CN116484625B - 基于STK和Python的异构星座对多目标观测性能分析方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种联合STK和Python的异构星座对多目标观测性能分析系统和方法，异构载荷星座对多目标观测问题模型的建模参数通过与基于PyQt库开发的GUI界面的交互完成载入，通过构建基于STK与Python的联合仿真系统，解决了实际应用场景中受可见仰角、方位角、卫星载荷类型、卫星载荷负载等约束条件下卫星星座对观测目标可见性的建模问题，以及异构卫星星座系统对多目标可见性综合分析任务的大规模快速响应问题，并基于STK的STKX组件技术和ActiveX控件技术，实现二维和三维可视化窗口与GUI界面的集成，在保证系统、数据的可靠性的同时提升了计算效率并提供了友好的交互界面。
Description
技术领域
本发明涉及天基遥感领域，具体涉及一种基于STK和Python的异构星座对多目标观测性能分析方法和系统。
背景技术
以卫星星座遥感技术为核心的天基遥感系统因精度高、广域覆盖、快速响应等特点被广泛应用于航空器制导导航和对地观测。随着卫星的不断更新和星座任务的日益复杂，特别是对多目标观测性能要求的提高，使得新老各型号、各类卫星组成的异构卫星星座系统的观测资源调度和任务规划技术成为亟待发展的关键，而异构星座对多目标观测性能分析是该技术的重要基础和前提。上述异构卫星星座的异构性主要体现在卫星平台的姿态敏捷能力、携带载荷传感器的视场大小和范围等存在差异，被观测目标同样存在着运动特性差异。由此提出的卫星对观测目标的可见性分析以及星座观测性能评估，是在给定星座中选择任务卫星进而进行资源调度和任务规划的重要依据。
卫星对观测目标可见性分析的求解涉及到卫星星历、观测目标位置变化、卫星对目标几何关系、可视角度范围，包括俯仰角和方位角、卫星载荷性能，包括视场大小和最远观测距离、卫星姿态敏捷能力等多重约束。针对星座的实际应用，还需要在卫星数量庞大且对多个目标实施观测的情况下，如何快速实时地提供可见性分析结果。现有可见性分析方法大多建立在对可见窗口的起止时刻进行搜索的基础上，在多卫星多目标任务场景中，其计算复杂度高、耗时长、易出现漏搜索、精度较差。因此，需要开发一种更加快捷、鲁棒、友好的用于卫星星座对多目标的可见性分析的方法和系统。
STK(Satellite Tool Kit，卫星工具包)软件是一款经典的航空航天任务分析软件。STK提供了一套基于Windows平台接口标准组建对象模型(Component Object Model，COM)组建的应用程序编程接口(Application Programming Interface，API)，由此可调用STK的内核功能包括观测几何分析、二维三维可视化、卫星轨道分析等模块完成特定功能程序的二次开发。此外，STK的STK X模块由COM组件以及ActiveX控件组成，提供了将STK核心功能嵌入到第三方软件的接口。
基于STK与Python进行二次开发的联合仿真系统可以充分发挥两个软件各自的优势，通过Python程序实现交互界面、数据处理等功能，通过STK软件实现场景建模、提供测量和分析数据等，进而很大程度上保证了数据和系统的可靠性和运行速度，并减少了系统开发周期和成本。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于STK和Python的异构星座对多目标观测性能分析方法和系统。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于STK和Python的异构星座对多目标观测性能分析系统，包括问题模型建立模块、GUI交互模块、系统仿真模块、可见性综合分析模块、实时显示模块、数据存储模块，具体而言：
所述问题模型建立模块用于提供相应量化参数用于对实际应用场景中异构星座卫星的分类建模、观测对象模型建立以及系统约束模型建立；
所述GUI交互模块用于对卫星轨道参数、载荷模型、观测对象、系统模型约束系统模型参数进行设置，以及可见性综合分析模块相关评价函数权重设置，并用于控制综合分析模块、实时显示模块运行进程的开关；
所述系统仿真模块用于根据Python程序与STK接口的通信构建基于STK引擎的问题模型仿真场景；
所述可见性综合分析模块，用于根据STK原始测量数据进行统计分析和数据处理。
进一步的，所述异构星座卫星的分类建模包括：按照卫星姿态敏捷能力将卫星分为非敏捷卫星、姿态机动受限卫星、敏捷凝视卫星三类卫星，并根据卫星工作模式、携带载荷型号以及性能差异将卫星载荷传感器观测范围建模为圆锥视场、矩形视场两类传感器；
所述观测目标模型建立为根据观测目标运动特性将观测目标建模为固定目标、航空飞行器、区域目标；
所述系统约束模型为卫星模型、观测目标所受外界约束，包括卫星轨道摄动、卫星所处太阳光照区域约束、观测目标接收天线接收范围、观测距离；
所述卫星所处太阳光照区域约束为卫星需进入太阳与地球形成的光照区时才可提供观测服务，所述观测目标接收天线的接收范围包括可视仰角、可视方位角限制。
进一步的，所述系统仿真模块包含仿真场景构建、运动学模型、可见链路模型、STK测量四个子模块，其中，
所述仿真场景构建子模块依赖于Python程序与STK接口的通信构建基于STKEngine的问题模型仿真场景；
所述运动学模型子模块用于根据卫星轨道预报模型基于卫星初始时刻轨道参数递推求解卫星各时刻位置、速度、姿态信息以及根据飞行器航路点对飞行器目标的各时刻位置、速度、姿态进行插值解算；
所述可见链路子模型用于从时间维度确定卫星和观测目标同时位于对方可见空间区域且构成有效访问的时间区间；
所述STK测量子模块用于导出包括卫星对目标入射仰角、卫星相对目标位置数据测量结果。
一种基于STK和Python的异构星座对多目标观测性能分析方法，包括如下步骤：
S1、将应用场景中的各个研究对象与所构建的各类卫星、航空飞行器、地面固定目标、地面区域目标模型进行匹配，基于模型定义的参数描述对应的研究对象，获取问题模型的建模信息；
S2、启动GUI交互界面，通过与GUI的交互完成异构载荷星座对多目标观测场景建模参数设置、可见性综合分析模块相关评价函数权重设置以及包括可见性综合分析模块、实时显示模块运行进程控制；
S3、通过程序与GUI交互模块接口的通信，载入异构载荷星座对多目标观测场景建模数据以及可见性综合分析模块相关评价函数权重设置至数据存储模块；
S4、根据触发情况基于预设信号和槽函数定义启动相应的多进程程序，其中子第一进程对应系统仿真模块、第二进程对应可见性综合分析模块、第三进程对应实时显示模块。
进一步的，所述第一进程具体包括如下步骤：
S11、从数据存储中载入异构载荷星座对多目标观测场景建模数据；
S12、通过comtypes库的创建对象方法搭建Python程序与STK软件之间的通信链接并完成STK实例创建；
S13、构建问题模型仿真场景，基于数据存储模块中载入的异构载荷星座对多目标观测场景建模数据并基于STK对象模型通过访问各级接口中定义的属性和方法完成卫星、载荷传感器、航空飞行器、地面目标对象创建以及相应属性定义；
S14、卫星、观测目标运动学模型解算，包括对卫星基于卫星满足的轨道预报模型对卫星初始时刻轨道参数进行递推，解算卫星各时刻位置矢量、速度矢量、姿态以及根据目标航空飞行器模型航路点定义对目标航空飞行器的各时刻位置矢量、速度矢量、姿态进行插值解算；
S15、构建卫星观测载荷与观测目标的可见链路模型，从时间维度确定卫星和观测目标同时位于对方可见空间区域且构成有效访问的时间区间，所述有效访问包括满足卫星处于观测目标的太阳光照区域、观测目标处于载荷传感器观测区域约束；
S106、获取异构载荷星座对多目标观测仿真场景中各研究对象各时刻的运动状态数据包括卫星对观测目标入射仰角、卫星相对目标的位置矢量数据测量结果，通过数据存储模块以pkl文件保存测量数据并以vgf文件保存创建的异构载荷星座对多目标观测仿真场景。
进一步的，所述第二进程具体包括如下步骤：
S21、从数据存储中载入异构载荷星座对多目标观测仿真场景中各研究对象各时刻的运动状态测量数据；
S22、对原始测量数据进行统计分析和数据处理，生成卫星个体或星座对目标的可见性综合分析结果，包括基于主观赋权法实时输出卫星观测收益，基于模糊综合评价方法评估卫星星座对目标的观测性能；
S23、将可见性综合分析结果通过数据存储模块进行存储并通过接口反馈至GUI交互界面，通过图、表、文本形式进行显示，包括卫星对观测目标实时入射仰角曲线图、卫星个体或星座对观测目标可见窗口文本、卫星对观测目标实时观测收益曲线图、卫星观测收益柱状图。
进一步的，所述第三进程具体包括如下步骤：
S31、基于QT库的QAxContainer模块，创建可容纳ActiveX控件的QAxWidget窗口容器对象；
S32、从数据存储中载入异构载荷星座对多目标观测仿真场景；
S33、通过GUID值调用仿真场景的二维地图窗口以及三维全球窗口控件对象添加至窗口容器，最后实现通过二维地图窗口和三维全球窗口形式可视化显示异构载荷星座对多目标观测仿真场景模型，并以动画形式展现卫星、观测目标对象的运行轨迹。
本发明具有以下有益效果：
1、从实际应用场景出发，基于卫星的姿态敏捷能力、工作模式、携带载荷型号等差异完成对异构卫星星座系统的仿真建模，基于卫星观测目标的运动特性完成对观测目标的仿真建模，针对实际应用场景中受较为复杂的可见性约束的情况进行建模并提供相应量化参数，最后提供可应用于实际场景的星座与观测目标之间的几何关系数据。
2、提供对地面设施、空中飞行器等多种类型观测目标详尽的可见性综合分析，包括卫星对观测目标的可见时间窗口、卫星对观测目标实时观测收益、卫星对观测目标观测总收益评估、异构卫星星座对目标观测性能评估。
3、基于STK软件强大的测量分析功能和可拓展性，构建的基于STK(SatelliteTool Kit，卫星工具包)与Python联合二次开发的可见性综合分析系统，充分发挥了两个软件各自的优势，STK软件完成场景建模并提供多种需求的测量分析数据，Python程序负责数据的处理和深层分析，生成多维度统计分析数据，有效保证数据的准确性的同时提升卫星星座对多目标的可见性问题求解速度。
4、设计基于PyQt的GUI界面作为程序交互接口，实现数据自定义载入、分析结果展示等功能，提高人机交互友好性，并基于STK的STKX组件技术将STK二维、三维窗口以ActiveX控件形式集成在GUI界面上，提供对仿真场景建模的直观展示，最后通过多线程技术将可见性综合分析系统与GUI界面主进程进行分离，保证系统各功能区能正常独立运行的同时使GUI界面处于活动可交互状态。
附图说明
图1为本发明基于STK和Python的异构载荷星座对多目标的可见性综合分析系统模块组成及调用关系示意图。
图2为本发明基于STK和Python的异构载荷星座对多目标的可见性综合分析系统运行流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
图1为本发明实施例提供的一种基于STK和Python的异构载荷星座对多目标的可见性综合分析系统的模块组成及调用关系，其中包括：问题模型建立模块、GUI交互模块、系统仿真模块、可见性综合分析模块、实时显示模块、数据存储模块。
问题模型建立模块，提供相应量化参数用于对实际应用场景中异构星座卫星的分类建模、观测对象模型建立以及系统约束模型建立，所述异构星座卫星的分类建模包括：按照卫星姿态敏捷能力将卫星分为非敏捷卫星、姿态机动受限卫星、敏捷凝视卫星三类卫星，并根据卫星工作模式、携带载荷型号以及性能等差异将卫星载荷传感器观测范围建模为圆锥视场、矩形视场两类传感器，所述观测目标模型建立是指根据观测目标运动特性将观测目标建模为固定目标、航空飞行器、区域目标三类，所述系统约束模型表示卫星模型、观测目标所受外界约束，包括卫星摄动、卫星所处太阳光照区域约束、观测目标接收天线接收范围、观测距离，所述卫星所处太阳光照区域约束表示卫星需进入太阳与地球形成的光照区时才可提供观测服务，所述观测目标接收天线接收范围包括可视仰角、可视方位角限制。
GUI交互模块，如图2所示，包含基于PyQt库设计的各功能组件、控件以及信号和槽函数定义，用于对卫星轨道参数、载荷模型、观测对象、系统模型约束等系统模型参数进行设置，以及可见性综合分析模块相关评价函数权重设置，并用于控制综合分析模块、实时显示模块等模块运行进程的开关。
系统仿真模块，包含仿真场景构建、运动学模型、可见链路模型、STK测量四个子模块，所述仿真场景构建子模块依赖于Python程序与STK接口的通信构建基于STK Engine的问题模型仿真场景，所述运动学模型子模块用于根据卫星轨道预报模型基于卫星初始时刻轨道参数递推求解卫星各时刻位置、速度、姿态等信息以及根据飞行器航路点对飞行器目标的各时刻位置、速度、姿态进行插值解算。所述可见链路子模型用于从时间维度确定卫星和观测目标同时位于对方可见空间区域且构成有效访问的时间区间。STK测量子模块用于导出包括卫星对目标入射仰角、卫星相对目标位置等数据测量结果。
可见性综合分析模块，用于根据STK原始测量数据进行统计分析和数据处理，包括基于主观赋权法实时输出卫星观测收益，基于模糊综合评价方法对卫星星座对目标观测性能进行评估。
实时显示模块，包括可见性综合分析结果显示子模块以及建模可视化显示子模块，所述可见性综合分析结果显示模块用于将可见性综合分析结果以图、表、文本形式以窗口组件形式进行显示，所述建模可视化显示子模块用于通过二维地图窗口以及三维全球窗口形式显示仿真场景模型，并以动画形式展现卫星、航空飞行目标等对象的运行轨迹。
数据存储模块，通过程序变量、文件形式对系统数据进行短/长期存储，包括异构载荷星座对多目标观测场景建模预设参数、STK原始测量数据、系统缓存数据、综合分析数据等系统运行数据。
在本发明问题模型建立模块实施例中，所述相关建模模型量化参数，对应非敏捷卫星、姿态机动受限卫星、敏捷凝视卫星三类卫星模型，非敏捷卫星模型定义参数为卫星轨道参数，姿态机动受限卫星模型定义参数包括卫星轨道参数、卫星观测指向的前后摆动范围、卫星观测指向的侧向摆动范围，敏捷凝视卫星模型定义参数包括卫星轨道参数、卫星姿态调整角速度，上述卫星轨道参数可为开普勒轨道要素(半长轴、轨道离心率、轨道倾角、近地点幅角、升交点赤经和真近点角)或卫星位置速度矢量；对应圆锥视场、矩形视场两类载荷传感器模型，圆锥视场模型定义参数为锥形视场半角，矩形视场模型定义参数包括横向视场半角、竖直视场半角，此外载荷性能参数定义还包括最远观测距离；对应固定目标、航空飞行器、区域目标三类观测目标模型，固定目标模型定义参数为WGS84坐标系下目标所在位置的经纬高或地心地固坐标系(Earth-CenteredEarth-Fixed,ECEF)下的笛卡尔坐标，航空飞行器模型定义参数为用于描述航空器的整个飞行轨迹的飞行航路信息包含时刻信息、航空器在该时刻WGS84坐标系下的经纬高、飞行速度、加速度、转弯半径，区域目标模型定义参数为包含目标区域所有顶点的位置信息的集合，其中顶点的位置信息为WGS84坐标系下的经纬高信息；对应卫星所处太阳光照区域约束的系统约束模型定义参数为是或否；对应观测目标接收天线接收范围、观测距离的系统约束模型定义参数包括可视仰角最小/大值、可视方位角最小/大值。
在本发明仿真场景构建子模块实施例中，通过comtypes库的CreateObject方法搭建Python程序与STK软件之间的通信并完成新的STK应用程序实例创建，基于数据存储模块中载入的异构载荷星座对多目标观测场景建模数据并基于STK OM(STK Object Model，STK对象模型)通过访问各级接口中定义的属性和方法完成卫星、载荷传感器、航空飞行器、地面目标等对象创建以及相应属性定义，最后完成问题模型仿真场景构建。
在本发明运动学模型子模块实施例中，卫星轨道预报模型根据轨道递推精度需求可设定为开普勒运动模型、J2摄动模型、高精度轨道预报模型等卫星运动学模型，根据设定的卫星轨道预报模型对卫星初始时刻轨道参数进行递推解算得到卫星各时刻详细运动状态数据，由此获得卫星对象的运行轨迹。目标航空飞行器模型航路点定义包括对应目标飞行器飞行路径中部分点的时刻、大地测量坐标系下的经纬高坐标、飞行速度参数、转弯半径，基于部分航路点信息通过插值方法生成飞行轨迹并提供详细运动状态数据。
在本发明相关实施例中，卫星对观测目标实时观测收益通过卫星相对观测目标入射仰角指标反映，卫星对观测目标观测总收益评价函数通过多指标自定义权值求和构成包括卫星相对观测目标入射仰角平均值aavg以及最小值amin、可观测时间占总时间比值tpct、重访次数tnum，如下式所示。
R＝0.3aavg/90+0.2amin/90+0.4α3tpct+0.1(-0.1tnum)
在本发明可见性综合评价分析模块实施例中，基于模糊综合评价方法的卫星星座对目标观测性能评估方法包括，首先建立卫星星座对目标观测性能评估的因素集，U＝{卫星相对观测目标入射仰角平均值aavg，最小值amin，可观测时间占总时间比值tpct，重访次数tnum}，然后建立表示评估等级的评语集V＝{好，一般，差}，其次根据因素集各指标在卫星星座对目标观测性能综合评价中重要性确定各因素权重，权重矩阵W＝{0.3，0.2，0.4，0.1}，再次建立隶属函数对星座相应评价指标卫星占比进行统计获得评价矩阵R，最后得到综合评价矩阵Z＝W*R，其中综合评价矩阵最大值对应序列在评语集中对应的值即为该卫星星座对目标观测性能评估等级。
所述隶属函数包括：对于卫星相对观测目标入射仰角平均值评价指标，平均值大于等于90为好，大于80小于90为一般，小于等于80为差；对于卫星相对观测目标入射仰角最小值评价指标，最小值大于等于85为好，大于75小于85为一般，小于等于75为差；对于可观测时间占总时间比值评价指标，比值大于等于0.75为好，大于0.6小于0.4为一般，小于等于0.4为差；对于重访次数评价指标，重访次数小于等于3为好，大于3小于5为一般，大于等于5为差。
图2为提供的一种用于本发明一种基于STK和Python的异构载荷星座对多目标的可见性综合分析方法实施的非易失性存储介质-基于Python编程语言开发的软件系统的运行流程图，该方法包括以下步骤：
S1，将应用场景中的各个研究对象与所构建的各类卫星、航空飞行器、地面固定目标、地面区域目标等模型进行匹配，基于模型定义的参数描述对应研究对象，获取问题模型的建模信息。所述基于模型定义的参数描述对应研究对象，以姿态机动受限卫星为例，模型定义参数包括卫星轨道参数、卫星观测指向的前后摆动范围、卫星观测指向的侧向摆动范围，又以航空飞行器目标为例，包括对应飞行航路中部分点的时刻、大地测量坐标系下的经纬高坐标、飞行速度参数、转弯半径。
S2，启动GUI交互界面，通过与GUI的交互完成异构载荷星座对多目标观测场景建模参数设置、可见性综合分析模块相关评价函数权重设置以及包括可见性综合分析模块、实时显示模块等模块运行进程控制。所述异构载荷星座对多目标观测场景建模参数设置包括卫星轨道参数、载荷模型、观测对象、系统模型约束等系统模型参数。
S3，通过程序与GUI交互模块接口的通信，载入异构载荷星座对多目标观测场景建模数据以及可见性综合分析模块相关评价函数权重设置至数据存储模块。
S4，监控系统仿真模块、可见性综合分析模块、实时显示模块的功能控制开关触发情况，根据触发情况基于预设信号和槽函数定义启动相应的多进程程序，其中子进程1对应系统仿真模块、子进程2对应可见性综合分析模块、子进程3对应实时显示模块。
子进程1进一步包括以下步骤：
S11，从数据存储中载入异构载荷星座对多目标观测场景建模数据。
S12，通过comtypes库的CreateObject方法搭建Python程序与STK软件之间的通信链接并完成STK实例创建。
S13，构建问题模型仿真场景，基于数据存储模块中载入的异构载荷星座对多目标观测场景建模数据并基于STK OM(STK Object Model，STK对象模型)通过访问各级接口中定义的属性和方法完成卫星、载荷传感器、航空飞行器、地面目标等对象创建以及相应属性定义。
S14，卫星、观测目标运动学模型解算，包括对卫星基于卫星满足的轨道预报模型对卫星初始时刻轨道参数进行递推，解算卫星各时刻位置矢量、速度矢量、姿态以及根据目标航空飞行器模型航路点定义对目标航空飞行器的各时刻位置矢量、速度矢量、姿态进行插值解算。
S15，构建卫星观测载荷与观测目标的可见链路模型，从时间维度确定卫星和观测目标同时位于对方可见空间区域且构成有效访问的时间区间，所述有效访问包括满足卫星处于观测目标的太阳光照区域、观测目标处于载荷传感器观测区域等约束。
S16，获取异构载荷星座对多目标观测仿真场景中各研究对象各时刻的运动状态数据包括卫星对观测目标入射仰角、卫星相对目标的位置矢量等数据测量结果，通过数据存储模块以pkl文件保存测量数据并以vgf文件保存创建的异构载荷星座对多目标观测仿真场景。
子进程2进一步包括以下步骤：
S21：从数据存储中载入异构载荷星座对多目标观测仿真场景中各研究对象各时刻的运动状态测量数据。
S22：对原始测量数据进行统计分析和数据处理，生成卫星个体或星座对目标的可见性综合分析结果，包括基于主观赋权法实时输出卫星观测收益，基于模糊综合评价方法评估卫星星座对目标的观测性能。
S23：将可见性综合分析结果通过数据存储模块进行存储并通过接口反馈至GUI交互界面，通过图、表、文本形式进行显示，包括卫星对观测目标实时入射仰角曲线图、卫星个体或星座对观测目标可见窗口文本、卫星对观测目标实时观测收益曲线图、卫星观测收益柱状图等。
子进程3进一步包括以下步骤：
S31：基于QT库的QAxContainer模块，创建可容纳ActiveX控件的QAxWidget窗口容器对象。
S32：从数据存储中载入异构载荷星座对多目标观测仿真场景。
S33：通过GUID值调用仿真场景的二维地图窗口以及三维全球窗口控件对象添加至窗口容器，最后实现通过二维地图窗口和三维全球窗口形式可视化显示异构载荷星座对多目标观测仿真场景模型，并以动画形式展现卫星、观测目标等对象的运行轨迹。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于STK和Python的异构星座对多目标观测性能分析系统，其特征在于，该系统包括问题模型建立模块、GUI交互模块、系统仿真模块、可见性综合分析模块、实时显示模块、数据存储模块，具体而言：
所述问题模型建立模块用于提供相应量化参数用于对实际应用场景中异构星座卫星的分类建模、观测对象模型建立以及系统约束模型建立；
所述GUI交互模块用于对卫星轨道参数、载荷模型、观测对象模型、系统约束模型参数进行设置，以及可见性综合分析模块相关评价函数权重设置，并用于控制综合分析模块、实时显示模块运行进程的开关；
所述系统仿真模块用于根据Python程序与STK接口的通信构建基于STK 引擎的问题模型仿真场景，具体包括仿真场景构建子模块、运动学子模型、可见链路子模块、STK测量子模块，其中，
所述仿真场景构建子模块依赖于Python程序与STK接口的通信构建基于STK Engine的问题模型仿真场景；
所述运动学子模型用于根据卫星轨道预报模型基于卫星初始时刻轨道参数递推求解卫星各时刻位置、速度、姿态信息以及根据飞行器航路点对飞行器目标的各时刻位置、速度、姿态进行插值解算；
所述可见链路子模块用于从时间维度确定卫星和观测目标同时位于对方可见空间区域且构成有效访问的时间区间；
所述STK测量子模块用于导出包括卫星对目标入射仰角、卫星相对目标位置数据测量结果；
所述可见性综合分析模块，用于根据STK原始测量数据进行统计分析和数据处理。
2.根据权利要求1所述的基于STK和Python的异构星座对多目标观测性能分析系统，其特征在于，所述异构星座卫星的分类建模包括：按照卫星姿态敏捷能力将卫星分为非敏捷卫星、姿态机动受限卫星、敏捷凝视卫星三类卫星，并根据卫星工作模式、携带载荷型号以及性能差异将卫星载荷传感器观测范围建模为圆锥视场、矩形视场两类传感器；
所述观测对象模型建立为根据观测目标运动特性将观测目标建模为固定目标、航空飞行器、区域目标；
所述系统约束模型为卫星模型、观测目标所受外界约束，包括卫星轨道摄动、卫星所处太阳光照区域约束、观测目标接收天线的接收范围、观测距离；
所述卫星所处太阳光照区域约束为卫星需进入太阳与地球形成的光照区时才可提供观测服务，所述观测目标接收天线的接收范围包括可视仰角、可视方位角限制。
3.一种基于STK和Python的异构星座对多目标观测性能分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将应用场景中的各个研究对象与所构建的各类卫星、航空飞行器、地面固定目标、地面区域目标模型进行匹配，基于模型定义的参数描述对应研究对象，获取问题模型的建模信息；
S2、启动GUI交互界面，通过与GUI的交互完成对卫星轨道参数、载荷模型、观测对象模型、系统约束模型参数进行设置、可见性综合分析模块相关评价函数权重设置以及包括可见性综合分析模块、实时显示模块运行进程控制；
S3、通过程序与GUI交互模块接口的通信，载入异构载荷星座对多目标观测场景建模数据以及可见性综合分析模块相关评价函数权重设置至数据存储模块；
S4、根据触发情况基于预设信号和槽函数定义启动相应的多进程程序，其中第一进程对应系统仿真模块、第二进程对应可见性综合分析模块、第三进程对应实时显示模块，其中，所述第一进程具体包括如下步骤：
S11、从数据存储中载入异构载荷星座对多目标观测场景建模数据；
S12、通过comtypes库的创建对象方法搭建Python程序与STK软件之间的通信链接并完成STK实例创建；
S13、构建问题模型仿真场景，基于数据存储模块中载入的异构载荷星座对多目标观测场景建模数据并基于STK对象模型通过访问各级接口中定义的属性和方法完成卫星、载荷传感器、航空飞行器、地面目标对象创建以及相应属性定义；
S14、卫星、观测目标运动学模型解算，包括对卫星基于卫星满足的轨道预报模型对卫星初始时刻轨道参数进行递推，解算卫星各时刻位置矢量、速度矢量、姿态以及根据目标航空飞行器模型航路点定义对目标航空飞行器的各时刻位置矢量、速度矢量、姿态进行插值解算；
S15、构建卫星观测载荷与观测目标的可见链路模型，从时间维度确定卫星和观测目标同时位于对方可见空间区域且构成有效访问的时间区间，所述有效访问包括满足卫星处于观测目标的太阳光照区域、观测目标处于载荷传感器观测区域约束；
S16、获取异构载荷星座对多目标观测仿真场景中各研究对象各时刻的运动状态数据包括卫星对观测目标入射仰角、卫星相对目标的位置矢量数据测量结果，通过数据存储模块以pkl文件保存测量数据并以vgf文件保存创建的异构载荷星座对多目标观测仿真场景。
4.根据权利要求3所述的基于STK和Python的异构星座对多目标观测性能分析方法，其特征在于，所述第二进程具体包括如下步骤：
S21、从数据存储中载入异构载荷星座对多目标观测仿真场景中各研究对象各时刻的运动状态测量数据；
S22、对原始测量数据进行统计分析和数据处理，生成卫星个体或星座对目标的可见性综合分析结果，包括基于主观赋权法实时输出卫星观测收益，基于模糊综合评价方法评估卫星星座对目标的观测性能；
S23、将可见性综合分析结果通过数据存储模块进行存储并通过接口反馈至GUI交互界面，通过图、表、文本形式进行显示，包括卫星对观测目标实时入射仰角曲线图、卫星个体或星座对观测目标可见窗口文本、卫星对观测目标实时观测收益曲线图、卫星观测收益柱状图。
5.根据权利要求4所述的基于STK和Python的异构星座对多目标观测性能分析方法，其特征在于，所述第三进程具体包括如下步骤：
S31、基于QT库的QAxContainer模块，创建可容纳ActiveX控件的QAxWidget窗口容器对象；
S32、从数据存储中载入异构载荷星座对多目标观测仿真场景；
S33、通过GUID值调用仿真场景的二维地图窗口以及三维全球窗口控件对象添加至窗口容器，最后实现通过二维地图窗口和三维全球窗口形式可视化显示异构载荷星座对多目标观测仿真场景模型，并以动画形式展现卫星、观测目标对象的运行轨迹。
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- 2023-04-27 CN CN202310471793.4A patent/CN116484625B/zh active Active
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| CN116484625A (zh) | 2023-07-25 |
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