[发明专利]一种面向卫星目标和恒星目标的天基观测模拟系统及方法

摘要

本发明涉及一种面向卫星目标和恒星目标的天基观测模拟系统及方法，实现了观测卫星对空间卫星目标和恒星的模拟观测。该系统包括恒星数据库读取模块、卫星动力学仿真类库、卫星初始参数配置模块、观测卫星动力学仿真与控制、目标卫星动力学仿真与控制、观测卫星载荷转台模拟、目标可见性判断模块、观测卫星载荷成像模拟、观测结果模拟输出模块。本发明在以整个天基观测物理过程模拟为出发点，构建和模拟包含观测卫星、观测载荷、目标卫星、恒星等各个模型的天基观测过程，并动态输出置信度高的天基观测模拟结果。

主权项

1.一种面向卫星目标和恒星目标的天基观测模拟系统，其特征在于：包括恒星数据库读取模块、卫星动力学仿真类库、卫星初始参数配置模块、观测卫星动力学仿真与控制模块、目标卫星动力学仿真与控制模块、观测卫星载荷转台模拟模块、目标可见性判断模块、观测卫星载荷成像模拟模块、观测结果模拟输出模块；其中：恒星数据库读取模块，读取真实星表数据并将星表的经度和纬度信息转换为地心惯性系下的位置矢量信息，记录每颗星的位置矢量和星等信息，提供给目标可见性判断模块；卫星动力学仿真类库，以面向对象的方式提供不同精度动力学模型和不同精度的数值积分方法的卫星轨道和姿态动力学仿真的功能，供观测卫星动力学仿真与控制模块和目标卫星动力学仿真与控制模块调用，可复用性和可扩展性高；卫星初始参数配置模块，包括对仿真时间设置，观测卫星和载荷的初始运动状态及物理参数的配置，目标卫星的初始运动状态及物理参数的配置，观测卫星和目标卫星轨道控制配置，观测卫星和目标卫星的姿态控制模式配置，并作为仿真初始参数供观测卫星动力学仿真与控制模块和目标卫星动力学仿真与控制模块调用；观测卫星动力学仿真与控制模块，实现观测卫星动力学仿真与控制系统仿真；仿真开始时接收卫星初始参数配置模块的输入数据，仿真过程中通过调用卫星动力学仿真类库实现在轨观测卫星的轨道和姿态运动和控制过程的模拟，并在每一个仿真时刻输出观测卫星地心惯性系下的三轴位置矢量和姿态给目标可见性判断模块，输出地心惯性系与轨道系、轨道系和卫星本体系之间的转换矩阵给观测卫星载荷转台模拟模块；目标卫星动力学仿真与控制模块，实现目标卫星动力学仿真与控制系统仿真，仿真开始时接收卫星初始参数配置模块的输入数据，仿真过程中通过调用卫星动力学仿真类库实现在轨目标卫星的轨道和姿态运动和控制过程的模拟，并在每一个仿真时刻输出目标卫星在地心惯性系下的三轴位置矢量和姿态给目标可见性判断模块；观测卫星载荷转台模拟模块，对观测卫星载荷转台的运动模拟，模拟卫星载荷转台的俯仰运动和偏航运动，在每一个仿真时刻接收观测卫星动力学仿真与控制模块传入的地心惯性系与轨道系、轨道系和卫星本体系之间的坐标转换矩阵，输出载荷转台的俯仰角和偏航角，以及载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵给目标可见性判断模块；目标可见性判断模块，包括对恒星目标的可见性判断及卫星目标的可见性判断；模拟过程中接收恒星数据库读取模块传入的恒星在地心惯性系下的位置矢量和星等，接收目标卫星动力学仿真与控制模块传入的目标卫星在地心惯性系下的三轴位置矢量和姿态，接收观测卫星动力学仿真与控制模块传入的观测卫星的三轴位置矢量和姿态，接收观测卫星载荷转台模拟模块传入的载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵，在每一个仿真时刻计算目标到观测卫星的相对位置矢量与观测载荷光轴矢量的夹角与视场的关系，满足地球不遮挡、太阳和月球不在视场内、目标在视场范围内的条件下记录该目标的相对位置，对于卫星目标，根据相对位置计算等效星等，对于恒星目标，直接记录其星等值，并将记录结果和载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵提供给观测卫星载荷成像模拟模块；观测卫星载荷成像模拟模块，接收目标可见性判断模块传递的可见目标信息、载荷转台相对于地心惯性系的转换矩阵，基于可见目标在成像坐标系下的位置矢量和成像坐标系及载荷像平面坐标系的关系，对目标位置在像平面坐标系下进行二维投影，并在每一个仿真时刻计算输出其在像平面坐标系下的位置，供观测结果模拟输出模块调用，并以文本文件的形式保存每一仿真时刻下的天基观测结果；观测结果模拟输出模块，基于观测卫星载荷成像模拟模块传入的可见目标在像平面坐标系下的位置及目标星等信息，利用计算机渲染技术，绘制出载荷成像窗口以及窗口中的可见目标，完成对天基观测结果的模拟输出，并以图片格式的形式保存每一仿真时刻下的天基观测结果；所述观测卫星动力学仿真与控制模块具体实现如下：(1)根据卫星初始参数配置模块提供的观测卫星初始数据，分别进行观测卫星轨道和姿态动力学仿真以及控制系统仿真；(2)观测卫星动力学仿真时，根据动力学模型精度要求调用卫星动力学仿真类库中的不同动力学模型以及数值积分方法；(3)观测卫星控制系统仿真时，根据预置的卫星轨道控制配置参数进行设定时刻的脉冲变轨控制；根据观测卫星姿态控制模式配置参数，应用PID控制律控制方法，进行不同姿态控制模式下的姿态控制系统的设计，并在一个控制回路完成时输出每一个仿真时刻下的观测卫星三轴位置矢量和地心惯性系与轨道系、轨道系和卫星本体系之间的转换矩阵；所述目标卫星动力学仿真与控制模块具体实现如下：(1)根据目标卫星初始参数配置提供的目标卫星初始数据，分别进行目标卫星轨道和姿态动力学以及控制系统仿真；(2)目标卫星动力学仿真时，根据动力学模型精度要求调用卫星动力学仿真类库中的不同动力学模型以及数值积分方法；(3)目标卫星控制系统仿真时，根据预置的目标卫星轨道控制配置参数进行设定时刻的脉冲变轨控制，根据目标卫星姿态控制模式配置参数，应用PID控制律控制方法，进行不同姿态控制模式下的姿态控制系统的设计，并在一个控制回路完成时输出每一个仿真时刻下的目标卫星三轴位置矢量和姿态。