CN116090243A - 一种卫星虚拟控制教学平台及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种卫星虚拟控制教学平台及方法，涉及数字化教学平台技术领域，该平台包括：孪生体构建单元，其用于孪生卫星实体，并进行运行规则孪生；场景仿真推演单元，其用于构建仿真场景，并进行运行推演；视景引擎服务单元，其用于对卫星运行状态以及卫星结构进行展示。本申请对卫星结构形态、运行环境以及运行状态进行可视化虚拟展示，为日常教学工作提供便利，有效保障教学成果。

Description

一种卫星虚拟控制教学平台及方法

技术领域

本申请涉及数字化教学平台技术领域，具体涉及一种卫星虚拟控制教学平台及方法。

背景技术

现阶段，对于卫星相关从业人员的岗前和岗位培训，在轨卫星装备无法用于实操培训，卫星相关业务培训内容仅通过口头和书面讲解很难达到直观易懂的呈现效果。

数字孪生旨在通过软件定义一虚拟实现世界，基本内涵是从计算机屏幕中看到的代表真实世界的软件模型，海量的信息通过巨大的软件通道源源不断地涌入模型，如此多的信息使得模型可以模拟现实世界每时每刻的运动。数字孪生需要进行数据感知和整合历史积累数据进行运算，同时还需要对数据和运行结果进行可视化呈现，以便直观地体验到数字和现实的相互结合，而如何将数字遥感孪生卫星以三维立体的方式可视化给人们，是急需在卫星教学中解决的问题。

虚拟现实技术，是一种利用仿真软件生成模拟环节，通过各种传感设备使用户融入此环境中，实现用户域模拟环境间直接进行自然交互的技术。随着虚拟现实技术的发展，对遥感卫星在教学中的三维可视化呈现、用户查看和交互方式产生重大的影响。

因此，为满足当前教学需求，现提供一种卫星虚拟控制教学技术。

发明内容

本申请提供一种卫星虚拟控制教学平台及方法，对卫星结构形态、运行环境以及运行状态进行可视化虚拟展示，为日常教学工作提供便利，有效保障教学成果。

为实现上述目的，本申请提供以下方案。

第一方面，本申请提供了一种卫星虚拟控制教学平台，所述平台包括：

孪生体构建单元，其用于孪生卫星实体，并进行运行规则孪生；

场景仿真推演单元，其用于构建仿真场景，并进行运行推演；

视景引擎服务单元，其用于对卫星运行状态以及卫星结构进行展示。

进一步的，所述卫星虚拟控制教学平台还包括：

平台管理单元，其用于对平台运行日志以及卫星业务知识数据模型进行管理。

进一步的，所述孪生体构建单元还用于接入卫星基础数据，所述卫星基础数据包括卫星轨道数据、地面站位置数据以及遥测数据；

所述孪生体构建单元还用于解析卫星模拟控制指令，并获得对应的卫星工作状态。

进一步的，所述视景引擎服务单元还用于卫星结构可视化、卫星在轨运行姿轨状态可视化；

所述视景引擎服务单元还用于展示卫星各系统工作流程、卫星载荷工作过程、卫星遥测参数以及异常参数告警。

进一步的，所述卫星虚拟控制教学平台还包括：

头戴式显示装置，用于进行图像显示。

第二方面，本申请提供了一种卫星虚拟控制教学方法，所述方法包括以下步骤：

场景初始化加载，孪生卫星实体以及运行规则；

卫星场景可视化处理，构建仿真场景，并进行运行推演；

卫星结构虚拟展示，对卫星运行状态以及卫星结构进行展示。

进一步的，所述场景初始化加载，孪生卫星实体以及运行规则中，包括以下步骤：

加载三维地球模型、星空背景数据、大气分布模型、地面站模型、初始轨道根数、轨道预报模型以及在轨遥测数据。

进一步的，所述卫星场景可视化处理，构建仿真场景，并进行运行推演中，包括以下步骤：

展示卫星在轨姿轨状态、卫星载荷开关机状态、卫星工作模式、卫星数传状态、卫星遥测参数或异常参数告警；

进行全局视角选择、目标卫星视角选择、卫星缩放选择、卫星运行速率调整、卫星控制指令接入或卫星工作模式选择。

进一步的，所述卫星结构虚拟展示，对卫星运行状态以及卫星结构进行展示中，包括以下步骤：

对卫星结构树以及观察视角进行选择，进而展示卫星三维结构、卫星透视结构或卫星展开结构。

进一步的，所述方法基于头戴式显示装置进行图像显示。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

(1)本申请对卫星结构形态、运行环境以及运行状态进行可视化虚拟展示，为日常教学工作提供便利，有效保障教学成果。

(2)本申请实现在虚拟场景中用户可以虚拟控制和沉浸式查看目标数字卫星，清晰了解目标卫星运行状态、工作模式和实体结构的全貌；

(3)本申请能够直观观察基于外部指令驱动的卫星工作状态响应情况。

(4)本申请能够可辅助提升用户对运行状态、载荷工作模式、卫星结构和操控指令的理解。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例中提供的卫星虚拟控制教学平台的结构框图；

图2为本申请实施例中提供的卫星虚拟控制教学平台的功能结构示意图；

图3为本申请实施例中提供的卫星虚拟控制教学平台的运行流程示意图；

图4为本申请实施例中提供的卫星虚拟控制教学平台的外部通信示意图；

图5为本申请实施例中提供的卫星虚拟控制教学方法的步骤流程图。

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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。

以下结合附图对本申请的实施例作进一步详细说明。

本申请实施例提供一种卫星虚拟控制教学平台及方法，对卫星结构形态、运行环境以及运行状态进行可视化虚拟展示，为日常教学工作提供便利，有效保障教学成果。

为达到上述技术效果，本申请的总体思路如下：

一种卫星虚拟控制教学平台，该平台包括：

孪生体构建单元，其用于孪生卫星实体，并进行运行规则孪生；

场景仿真推演单元，其用于构建仿真场景，并进行运行推演；

视景引擎服务单元，其用于对卫星运行状态以及卫星结构进行展示。

以下结合附图对本申请的实施例作进一步详细说明。

第一方面，本申请实施例提供一种卫星虚拟控制教学平台，该平台包括：

孪生体构建单元，其用于孪生卫星实体，并进行运行规则孪生；

场景仿真推演单元，其用于构建仿真场景，并进行运行推演；

视景引擎服务单元，其用于对卫星运行状态以及卫星结构进行展示。

本申请实施例的技术方案，旨在提供符合实际培训需求的卫星虚拟控制教学平台，实体孪生模型在基础数据驱动下构建三维场景，在虚拟场景中用户可以虚拟控制和沉浸式查看目标数字卫星，清晰了解目标卫星运行状态、工作模式和实体结构的全貌；

直观观察基于外部指令驱动的卫星工作状态响应情况；

卫星虚拟控制教学平台可辅助提升用户对卫星运行状态、载荷工作模式、卫星结构和操控指令与卫星关系的理解。

本申请实施例中，对卫星结构形态、运行环境以及运行状态进行可视化虚拟展示，为日常教学工作提供便利，有效保障教学成果。

进一步的，所述卫星虚拟控制教学平台还包括：

平台管理单元，其用于对平台运行日志以及卫星业务知识数据模型进行管理。

进一步的，所述孪生体构建单元还用于接入卫星基础数据，所述卫星基础数据包括卫星轨道数据、地面站位置数据以及遥测数据；

所述孪生体构建单元还用于解析卫星模拟控制指令，并获得对应的卫星工作状态。

进一步的，所述视景引擎服务单元还用于卫星结构可视化、卫星在轨运行姿轨状态可视化；

所述视景引擎服务单元还用于展示卫星各系统工作流程、卫星载荷工作过程、卫星遥测参数以及异常参数告警。

基于本申请实施例的技术方案，对卫星虚拟控制教学平台的核心功能进行介绍，具体如下：

第一点，孪生体构建单元进行卫星的孪生体构建，具体包括卫星实体孪生、卫星运行规则孪生、基础数据接入以及外部指令的解析接入；其中，

卫星实体孪生，主要是根据具体的教学需求或业务培训需求，进行一定颗粒度的卫星的孪生体构建；

卫星运用规则孪生，主要包括卫星在轨运行和业务工作运行的孪生模型和算法研制；

基础数据接入，主要包括卫星轨道数据、地面站位置数据以及遥测数据的接入；

指令数据的解析接入，主要包括读取外部指令中的计划编号、卫星型号，用以驱动卫星模型模拟当前计划编号的具体任务卫星状态。

第二点，场景仿真推演单元进行场景仿真推演服务时，主要包括场景构建与管理、推演过程仿真计算；其中，

场景构建和管理，主要根据教学需求，完成场景的仿真编辑；

推演过程仿真计算，则是主要根据视景显示需求调用轨道预报算法、姿态控制算法和载荷工作模式算法，从而进行推演过程的仿真计算。

第三点，视景引擎服务单元执行视景引擎服务，具体包括卫星结构可视化展示、卫星在轨运行姿轨状态可视化展示、卫星各系统工作流程展示、卫星载荷工作全过程展示、卫星遥测参数展示、异常参数告警显示和仿真运行控制；其中，

仿真运行控制模块根据推演需求，进行教学平台的仿真时间管理、运行控制以及演示视角控制。

需要说明的是，卫星载荷工作全过程展示具体包括卫星在轨指令流程显示、卫星载荷开关机状态、载荷工作模式以及卫星数传状态；

卫星运行控制和演示视角控制功能在卫星运行场景中可实现全局视角选择、目标卫星视角选择、卫星放大缩小控制、卫星运行加减速控制、卫星控制指令解析接入、卫星工作模式选择；

在卫星结构虚拟展示场景中可实现卫星结构树的选择和卫星多观察视角的控制等操作。

第四点，平台管理单元，其在进行平台管理时，具体包括业务知识数据模型管理和平台运行日志管理等操作；

平台管理单元借助知识数据模型，管理实现卫星平台模型管理、有效载荷模型管理、载荷参数计算模型管理、卫星平台约束、有效载荷使用约束。

进一步的，所述卫星虚拟控制教学平台还包括：

头戴式显示装置，用于进行图像显示。

在实际操作时，本申请实施例中，使用卫星虚拟控制教学平台进行教学时，学员可通过头显和手柄沉浸式地与平台进行交互。

基于本申请实施例的卫星虚拟控制教学平台，描述其具体工作时的操作流程，具体如下：

第一步，根据需要展示的目标卫星，建立孪生数字卫星，具体执行包括卫星运行规则、卫星实体的孪生操作。

第二步，登录卫星虚拟控制教学平台后，进行初始化状态预加载；

第一，加载三维地球模拟效果数据、星空背景数据、大气分布模拟数据、初始轨道根数、轨道预报模型以及在轨遥测数据等，从而构建卫星运行所处的环境情况；

第二，读取需要检测的目标卫星的初始轨道根数和在轨遥测下行数据，配置卫星的自身状态，使其与在轨卫星轨道状态、运行模式一致，形成与在轨卫星一致的数字孪生卫星，从而完成卫星自身运行状态的构建。

需要说明的是，三维空间场景设计包含日地星等主要场景元素，显示太阳、地球、卫星之间的位置关系，以及地面站部署位置；

卫星在轨运行场景还包括卫星姿态、卫星轨道、数传状态等卫星运行状态元素。

第三步，进入孪生应用呈现场景，卫星虚拟控制教学平台能够提供预设场景展示和指令驱动场景展示；

在预设场景中，平台读取历史遥测下行数据，孪生呈现卫星的运行、业务工作状态；

支持用户通过多星视角和单星视角查看卫星运行轨道、姿态、载荷开关机状态及工作模式，查看在轨卫星工作流程、遥测参数数据列表，还能够查看卫星内外部结构；

在指令控制三维场景演示场景，通过对外部接入指令的解析接入，数字卫星模型实现指令对应动作业务的可视化展示。

具体的，卫星虚拟控制教学平台进行预设场景展示时，具体情况如下：

第一点，进行卫星姿轨状态可视化展示，展示卫星运行时的姿态模拟画面。

第二点，进行卫星载荷开关机状态展示；其中，

有效载荷使用约束包括每日开机时长约束、每轨开机时长约束，平台后台根据约束规则进行卫星载荷开关机的控制显示。

第三点，进行卫星载荷工作模式可视化展示；其中，

卫星载荷工作模式是指根据要教学的卫星类型及其预设的卫星执行任务的需求及工作模式切换约束，在场景中执行对应的工作模式；

例如，对于遥感卫星可展示推扫、凝视、记录、实传、中继回放、数传回放等工作模式，根据具体的遥感卫星类型和教学要求进行定制制作。

另外，通过指定卫星和选取工作模式，查看工作模式的可视化表达状态；

具体操作时可通过一手柄控制射线，选择所要查看的卫星，进入卫星简介和工作模式列表界面；

点击模式面板选项，进入场景查看当前卫星工作模式。

需要说明的是，卫星载荷开关机是指卫星有效载荷在轨飞行时的工作状态，通过载荷高亮显示的形式进行开机状态展示；

载荷工作模式则根据具体的卫星类别和任务执行状态进行相应的仿真显示。

第四点，进行卫星遥测参数可视化展示；其中，

通过显示面板查看当前计划编号的遥测参数；

对于告警的异常遥测参数，可关联查看故障原因及相应处理该故障的处置建议。

需要说明的是，卫星遥测数据，通过触发载荷约束条件和遥测状态限制及门限实现分系统和部件异常报警，并在二维图中红色标注异常分系统或部件，并提示异常超限参数，同步关联数据库中异常案例，显示异常原因及处置方法；

遥测监视采用二维图表可视化显示重点输出参数状态。

具体的，卫星遥测数据包括轨控分系统遥测参数、姿控分系统遥测参数、电源分系统遥测参数、测控分系统遥测参数、星务分系统遥测参数、数传分系统遥测参数以及相机分系统遥测参数等数据参数；其中，

轨控分系统遥测参数包括半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角以及真近角；

姿控分系统遥测参数包括俯仰角、偏航角以及滚动角。

第五点，进行卫星数传状态教学展示；其中，

通过数传指令脚本，驱动以卫星，地面站，地面站覆盖，卫星轨道等关键元素组成的仿真三维场景，显示指令脚本对卫星过站数传任务的控制，具体控制包括数传地面站的可视弧段显示、数传链路的显示。

第六点，进行卫星结构可视化教学展示；其中，

进入卫星结构展示场景后，通过手柄选择控制卫星结构树列表展示，选择不同的目标卫星进行查看学习；

选定卫星后，每一颗卫星包括其卫星简介，以及内部分系统名称列表；

用户可通过手柄控制卫星展示形式，如渲染图效果、透视图效果，爆炸图效果进行结构学习；

用户可选择列表中的分系统名称，分系统介绍信息在面板中展示，同时分系统对应在卫星模型中的位置布局通过高亮突出显示；

用户也可通过手柄实现对所选卫星多角度、细致的观察。

需要说明的是，卫星结构树是基于卫星结构组件的层级关系构建的结构树。

具体的，卫星虚拟控制教学平台进行指令驱动场景展示，具体情况如下：

指令数据控制卫星模型展示是通过外部指令控制系统中已编制好的指令脚本，驱动仿真三维场景，显示指令编制成果对卫星运行及任务执行的操控结果，通过卫星动作展示数据与指令数据的绑定，帮助受训人员建立起指令与卫星之间的关系概念，其具体实现方法说明书附图的图4所示；其中，

首先，系统指令控制端通过通信中间件发送计划编号和时间戳给卫星虚拟控制教学平台，卫星虚拟控制教学平台根据计划编号和时间戳从指令库中读取和解析控制指令；

同时卫星虚拟控制教学平台将仿真时间再通过通信中间件发送给系统指令控制端，实现时间的同步，

学员可以在场景中查看指令控制下卫星运动及工作状态，包括卫星在轨运行状态、载荷开关机状态、载荷数据状态、卫星天线与数传状态等。

其次，卫星控制指令解析接入中，卫星控制指令包括有效载荷控制指令和卫星平台控制指令；

有效载荷控制指令包括载荷开关机、载荷工作模式；

卫星平台控制指令包括卫星姿态控制指令、固存指令、数传天线开关指令。

再者，场景中模型分系统通过高亮显现的形式实时响应对应的指令数据；其中，

载荷工作状态通过对地条带扫描、波束覆盖展示；

数传任务通过与地面站之间的连接链路形式进行展示。

另外，配置整星拓扑结构二维图，用于显示卫星指令序列执行过程，根据指令执行序列，高亮显示当前指令所对应分系统及部件；

二维图与三维图同步响应指令动作，二三维图可根据响应指令的卫星部件自动或手动切换在主界面显示。

必要时，还可进行指令序列滚动显示，当前执行指令焦点显示；

卫星能够实现指令执行过程演示。

在卫星控制指令解析接入中，卫星控制指令包括启动实传模式、启动记录模式、启动对地回放模式、相机成像开以及运行对日定向等。

第二方面，基于与第一方面相同的发明构思，本申请实施例提供一种卫星虚拟控制教学方法，该方法包括以下步骤：

S1、场景初始化加载，孪生卫星实体以及运行规则；

S2、卫星场景可视化处理，构建仿真场景，并进行运行推演；

S3、卫星结构虚拟展示，对卫星运行状态以及卫星结构进行展示。

本申请实施例的技术方案，旨在提供符合实际培训需求的卫星虚拟控制教学平台，实体孪生模型在基础数据驱动下构建三维场景，在虚拟场景中用户可以虚拟控制和沉浸式查看目标数字卫星，清晰了解目标卫星运行状态、工作模式和实体结构的全貌；

直观观察基于外部指令驱动的卫星工作状态响应情况；

卫星虚拟控制教学平台可辅助提升用户对卫星运行状态、载荷工作模式、卫星结构和操控指令与卫星关系的理解。

本申请实施例中，对卫星结构形态、运行环境以及运行状态进行可视化虚拟展示，为日常教学工作提供便利，有效保障教学成果。

进一步的，所述场景初始化加载，孪生卫星实体以及运行规则中，包括以下步骤：

加载三维地球模型、星空背景数据、大气分布模型、地面站模型、初始轨道根数、轨道预报模型以及在轨遥测数据。

进一步的，所述卫星场景可视化处理，构建仿真场景，并进行运行推演中，包括以下步骤：

展示卫星在轨姿轨状态、卫星载荷开关机状态、卫星工作模式、卫星数传状态、卫星遥测参数或异常参数告警；

进行全局视角选择、目标卫星视角选择、卫星缩放选择、卫星运行速率调整、卫星控制指令接入或卫星工作模式选择。

进一步的，所述卫星结构虚拟展示，对卫星运行状态以及卫星结构进行展示中，包括以下步骤：

对卫星结构树以及观察视角进行选择，进而展示卫星三维结构、卫星透视结构或卫星展开结构。

进一步的，所述方法基于头戴式显示装置进行图像显示。

需要说明的是，本申请实施例提供的卫星虚拟控制教学方法，其对应的技术问题、技术手段以及技术效果，从原理层面与卫星虚拟控制教学平台的原理类似。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种卫星虚拟控制教学平台，其特征在于，所述平台包括：

孪生体构建单元，其用于孪生卫星实体，并进行运行规则孪生；

场景仿真推演单元，其用于构建仿真场景，并进行运行推演；

视景引擎服务单元，其用于对卫星运行状态以及卫星结构进行展示。

2.如权利要求1所述的卫星虚拟控制教学平台，其特征在于，所述平台还包括：

平台管理单元，其用于对平台运行日志以及卫星业务知识数据模型进行管理。

3.如权利要求1所述的卫星虚拟控制教学平台，其特征在于：

所述孪生体构建单元还用于接入卫星基础数据，所述卫星基础数据包括卫星轨道数据、地面站位置数据以及遥测数据；

所述孪生体构建单元还用于解析卫星模拟控制指令，并获得对应的卫星工作状态。

4.如权利要求1所述的卫星虚拟控制教学平台，其特征在于：

所述视景引擎服务单元还用于卫星结构可视化、卫星在轨运行姿轨状态可视化；

所述视景引擎服务单元还用于展示卫星各系统工作流程、卫星载荷工作过程、卫星遥测参数以及异常参数告警。

5.如权利要求1所述的卫星虚拟控制教学平台，其特征在于，所述平台还包括：

头戴式显示装置，用于进行图像显示。

6.一种卫星虚拟控制教学方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

场景初始化加载，孪生卫星实体以及运行规则；

卫星场景可视化处理，构建仿真场景，并进行运行推演；

卫星结构虚拟展示，对卫星运行状态以及卫星结构进行展示。

7.如权利要求6所述的卫星虚拟控制教学方法，其特征在于，所述场景初始化加载，孪生卫星实体以及运行规则中，包括以下步骤：

加载三维地球模型、星空背景数据、大气分布模型、地面站模型、初始轨道根数、轨道预报模型以及在轨遥测数据。

8.如权利要求6所述的卫星虚拟控制教学方法，其特征在于，所述卫星场景可视化处理，构建仿真场景，并进行运行推演中，包括以下步骤：

展示卫星在轨姿轨状态、卫星载荷开关机状态、卫星工作模式、卫星数传状态、卫星遥测参数或异常参数告警；

进行全局视角选择、目标卫星视角选择、卫星缩放选择、卫星运行速率调整、卫星控制指令接入或卫星工作模式选择。

9.如权利要求6所述的卫星虚拟控制教学方法，其特征在于，所述卫星结构虚拟展示，对卫星运行状态以及卫星结构进行展示中，包括以下步骤：

对卫星结构树以及观察视角进行选择，进而展示卫星三维结构、卫星透视结构或卫星展开结构。

10.如权利要求6所述的卫星虚拟控制教学方法，其特征在于：

所述方法基于头戴式显示装置进行图像显示。

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