CN117579118A - 一种基于三维显示的敏捷卫星任务执行评估系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维显示的敏捷卫星任务执行评估系统及方法，涉及航天器运行演示技术领域，实现针对敏捷卫星的规划、测试执行和验证评估，本系统主要包括：任务规划数据获取模块、任务目标绘制模块、整星遥测数据订阅模块、遥测数据预处理模块、三维显示模块、任务评估模块和数据存储模块，通过上述模块能够演示复杂任务运行状态，实现规划‑测试执行‑验证评估的任务评估系统，面向任务，基于三维场景，具备直观显示功能和快速判读功能，实现针对敏捷卫星的规划、测试执行和验证评估。
Description
技术领域
本发明涉及航天器运行演示技术领域，具体涉及一种基于三维显示的敏捷卫星任务执行评估系统及方法。
背景技术
传统的对地遥感卫星，采用正常对地飞行或是滚动方向侧摆一定角度的偏置姿态工作，成像或是数传姿态固定且模式比较单一，卫星动作简单，任务执行评估容易。而敏捷卫星与传统卫星相比具有俯仰、滚动、偏航三轴姿态机动能力，且具有机动同时成像和数传的模式，姿态变化复杂且模式多样，在卫星的任务论证和测试过程中，对于卫星运行的实际飞行姿态、载荷指向、地面目标的空间关系等，人员无法直观想象和判读目标任务是否正确执行，载荷指向是否与目标位置一致，回放任务是否对准地面站，传统的基于数据、列表或是曲线的判读何无法满足需求，需要具备三维场景对敏捷任务直观演示并评估。
近几年来敏捷机动卫星得到了快速发展，但是在敏捷卫星演示评估方面研究较少，普遍还是传统的曲线以及数据显示，无法看到不同姿态下或是姿态变化情况下的载荷观测区域是否是任务目标区域，不适用于敏捷卫星这样复杂任务的判读，缺少整星任务层面的执行评估功能。常见三维是基于姿态稳定控制的实时仿真验证及三维演示方法，也仅是控制分系统级别稳态姿态的三维演示，并且没有整星级任务执行的演示及评估功能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于三维显示的敏捷卫星任务执行评估系统及方法，能够适用于敏捷卫星，实现针对敏捷卫星的规划、测试执行和验证评估。
一种基于三维显示的敏捷卫星任务执行评估系统，包括：任务规划数据获取模块、任务目标绘制模块、整星遥测数据订阅模块、遥测数据预处理模块、三维显示模块、任务评估模块和数据存储模块。
任务规划数据获取模块，从任务规划系统获取任务规划信息并发送给任务目标绘制模块、任务评估模块和数据存储模块；任务目标绘制模块，根据任务规划信息生成绘制信息发送给三维显示模块；
整星遥测数据订阅模块，从整星测试系统获取实时整星遥测信息并发送给遥感数据预处理模块、任务评估模块和数据存储模块；
遥测数据预处理模块，对实时整星遥测信息进行预处理生成三维组件绘制信息并发送给三维显示模块；
三维显示模块，根据绘制信息和三维组件绘制信息生成三维显示数据并发送任务评估模块；
任务评估模块，根据任务规划信息、实时整星遥测信息和三维显示数据生成任务评估信息；
数据存储模块，存储任务规划信息、实时整星遥测信息和任务评估信息。
进一步地，所述任务规划信息，包括成像任务和回放任务，以txt数据内容格式存储，其中成像任务包括：任务编号、卫星起始位置信息、卫星结束位置信息、幅宽和成像时段，回放任务包括：任务编号、回放时段、天线双轴转动角度。
进一步地，所述三维显示模块，三维显示的内容包括：卫星运行过程、卫星任务执行过程和卫星的控制力矩陀螺群的运行状态。
进一步地，所述任务评估信息的生成，包括：
(1)根据实时整星遥测信息，找出其中无法执行的任务或运行故障并生成报警信息；
(2)设定对地数传误差，根据任务规划信息和实时整星遥测信息计算数传天线任务规划转角角度与数传天线实际转动角度的差值的绝对值，判断差值是否小于对地数传误差，若小于则评价对地数传任务执行正确，否则评价对地数传任务执行错误；
(3)设定中继数传误差，根据任务规划信息和实时整星遥测信息计算中继天线任务规划转角角度与中继天线实际转动角度的差值的绝对值，判断差值是否小于中继数传误差，若小于则评价中继数传任务执行正确，否则评价中继数传任务执行错误；
(4)设定成像位置误差，根据任务规划信息和实时整星遥测信息，计算实际成像区域与规划成像区域的位置误差绝对值，判断位置误差绝对值是否小于成像位置误差，若小于则评价成像任务执行正确，否则成像任务执行错误。
进一步地，所述运行故障，包括：陀螺故障、星敏故障和GPS故障。
一种基于三维显示的敏捷卫星任务执行评估方法，包括如下步骤：
步骤一、任务规划数据获取模块从任务规划系统中获取任务规划信息，发送给任务评估模块、任务目标绘制模块和数据存储模块；
步骤二、任务目标绘制模块解析任务规划信息获取绘制信息发送给三维显示模块；
步骤三、整星遥测数据订阅模块从整星测试系统获取遥测服务器的实时整星遥测数据并发送给任务评估模块、遥测数据预处理模块和数据存储模块；
步骤四、遥测数据预处理模块对实时整星遥测信息进行预处理生成三维组件绘制信息并发送给三维显示模块，三维显示模块根据任务目标绘制模块和遥测数据预处理模块发送的绘制信息生成三维显示信息并进行整星运行三维显示、对地数据传输任务显示、对中继数据传输任务显示和卫星工作数据显示，并将三维显示信息发送给任务评估模块；
步骤五、任务评估模块根据任务规划信息、实时整星遥测信息和三维显示信息进行任务评估，生成评估结果并发送数据存储模块。
进一步地，所述遥测数据预处理模块对实时整星遥测信息进行预处理，包括：
(1)对实时整星遥测信息按照统一时间基准、插值，剔除重复数据；
(2)以配置表的形式，将实时整星遥测信息中的数据与对应三维组件绑定。
有益效果：
第一、本发明提出一种基于三维显示的敏捷卫星任务执行评估系统，相比于现有航天器的现有的传统的曲线、数据和列表展示形式而言，通过三维展示的方式展示并将相关数据发送评估系统，这样的评估方式更具有直观性和可视性；
第二、本系统与任务规划系统、整星测试系统连接，从中获取相应的数据并进行分析与处理，并且其中的任务评估主要是依据任务规划数据和实时整星测试数据获取相应的信息，并且判读出成像任务执行偏差、天线指向地面站偏差等，实现任务规划-测试执行-评估的闭环；
第三、本发明中的三维显示模块，除了卫星整星系统的三维演示功能外，还具备敏捷卫星关键执行部件控制力矩陀螺群系统的三维演示功能，能直观展示控制力矩陀螺的动作状态，直观监视和判读其工作状态，本系统所覆盖的内容更为全面。
第四、本发明提出的方法，三维显示能够直接实现卫星运行状态和设计状态展示，能够为多种数据提供分析基础，因此本系统的可扩展性强，且数据展示更加直观，可读性强，操作简单，容易复刻。
附图说明
图1为本发明实施例基于三维显示的敏捷卫星的任务执行评估系统连接关系。
图2为本发明实施例基于三维显示的敏捷卫星的任务执行评估系统。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于三维显示的敏捷卫星的任务执行评估系统及方法，能够演示复杂任务运行状态，实现规划-测试执行-验证评估的任务评估系统，面向任务，基于三维场景，具备直观显示功能和快速判读功能，实现针对敏捷卫星的规划、测试执行和验证评估。
本实施例会从整个系统接入到实际敏捷卫星界面为实施例，如附图1所示，任务规划系统分别向评估系统与整星测试系统发送任务规划信息，整星测试系统则通过通过遥控上行和遥测下行与敏捷卫星进行通讯，然后再发送实时整星遥测信息给评估系统。
任务规划系统：负责地面任务目标到元任务生成工作，将观测目标、工作模式等用户需求转化成为成像任务和回放任务规划信息。
整星测试系统：将任务规划系统生成的元任务信息，按照上行注入格式编码并通过星地通信链路注入到卫星。同时将卫星的遥测信息通过星地通信链路接收并存储到服务器。
一种基于三维显示的敏捷卫星任务执行评估系统，如附图2所示，获取预先的任务规划信息，是任务预期执行结果；订阅测试系统的遥测，解析卫星任务实际执行信息，计算任务实际执行结果；将预期与实际执行结果，通过三维场景进行直观显示，同时对预期与实际执行结果进行比对，实现任务执行评估，包括：任务规划数据获取模块、任务目标绘制模块、整星遥测数据订阅模块、遥测数据预处理模块、三维显示模块、任务评估模块和数据存储模块。
任务规划数据获取模块，从任务规划系统获取任务规划信息并发送给任务目标绘制模块、任务评估模块和数据存储模块，任务规划系统产生的任务数据以txt文形式存储，任务规划数据读取模块按照配置表中的文件存储路径获取任务规划数据；
任务目标绘制模块，根据任务规划信息生成绘制信息，根据条带的起点、终点和条带宽度，对应在三维地图上画出任务区域边界，并用特殊颜色覆盖区域，将上述信息发送给三维显示模块；
根据成像任务txt的格式解析，提取任务编号、起始和结束的位置信息、幅宽、成像时段等信息，作为绘制任务条带和任务判读的基础数据。根据回放任务的txt的格式解析，提取任务编号、回放时段、天线双轴转动角度、地面站或中继星等信息，作为任务演示和判读的基础数据。
整星遥测数据订阅模块，从整星测试系统获取实时整星遥测信息并发送给遥感数据预处理模块、任务评估模块和数据存储模块，卫星测试过程中产生的实时遥测数据，存储在MTP服务器中，数据订阅模块采用TCP协议来获取实时遥测数据；
遥测数据预处理模块，对实时整星遥测信息进行预处理生成三维组件绘制信息并发送给三维显示模块，具体包括如下两个部分：
①根据协议的格式对遥测数据解析并对遥测数据按照统一时间基准、插值、剔除重复数据等处理。
②以配置表的形式，把遥测数据绑定到对应三维组件上，用于驱动三维组件或是活动部件的运行与显示。
三维显示模块，根据绘制信息和三维组件绘制信息生成三维显示数据并发送任务评估模块，具体的三维显示包括如下两个部分；
①卫星三维演示：完成卫星运行和任务执行过程的三维演示，主要用来显示卫星在天球中的位置与姿态，以及卫星各运动部件的运动状态，回放和成像任务的执行状态等。
②控制力矩陀螺模块运行演示：对于敏捷卫星的关键部件控制力矩陀螺群，进行低速、高速和整体的精细化建模，根据遥测数据驱动模型，演示敏捷卫星机动过程中各控制力矩陀螺的高速、低速部分的运行状态。
任务评估模块，根据任务规划信息、实时整星遥测信息和三维显示数据生成任务评估信息；
进一步地，所述任务评估信息的生成，包括：
(1)根据实时整星遥测信息，找出其中无法执行的任务或运行故障并生成报警信息；
(2)设定对地数传误差，根据任务规划信息和实时整星遥测信息计算数传天线任务规划转角角度与数传天线实际转动角度的差值的绝对值，判断差值是否小于对地数传误差，若小于则评价对地数传任务执行正确，否则评价对地数传任务执行错误；
(3)设定中继数传误差，根据任务规划信息和实时整星遥测信息计算中继天线任务规划转角角度与中继天线实际转动角度的差值的绝对值，判断差值是否小于中继数传误差，若小于则评价中继数传任务执行正确，否则评价中继数传任务执行错误；
(4)设定成像位置误差，根据任务规划信息和实时整星遥测信息，计算实际成像区域与规划成像区域的位置误差绝对值，判断位置误差绝对值是否小于成像位置误差，若小于则评价成像任务执行正确，否则成像任务执行错误。
数据存储模块，存储任务规划信息、实时整星遥测信息和任务评估数据，还可以实现从存储数据库获取数据，实现数据回放显示。
本实施例基于上述系统的运行过程如下：
一种基于三维显示的敏捷卫星任务执行评估方法，包括如下步骤：
步骤一、任务规划数据获取模块从任务规划系统中获取任务规划信息，发送给任务评估模块、任务目标绘制模块和数据存储模块；
任务规划数据生成：运行任务规划系统，生成成像任务和回放任务规划数据，均以txt形式存储在本地任务规划结果文件夹中，文件夹可以任意设置。
任务规划数据获取：在任务规划获取模块中，填写数据获取路径，应与所述的任务规划结果路径一致。
步骤二、任务目标绘制模块解析任务规划信息获取绘制信息发送给三维显示模块；
任务规划数据解析：按照成像和回放任务的TXT数据内容格式，解析出任务编号、起始和结束的位置信息、幅宽、成像时段等信息，作为绘制任务条带和任务评估的基础数据。根据回放任务的txt的格式解析，提取任务编号、回放时段、天线双轴转动角度、地面站或中继星等信息，作为任务演示和评估的基础数据。
任务目标绘制：
2.1任务目标绘制模块根据任务规划数据解析出的成像任务目标的起始和结束的位置信息，在三维地球上对应的经纬度画出任务条带信息，并以高亮颜色显示，并用任务编号标记；
2.2任务目标绘制模块根据任务规划数据解析出的回放任务目标的传输站的编号或中继星的编号信息，根据预存的地面站/中继星编号索引地面站位置及中继星轨道参数，在三维地球/空间场景中对应添加地面站/中继星标识，并用中继星或地面站编号标记；
步骤三、整星遥测数据订阅模块从整星测试系统获取遥测服务器的实时整星遥测数据并发送给任务评估模块、遥测数据预处理模块和数据存储模块；
整星遥测数据订阅：整星遥测数据订阅模块通过TCP/IP协议从测试系统的遥测服务器获取整星的遥测数据。
步骤四、遥测数据预处理模块对实时整星遥测信息进行预处理生成三维组件绘制信息并发送给三维显示模块，三维显示模块根据任务目标绘制模块和遥测数据预处理模块发送的绘制信息生成三维显示信息并进行整星运行三维显示、对地数据传输任务显示、对中继数据传输任务显示和卫星工作数据显示，并将三维显示信息发送给任务评估模块；
4.1遥测数据预处理：
4.1.1根据三维显示需求，填写遥测配置表。配置表包含遥测代号、遥测名称、工程值等信息，以及附加的绑定的卫星活动组件的信息。将遥测数据和卫星运行状态以及活动组件构建映射关系，用于后续的对数据驱动显示。配置表示例如下表所示：
表1本发明实施例遥测配置表
| 遥测代号 | 遥测名称 | 遥测工程值 | 绑定组件 |
| K008 | +Y帆板转角 | 38.55 | +Y帆板 |
| K010 | -Y帆板转角 | -38.55 | -Y帆板 |
| K003 | 滚动角 | -30.00 | / |
| K004 | 俯仰角 | 0.00 | / |
4.1.2遥测数据的差值与剔野：遥测数据是高频的离散点，由于数据传输链路为保证稳定连续，会存在有重复数据的情况，要对时间重复数据进行剔除；另外多个遥测来自于不同的星上终端，数据产生时间不完全一致，需要将数据按照统一时间标准进行插值处理，以保证演示的连续性和平稳性；
4.2三维显示：
4.2.1整星运行三维显示：
(1)关键数据显示：对于卫星任务的重要信息以及关键遥测，通过文本形式，显示在界面的上方和左边。
(2)接收遥测预处理后的数据，驱动卫星模型在三维场景中完成卫星运行状态及任务执行的显示。
(3)根据卫星实时遥测的轨道信息，绘制卫星轨道及星下点轨迹，实现卫星轨道及地面星下点显示；
(4)将卫星三轴姿态遥测数据映射到卫星坐标系，实现敏捷姿态实时显示；
(5)将部件数据映射到卫星的各个活动部件，活动部件按照数据实时显示活动状态；
4.2.2根据任务模式遥测数据，关联显示任务工作模式的动画效果，对于卫星的成像工作模式，增加彩色载荷视场，并依据卫星的实施姿态，将载荷视场与地球表面的相交廓线画出，内部填出特殊颜色，为成像任务执行区域，可以实时显示任务规划区域与任务执行区域，直观显示任务执行是否正确。
4.2.3对地数据传输、对中继数据传输任务显示：依据卫星的输出传输工作模式，增加数传/中继天线电磁波传输演示动画效果，并将天线中心线与地球表面的交点画出，高亮显示，作为回放任务的传输执行区域，可以实时显示回放规划任务区域与任务执行区域，直观显示任务执行是否正确。
步骤五、任务评估模块根据任务规划信息、实时整星遥测信息和三维显示信息进行任务评估，生成评估结果并发送数据存储模块。
5.1任务评估：
5.1.1工作状态判读：根据自主健康遥测，如陀螺故障、星敏故障、GPS故障等单机故障，采用提示音报警；根据任务执行状态遥测，如果遇到无法执行的状态，则采用声音报警和文本提示。
5.1.2敏捷成像任务判读：根据三维显示中实际执行的区域的中心线与任务规划区域的中心线的位置按照时刻插值，求出经度、纬度的偏差，依据误差大小判断成像任务执行是正确。此外，对任务规划的姿态数据与实时遥测的姿态数据，按照时间统一插值处理，并逐一计算误差，评估敏捷成像过程中姿态机动的正确性；
5.1.3对地数传任务判读：获取对地数传任务时段，在时段内对数传天线实际转动角度遥测和任务规划的天线转角角度二者按照时间统一插值处理，并逐一计算误差，判断对地数传任务执行正确性和跟踪性能
5.1.4中继数传任务判读：获取对中继数传任务时段，在时段内对中继天线实际转动角度遥测和任务规划的天线转角角度二者按照时间统一插值处理，判断对天线跟踪性能；在时段内对卫星三轴姿态数据与任务规划的姿态数据二者按照时间统一插值处理，判断回放姿态的正确性。通过姿态和天线来判断对中继数传任务执行正确性。
5.2数据存储，构建标准协议的数据库，对所有遥测数据、任务数据、任务判读结果数据等存储。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于三维显示的敏捷卫星任务执行评估系统，与任务规划系统和整星测试系统连接，其特征在于，包括：任务规划数据获取模块、任务目标绘制模块、整星遥测数据订阅模块、遥测数据预处理模块、三维显示模块、任务评估模块和数据存储模块；
任务规划数据获取模块，从任务规划系统获取任务规划信息并发送给任务目标绘制模块、任务评估模块和数据存储模块；
任务目标绘制模块，根据任务规划信息生成绘制信息发送给三维显示模块；
整星遥测数据订阅模块，从整星测试系统获取实时整星遥测信息并发送给遥感数据预处理模块、任务评估模块和数据存储模块；
遥测数据预处理模块，对实时整星遥测信息进行预处理生成三维组件绘制信息并发送给三维显示模块；
三维显示模块，根据绘制信息和三维组件绘制信息生成三维显示数据并发送任务评估模块；
任务评估模块，根据任务规划信息、实时整星遥测信息和三维显示数据生成任务评估信息；
数据存储模块，存储任务规划信息、实时整星遥测信息和任务评估信息。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述任务规划信息，包括成像任务和回放任务，以txt数据内容格式存储，其中成像任务包括：任务编号、卫星起始位置信息、卫星结束位置信息、幅宽和成像时段，回放任务包括：任务编号、回放时段和天线双轴转动角度。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三维显示模块，三维显示的内容包括：卫星运行过程、卫星任务执行过程和卫星的控制力矩陀螺群的运行状态。
4.如权利要求1-3任一所述的系统，其特征在于，所述任务评估信息的生成，包括：
(1)根据实时整星遥测信息，找出其中无法执行的任务或运行故障并生成报警信息；
(2)设定对地数传误差，根据任务规划信息和实时整星遥测信息计算数传天线任务规划转角角度与数传天线实际转动角度的差值的绝对值，判断差值是否小于对地数传误差，若小于则评价对地数传任务执行正确，否则评价对地数传任务执行错误；
(3)设定中继数传误差，根据任务规划信息和实时整星遥测信息计算中继天线任务规划转角角度与中继天线实际转动角度的差值的绝对值，判断差值是否小于中继数传误差，若小于则评价中继数传任务执行正确，否则评价中继数传任务执行错误；
(4)设定成像位置误差，根据任务规划信息和实时整星遥测信息，计算实际成像区域与规划成像区域的位置误差绝对值，判断位置误差绝对值是否小于成像位置误差，若小于则评价成像任务执行正确，否则成像任务执行错误。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述运行故障，包括：陀螺故障、星敏故障和GPS故障。
6.一种基于三维显示的敏捷卫星任务执行评估方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任意一项所述系统实现评估，包括如下步骤：
步骤一、任务规划数据获取模块从任务规划系统中获取任务规划信息，发送给任务评估模块、任务目标绘制模块和数据存储模块；
步骤二、任务目标绘制模块解析任务规划信息获取绘制信息发送给三维显示模块；
步骤三、整星遥测数据订阅模块从整星测试系统获取遥测服务器的实时整星遥测数据并发送给任务评估模块、遥测数据预处理模块和数据存储模块；
步骤四、遥测数据预处理模块对实时整星遥测信息进行预处理生成三维组件绘制信息并发送给三维显示模块，三维显示模块根据任务目标绘制模块和遥测数据预处理模块发送的绘制信息生成三维显示信息并进行整星运行三维显示、对地数据传输任务显示、对中继数据传输任务显示和卫星工作数据显示，并将三维显示信息发送给任务评估模块；
步骤五、任务评估模块根据任务规划信息、实时整星遥测信息和三维显示信息进行任务评估，生成评估结果并发送数据存储模块。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述遥测数据预处理模块对实时整星遥测信息进行预处理，包括：
(1)对实时整星遥测信息按照统一时间基准、插值，剔除重复数据；
(2)以配置表的形式，将实时整星遥测信息中的数据与对应三维组件绑定。
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2023
- 2023-10-17 CN CN202311340129.2A patent/CN117579118A/zh active Pending
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