[发明专利]一种航天任务三维综合态势的仿真系统及仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种航天资源的建模方法，特别是一种航天任务三维综合态势的仿真系统及仿真方法。

背景技术

由于空间环境的特殊性以及航天活动本身所具有的高投入、高风险、大范围、高精度、快速反应等特点，涉及在轨卫星、任务载荷、地面站网、处理中心等各类天、地资源，为科学组织、可靠管理、高效指挥、实时控制宝贵的航天资产，必须针对航天遥感、大地测量、信号侦收、对地观测等不同的航天任务建立专用化的指挥信息系统。

航天任务指挥信息系统的核心工作之一就是航天任务综合态势的实时处理与三维可视化仿真展现，并提供丰富的人机交互。要求既可提供卫星在轨运行情况的实时图像，为卫星在轨管理决策提供依据；又可以实现对空间资源监控、空间任务规划、科学指挥决策等业务。

近年来，随着计算机图形图像技术的迅猛发展，科学可视化、计算机动画和虚拟现实成为计算机图形学的三大热门，三维图形因其在仿真三维空间的关键作用更是备受瞩目，其中的主要应用技术——可视化技术使人能够在三维仿真世界中直接对具有形体的目标进行操作，赋予人们对物体进行仿真并且实时交互的能力，也成为航天任务综合态势建模与可视化展现的主要技术工具。

目前，国际上在航天器分析仿真方面典型的产品当首推AGI开发的卫星工具包STK。STK可以快速方便地分析各种复杂的航天任务，并提供逼真的三维可视化动态场景；但只以有限的接口提供一定的二次开发能力，自主扩展性、复用性和系统集成性都较差，而且不具备自主产权，需耗费大量的科研经费购置。在国内，许多航天科技工作者也进行了深入的研究，但是就目前国内航天器在轨运行仿真的研究现状来看，大多数仿真系统还只限于仿真轨道姿态数据的计算，仿真结果的可视化程度并不高。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种航天任务三维综合态势的建模及仿真方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种航天任务三维综合态势的仿真系统，包括航天卫星轨迹及姿态建模模块、卫星帧照建模模块、覆盖范围分析与建模模块以及三维可视化仿真模块，其特征在于，还包括数据跟踪接收建模模块、时间管理模块、坐标系管理模块；

所述航天卫星轨迹及姿态建模模块、卫星帧照建模模块、覆盖范围分析与建模模块、数据跟踪接收建模模块用于建立航天任务执行过程中的综合态势模型；

所述时间管理模块用于统一各模块仿真时间，为仿真系统提供例如推演、回演、加速、减速等时间功能管理。

所述坐标系管理模块提供多个坐标系，可以在不同空间坐标系下展现不同的空间物体运动规律，运动坐标系的设计成功地管理了卫星、地球等运动物体在不同坐标系之间的换算关系，使得复杂运动简单化。

所述三维可视化仿真模块结合时间管理模块和坐标系管理模块，将卫星轨迹及姿态建模模块、卫星帧照建模模块、覆盖范围分析与建模模块的建模计算结果通过三维可视化的方式展现出来。

其中，所述航天卫星轨迹及姿态建模模块根据卫星六个轨道根数(轨道平面倾角、升交点赤径、轨道椭圆半长轴、轨道椭圆偏心率、近地点幅角、卫星过近地点时刻)计算出卫星星历数据，并对星历数据进行插值，实时计算当前时刻卫星的位置及姿态，参见《GPS卫星测量定位理论与应用》，第8章，张守信，1996年第一版，国防科技大学出版社。

所述卫星帧照建模模块根据卫星所带载荷的各个参数(例如、载荷所带成像设备的张角、设备的侧摆角度等)以及载荷性质(例如成像卫星)，建立空间帧照模型(例如成像卫星可以建立一个空间方形锥)，模拟载荷工作状态(如拍摄成像过程)。

所述覆盖范围分析与建模模块是根据所述卫星帧照建模模块建立的帧照模型，计算卫星在地面的工作范围(如成像卫星在地面拍摄的范围)。即卫星帧照模型在空间与地球相交的区域建模。

所述数据跟踪接收建模模块用于模拟卫星与地面站之间或者卫星与卫星之间传输数据(如成像卫星拍摄的图片)的过程，通过计算建立动态波束模型来实现；

本发明中所述数据跟踪接收建模模块根据航天侦察资源轨迹及姿态建模模块计算出的卫星位置或者卫星与地面站的位置，建立模拟卫星与地面之间数据传输的动态模型，所述模拟卫星数据传输的动态模型调用以下子模块：

子模块1，确定并建立三维传输实体模型的形状；

子模块2，根据纹理颜色及式样制作纹理图像；

子模块3，将纹理图像贴到三维传输实体模型上，在场景循环中对纹理图像做相应的位置变换来模拟波束的移动。