对象配置、事件配置、演示控制和模型管理六个模块，各模块的基本功能及其内部子模块组成如下：
在某一实施例中，底层功能模块：管理空间背景、三维数字仿真模型、行星表面贴图等各类底层数据资源，根据空间背景、对象和事件动作的实时仿真要求和用户指定的演示控制要求生成场景画面并进行渲染显示，输出流畅的仿真视频内容。底层功能模块包括以下子模块：
对象移动管理：管理所有对象的位置和角度变化，包括位置移动和姿态变化、信号收发、跟随、自转和环绕；位置移动和姿态变化可以包括：基于轨道的时间、位置和姿态数据列表，以时间管理中当前时间为查询条件获得飞行器、行星等对象的当前位置和当前姿态，并生成连续的轨迹线；信号收发可以包括：在两个飞行器之间或者飞行器与地面之间建立表示导航和通信的连接线，根据是否可见自动建立持续连接，或者根据人工设置定时连接；跟随可以包括：飞行器跟随另一飞行器移动，两者相对位置保持不变；自转可以包括：飞行器围绕自身坐标系轴旋转；环绕可以包括：飞行器环绕另一飞行器或者天体进行环绕飞行。
事件响应管理可以包括：根据空间任务事件的参与对象、轨道数据、动作指令数据等，仿真生成相应动作和场景的画面并在指定的触发条件下自动演示。
场景管理可以包括：实现各种空间任务的大场景、多目标协作的对象等数据资源调度与管理，并随着观察者视角位置、方向的变化，对仿真场景的变化需求做出实时响应，进行数据更新调度。
渲染显示可以包括：基于虚拟摄像机的空间位置和方位角，对仿真系统的3D场景进行渲染，并将渲染后的3D场景画面送到显示设备进行显示，对于以地球为中心的空间任务，比如地球轨道卫星，渲染显示同时输出3D和2D场景，2D场景为3D场景在地球表面的二维投影。
在某一实施例中，任务配置模块可以包括：负责空间任务仿真场景的初始化和具体配置，包括以下子模块：
任务场景创建：新建空间任务场景，完成任务数据初始化，包括UI界面、2D/3D画面初始化；
任务数据导入：导入已有任务配置文件，对任务相关的对象，即三维仿真模型，事件、场景、轨道、链路等数据资源进行加载；
任务属性编辑：设置任务名称、任务描述、任务开始时间和结束时间、场景中心体、轨道数据坐标系等，将以上设置和对象配置、事件配置等信息一并保存为本地任务配置文件，以供下次任务场景创建之后进行快捷导入。
在某一实施例中，对象配置模块可以包括：对空间任务仿真的对象进行具体配置，包括基本的三维仿真模型、轨道数据(包含时间和位置信息)、姿态数据(包含时间和姿态信息)、3D场景文字标识、2D场景图片标识、显示(是否显示模型、轨迹、3D场景文字标识、2D场景图片标识)等属性配置，以及如下个性化的配置：
轨道配置：支持轨道预报计算和轨道数据导入两种方式，其中，轨道预报计算可采用HPOP(High-Performance Orbit Propagator)高精度轨道预报模型，轨道数据导入支持常见星历文件格式，比如标准产品SP3(Standard Product 3)，此外，还支持显示颜色和线型的配置；
姿态配置：支持姿态预报计算和姿态数据导入两种方式，其中，姿态预报计算在给出初始值和计算参数的条件下进行姿态预报，姿态数据导入包含时间和姿态信息的数据文件；
飞行器配置：指定飞行器三维仿真模型，包括卫星、在轨服务飞行器、补加服务飞行器、航天飞机、载人飞船、星际飞船、空间站、航天器等；
火箭配置：火箭是一类用于运输的特殊飞行器，其配置需要指定火箭三维仿真模型，包括各类型运载火箭；
行星配置：指定行星三维仿真模型，配置表面贴图；
小天体配置：指定小天体三维仿真模型；
脉冲星配置：指定脉冲星三维仿真模型，配置角度和信号链路，用于仿真基于脉冲星信号的卫星导航；
地面站配置：指定地面站三维仿真模型，配置位置信息；
日地月空间环境配置：指定空间环境模型，配置太阳风平均强度，用于仿真日地月的太阳风、磁场和电离层环境。
在另一实施例中，事件配置模块：对空间任务的各类事件参与对象、发生时间、事件的动作序列及每个动作的发生时间等进行参数配置，具体配置如下：
天地通信链路：配置收发链路信号的飞行器和地面站，自动根据两者的轨道数据判断是否可见及是否建立通信链路；
星间链路导航：配置提供导航服务的导航卫星和接受导航服务的用户飞行器对象，自动根据两者的轨道数据判断是否可见及是否建立导航链路；
燃料存储及运输：配置补加服务飞行器对象，根据轨道数据自动触发事件；
绕飞：配置绕飞和被绕飞的对象，根据两者的轨道数据自动触发事件；飞越：配置飞越和被飞越的对象，根据两者的轨道数据自动触发事件；
零部件更换：配置提供服务的在轨服务飞行器和接受服务的用户飞行器对象，配置机械臂展开、抵近、更换零部件等动作发生的相对开始时间、各自时长等，配置事件启动的绝对时间或者距离阈值条件，根据时间条件自动触发事件及其系列动作，或者根据轨道数据计算在轨服务飞行器到用户飞行器的距离并在距离条件满足时自动触发事件及其系列动作；
燃料加注：配置提供服务的补加服务飞行器和接受服务的用户飞行器对象，配置抵近、对接、燃料加注及燃料变化等动作发生的相对开始时间、各自时长，配置事件启动的绝对时间或者距离阈值条件，根据时间条件自动触发事件及其系列动作，或者根据轨道数据计算补加服务飞行器到用户飞行器的距离并在距离条件满足时自动触发事件及其系列动作；
火箭发射：配置运载火箭或者星际飞船对象，配置火箭点火、发射区粉尘生成、起飞、飞行等动作发生的相对开始时间、各自时长，配置事件启动的绝对时间条件，根据时间条件自动触发事件及其系列动作；
着陆器释放：配置航天器及其搭载的着陆器两个对象，配置航天器释放着陆器、着陆器离开等动作发生的时间、各自时长，配置事件启动的绝对时间条件，根据时间条件自动触发事件及其系列动作；
着陆器着陆：配置着陆器对象，配置着陆器接近目标表面、着陆区粉尘生成、降落等动作发生的时间、各自时长，配置事件启动的绝对时间或者距离阈值条件，根据时间条件自动触发事件及其系列动作，或者根据轨道数据计算着陆器到目标的距离并在距离条件满足时自动触发事件及其系列动作，并根据着陆天体生成对应的着陆区粉尘效果；
上升器起飞：配置上升器对象，配置上升器点火、起飞区粉尘生成、起飞、飞行等动作发生的时间、各自时长，配置事件启动的绝对时间条件，根据时间条件自动触发事件及其系列动作，并根据起飞区域所在天体生成对应的起飞区粉尘效果；
小天体预警与防御：配置小天体、预警卫星和防御处置卫星三个对象，配置预警距离、预警卫星发现小天体、处置卫星抵近或者撞击小天体等动作发生的相对开始时间、各自时长，配置事件启动的绝对时间或者距离阈值条件，根据时间条件自动触发事件及其系列动作，或者根据轨道数据计算小天体到预警卫星的距离并在距离条件满足时自动触发事件及其系列动作；
成像观测：配置成像观测的实施对象，配置观测过程示意、观测结果展示等动作发生的相对开始时间、各自时长，配置事件启动的绝对时间条件，根据时间条件自动触发事件及其系列动作；
物理量探测：配置物理量探测的实施对象，配置探测过程示意、探测结果展示等动作发生的相对开始时间、各自时长，配置事件启动的绝对时间条件，根据时间条件自动触发事件及其系列动作；
资源勘探：配置资源勘探的实施对象，配置探测、采样、提炼和利用等动作发生的相对开始时间、各自时长，配置事件启动的绝对时间条件，根据时间条件自动触发事件及其系列动作。
在某一实施例中，演示控制模块可以包括：设置空间任务仿真的开始时间、仿真速度和播放速度等，通过交互界面选择3D场景中的对象或者变化观察视角以及观察目标等操作，确定仿真演示画面呈现的视锥位置和方位角，具体包括以下两个子模块：
视频播放控制：设置空间任务仿真的开始时间、结束时间、仿真速度，即仿真演示呈现的1s时间对应的仿真任务实际执行时间，和播放速度，具有播放、暂停、快进、慢进、快退和慢退等功能，并可进行任意时间跳转；
对象选择与视角控制：在3D场景中支持对象选择、画面视锥位置和方位角移动，同时支持画面视锥位置和方位角的三种视角选择：跟随视角(离目标的相对距离不变)、固定视角(镜头方向和距离都不变)和聚焦视角(从目标A始终看向目标B)。
在某一实施例中，模型管理模块可以包括：管理三维仿真模型资源，包含模型分类、模型图标和模型数据文件等内容的维护。
在另一实施例中，如图7所示，通用空间任务仿真处理流程图可以包括：任务场景创建：新建空间任务场景，完成UI界面、2D/3D画面初始化，提供对象模型添加界面、事件模型添加界面、仿真视频播放控制面板、3D场景初始画面、2D投影初始画面；
任务数据导入：导入已有任务配置文件，对任务相关的对象，即三维仿真模型，事件，即预定义的动作及动作序列，场景、轨道、链路等数据资源进行加载，该步骤为非必要步骤，可跳过；
任务属性编辑：设置任务名称、任务描述、任务开始时间和结束时间、场景中心体、轨道数据坐标系等，将以上设置和对象配置、事件配置等信息一并保存为本地任务配置文件，以供下次任务场景创建时进行快捷导入；
对象选择及配置：从对象模型库中选择要参与空间任务仿真的对象元素，可以是各类型飞行器、火箭、小天体、脉冲星、地面站等等，太阳系八大行星、日地月空间环境默认已在3D场景中呈现，并一一进行三维仿真模型、轨道数据等基本配置和相关的个性化配置；
事件选择及配置：从空间任务事件模型库中选择各对象要参与的具体事件，并对各事件的参与对象、触发时间或者距离条件等进行配置；
视频播放控制：通过视频播放控制面板，设置仿真的开始时间、结束时间、仿真速度，即仿真演示呈现的1s时间对应的仿真任务实际执行时间，和播放速度等基本信息；
对象移动管理：系统后台通过对象移动管理仿真空间任务场景中所有对象的位置移动和姿态变化、信号收发、跟随、自转和环绕等画面；
事件响应管理：系统后台通过事件响应管理仿真空间任务场景中发生的一系列事件及其动作画面；
场景管理：系统后台根据视频播放控制输出的仿真时间及进度信息，以及对象选择与视角控制输出的虚拟摄像机的空间位置和方位角，调度和更新底层数据资源，仿真生成一系列场景画面；
渲染显示：系统后台基于虚拟摄像机的空间位置和方位角，对3D场景进行渲染，并将渲染后的3D场景画面按照播放速度要求推送至显示设备进行显示；
对象选择与视角控制：根据输出的仿真画面，用户在3D场景中选择感兴趣的目标、感兴趣的视角方向，比如跟随视角、固定视角和聚焦视角，甚至通过鼠标移动操作调整到感兴趣的位置和方位角观察仿真内容；
仿真视频输出：将指定位置和视角观察到的仿真内容输出为标准格式的视频文件。
在另一实施例中，零部件更换事件仿真效果，如图8所示，展示了在轨服务飞行器对在轨飞行的卫星进行零部件更换的仿真画面。
在另一实施例中，燃料存储及运输事件仿真效果，如图9所示，展示了补加服务飞行器携带燃料罐进行飞行的仿真画面。
在另一实施例中，燃料加注事件仿真效果，如图10所示，展示了补加服务飞行器对在轨飞行的卫星进行燃料加注的仿真画面。
在另一实施例中，绕飞事件仿真效果，如图11所示，展示了环月轨道飞行器绕月飞行的仿真画面。
在另一实施例中，着陆器着陆事件仿真效果，如图12所示，展示了着陆器着陆火星表面的仿真画面。
在另一实施例中，小天体预警与防御事件仿真效果，如图13所示，展示了在收到不断接近地球的近地小天体信号之后，防御处置卫星撞击近地小天体的仿真画面。
在另一实施例中，天基自主PNT与组网通信任务仿真效果，如图14所示，展示了LEO(地球低轨轨道)-DRO(远距离逆行轨道)-LLO(月球低轨轨道)导航星座的构建和地月转移轨道用户飞行器和环月轨道用户飞行器接受导航服务的仿真画面。
本发明提出的智能化组配技术，可自由创建对象并和各类空间任务事件进行便捷的自由组合配置，实现各类通用空间任务的仿真，包括天基自主PNT与组网通信、在轨服务与维护、空间科学探测、无人月球探测与资源勘测、近地小天体探测预警与防御、载人航天、深空探测等空间任务。
在某一实施例中，如图15所示，一种空间任务仿真系统，包括：分析选择模块1101、组合配置模块1102、配置计算模块1103和仿真模块1104；
所述分析选择模块1101用于根据仿真任务类型在对象模型库中选择第一对象、在事件模型库中选择第一事件；
所述组合配置模块1102用于根据预设约束关系表将所述第一对象和所述第一事件进行组合配置，生成事件对象组；
所述配置计算模块1103用于根据预设配置算法对事件对象组进行配置计算，获得动作指令数据集和轨道姿态数据集；
所述仿真模块1104用于根据所述动作指令数据集和所述轨道姿态数据集，结合预设数据驱动方法，驱动所述第一对象模型进行对象位置姿态变化和驱动所述第一事件模型进行事件动作演示，直至完成仿真任务。
本方案根据预设约束关系表将所述第一对象和所述第一事件进行组合配置实现对象和事件的自由组合和智能配置，最终实现各类空间任务的通用化仿真。通过对象模型库和事件模型库丰富空间任务仿真的飞行器动作类型和适用场景，实现多样化场景中各种常见空间任务事件的动作颗粒度的仿真和近距离演示。
适用于通信、导航、遥感、在轨服务与维护、空间科学探测、无人月球探测与资源勘测、近地小天体探测预警与防御、载人航天、深空探测等各种空间任务，极大的提高空间任务系统仿真的通用性。
优选地，在上述任意实施例中，还包括：启动模块，用于根据仿真开始时间或者距离阈值配置所述第一事件的启动条件。
本方案通过设置开始时间或者距离阈值，支持触发条件可设置，实现启动事件仿真。
优选地，在上述任意实施例中，所述配置计算模块1103具体包括：根据所述第一事件、所述第一对象的轨道数据和姿态数据，结合预设配置算法进行动作时间计算和轨道时间配准计算，获得动作指令数据集和轨道姿态数据集。
本方案根据仿真需要可以计算获得不同精度和效率的动作指令数据集和轨道姿态数据集。
优选地，在上述任意实施例中，还包括：对象模型库构建模块，用于根据飞行器对象、火箭对象、行星对象、小天体对象、脉冲星对象、地面站对象和日地月空间环境对象构建对象模型库。
本方案构建的对象模型库可支持通用的三维数字模型格式，包括FBX、OBJ、AMRT等格式，支持导入和导出，因此，具有很强的可扩展性。
构建了一个覆盖典型场景的空间任务事件及其动作序列的模型库，包括天地通信链路、星间链路导航、燃料存储及运输、绕飞、飞越、零部件更换、燃料加注、火箭发射、着陆器释放、着陆器着陆、上升器起飞、小天体预警与防御、成像观测、物理量探测、资源勘探等15类常见空间任务事件模型，能在飞行器动作颗粒度上进行精细仿真和演示，实现各类空间任务复杂动作的仿真。
优选地，在上述任意实施例中，还包括：事件模型库构建模块，用于根据多个重复动作事件和多个动作序列事件构建事件模型库；
所述重复动作事件包括：天地通信链路事件、星间链路导航事件、燃料存储及运输事件、绕飞事件和飞越事件；
所述动作序列事件包括：零部件更换事件、燃料加注事件、火箭发射事件、着陆器释放事件、着陆器着陆事件、上升器起飞事件、小天体预警与防御事件、成像观测事件、物理量探测事件和资源勘探事件。
本方案构建的事件模型库定义了各种动作和时间序列，能在飞行器动作颗粒度上进行精细仿真和演示。
事件模型库具有典型场景的多类任务事件，利用智能化组配技术，可实现不同空间场景下的空间任务仿真，具有很强的通用性。
优选地，在上述任意实施例中，任一事件包括由对应对象完成一个动作或多个动作的动作序列。
可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。
需要说明的是，上述各实施例是与在先方法实施例对应的产品实施例，对于产品实施例中各可选实施方式的说明可以参考上述各方法实施例中的对应说明，在此不再赘述。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语″一个实施例″、″一些实施例″、″示例″、″具体示例″、或″一些示例″等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种空间任务仿真方法，其特征在于，包括：
S1，根据仿真任务类型在对象模型库中选择第一对象、在事件模型库中选择第一事件；
S2，根据预设约束关系表将所述第一对象和所述第一事件进行组合配置，生成事件对象组；
S3，根据预设配置算法对事件对象组进行配置计算，获得动作指令数据集和轨道姿态数据集；
S4，根据所述动作指令数据集和所述轨道姿态数据集，结合预设数据驱动方法，驱动所述第一对象模型进行对象位置姿态变化和驱动所述第一事件模型进行事件动作演示，直至完成仿真任务；
其中，所述S3具体包括：
根据所述第一事件、所述第一对象的轨道数据和姿态数据，结合预设配置算法进行动作时间计算和轨道时间配准计算，获得动作指令数据集和轨道姿态数据集；
所述预设配置算法包括：根据仿真需要，配置事件的启动条件，可配置绝对开始时间，在仿真时间到达时启动事件仿真，或者配置距离阈值，当两个对象之间的距离小于等于该阈值时启动事件仿真；
或，所述预设配置算法包括：根据仿真需要，配置事件关联的相关对象的轨道和姿态数据；
所述轨道时间配准计算包括：按照固定的时间间隔，生成从仿真开始时间到仿真结束时间的等间隔时间采样点，仿真开始时间到仿真结束时间覆盖智能配置输入的所有对象的轨道和姿态数据的时间；对智能配置输入的事件关联对象的轨道和姿态数据进行插值计算。
2.根据权利要求1所述的一种空间任务仿真方法，其特征在于，所述S2之前还包括：根据仿真开始时间或者距离阈值配置所述第一事件的启动条件；
当所述启动条件满足，则执行步骤S2。
3.根据权利要求1或2所述的一种空间任务仿真方法，其特征在于，还包括：根据飞行器对象、火箭对象、行星对象、小天体对象、脉冲星对象、地面站对象和日地月空间环境对象构建对象模型库。
4.根据权利要求1或2所述的一种空间任务仿真方法，其特征在于，还包括：
根据多个重复动作事件和多个动作序列事件构建事件模型库；
所述重复动作事件包括：天地通信链路事件、星间链路导航事件、燃料存储及运输事件、绕飞事件和飞越事件；
所述动作序列事件包括：零部件更换事件、燃料加注事件、火箭发射事件、着陆器释放事件、着陆器着陆事件、上升器起飞事件、小天体预警与防御事件、成像观测事件、物理量探测事件和资源勘探事件。
5.根据权利要求4所述的一种空间任务仿真方法，其特征在于，任一事件包括由对应对象完成一个动作或多个动作的动作序列。
6.一种空间任务仿真系统，其特征在于，包括：分析选择模块、组合配置模块、配置计算模块和仿真模块；
所述分析选择模块用于根据仿真任务类型在对象模型库中选择第一对象、在事件模型库中选择第一事件；
所述组合配置模块用于根据预设约束关系表将所述第一对象和所述第一事件进行组合配置，生成事件对象组；
所述配置计算模块用于根据预设配置算法对事件对象组进行配置计算，获得动作指令数据集和轨道姿态数据集；
所述仿真模块用于根据所述动作指令数据集和所述轨道姿态数据集，结合预设数据驱动方法，驱动所述第一对象模型进行对象位置姿态变化和驱动所述第一事件模型进行事件动作演示，直至完成仿真任务；
所述配置计算模块具体包括：根据所述第一事件、所述第一对象的轨道数据和姿态数据，结合预设配置算法进行动作时间计算和轨道时间配准计算，获得动作指令数据集和轨道姿态数据集；
所述预设配置算法包括：根据仿真需要，配置事件的启动条件，可配置绝对开始时间，在仿真时间到达时启动事件仿真，或者配置距离阈值，当两个对象之间的距离小于等于该阈值时启动事件仿真；
或，所述预设配置算法包括：根据仿真需要，配置事件关联的相关对象的轨道和姿态数据；
所述轨道时间配准计算包括：按照固定的时间间隔，生成从仿真开始时间到仿真结束时间的等间隔时间采样点，仿真开始时间到仿真结束时间覆盖智能配置输入的所有对象的轨道和姿态数据的时间；对智能配置输入的事件关联对象的轨道和姿态数据进行插值计算。
7.根据权利要求6所述的一种空间任务仿真系统，其特征在于，还包括：启动模块，用于根据仿真开始时间或者距离阈值配置所述第一事件的启动条件。
8.一种仿真系统，其特征在于，包括：采用上述权利要求1-5任一项的一种空间任务仿真方法。
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