面向遥感卫星星座体系协同的半物理仿真系统与仿真方法

技术领域

本发明涉及系统仿真与集成验证技术领域，具体涉及一种面向遥感卫星星座体系协同的半物理仿真系统与仿真方法。

背景技术

系统仿真技术是支撑遥感卫星设计、制造以及综合测试等研制全流程的有效方法。为了结合高置信度、低成本两种方式的优点，半物理仿真技术逐渐被引入遥感卫星研制领域。

目前多数针对遥感卫星的半物理仿真系统大多聚焦于单星的仿真功能实现，将单星内部易用于物理仿真的部分如星上敏感器、运动部件等实体纳入仿真闭环，对运动特性实现真实物理模拟，星上其余功能通过简易数字仿真实现，通过数字和物理的结合实现对于单星任务能力的模拟。对于星座级的仿真，目前现有的体系级星座协同仿真系统大多只针对特定类型的遥感卫星，没有适用于不同种类遥感卫星的通用性仿真平台。

但是当前半物理仿真的主要缺陷在于体系仿真能力缺失，需要对数十颗甚至数百颗星座集群进行仿真的能力不足，难以验证星座体系协同工作的能力。

特别地，对于星座级的仿真，物理平台和数字系统的同步，需要统一仿真进程，实现系统中多颗遥感卫星仿真动作的同步。如果不进行时间同步，物理平台与数字系统的仿真步骤会存在时间不匹配，影响星座整体仿真进程。目前往往是采用软件定义赋值的方法实现时间同步，受限于网络延迟、程序本身执行时间等外部因素的影响，并不能精确实现时间同步。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种面向遥感卫星星座体系协同的半物理仿真系统与仿真方法，能够解决现有技术无法实现遥感卫星星座的物理平台与数字系统的时间同步、无法实现仿真平台扩展数字卫星节点数量以及适应多种类型的遥感卫星接入的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。

一种面向遥感卫星星座体系协同的半物理仿真系统，包括：

物理平台、数字系统、高速硬件接口转换设备以及时间同步装置；

所述时间同步装置用于对所述物理平台的各个组成部分和数字系统的各个模块进行时间校准；所述时间同步装置发送的时间信号发送到所述物理平台的星务处理装置及所述数字系统；

所述物理平台用于与数字系统进行双向数据通信，接收高速硬件接口转换设备发送的目标成像位置信息；

所述数字系统用于与物理平台进行双向数字通信，接收时间同步装置发送的时间信号，将其转换为星时数据，实现数字卫星时间同步；对接入的多颗遥感卫星数字模型的状态信息进行处理及融合，得到信息处理与融合结果；向高速硬件接口转换设备发送载荷探测模拟得到的目标成像位置信息。

优选地，所述物理平台中配置有总线接口卡、星务处理模块、协议转换网关；

所述物理平台的总线接口卡提供通用总线接口，适用于各类遥感卫星电性件的总线接入和数据收发；所述总线接口卡与所述物理硬件直接相连，用于接收来自所述物理硬件的载荷实时数据；

所述星务处理模块为物理平台的综合数据管理系统，将遥测系统、遥控系统以及跟踪测轨系统综合在一起，并带有星上自主管理功能，产生数据信号驱动仿真系统中的其它分系统执行相应的动作；

所述协议转换网关定义了物理硬件的信息流与数字网络通信报文的字段转换协议，实现用于物理平台的基于硬件接口协议和数字系统的网络通信协议的双向转换，进而实现物理平台与数字系统的数据协同。

优选地，所述数字系统包括专用驱动程序模块、软件API接口模块、遥控遥测模块、载荷探测信息模拟模块；

所述专用驱动程序模块获取用于仿真的可扩展数量的多颗外部遥感卫星形成的外部数字卫星星座模型，生成所述数字卫星星座的状态信息；通过所述数字系统的软件API接口模块与所述物理平台的协议转换网关进行数据交换，实现数字平台对物理平台的数据驱动以及物理平台对数字系统的信息反馈；基于实际遥感卫星星座的工作流程对所述数字卫星星座进行模拟，由遥控遥测模块仿真生成所述数字卫星星座的遥控遥测信息；基于所述数字系统中的遥控遥测模块获取所述星务处理装置的信息处理与融合结果，并将遥控遥测信息实时传递给物理平台的星务处理装置；所述载荷探测信息模拟模块基于光学载荷成像原理，获取被观测目标在像平面的位置，即目标成像位置；将所述目标成像位置通过所述高速硬件接口转换设备传输给所述物理硬件。

一种面向遥感卫星星座体系协同的半物理仿真方法，基于如前所述的半物理仿真系统，所述半物理仿真方法包括：

步骤S21：由所述半物理仿真系统的时间同步装置对所述物理平台和所述数字系统进行同步校时；

步骤S22：所述的数字系统与物理平台通过软件API接口模块以及协议转换网关进行双向数据通信，设置遥感卫星星座的任务场景、工作模式；

步骤S23：所述物理平台接入多颗遥感卫星数字模型，模拟1～N颗遥感卫星数字模型的运行情况，通过专用驱动程序模块驱动各颗遥感卫星数字模型，进行星座体系的协同仿真；其中，N为接入多颗遥感卫星数字模型的数量；

步骤S24：所述遥感卫星星座模拟协同观测任务场景，进行星务处理，生成遥控遥测信号；基于光学载荷成像原理，获取被观测目标在像平面的位置，即目标成像位置。

优选地，所述基于光学载荷成像原理，获取被观测目标在像平面的位置，即目标成像位置，包括：

步骤S31：根据地球大地坐标系到地球固连坐标系的转换公式，引入地球赤道半径和地球椭圆度，根据被观测目标所在经度、纬度、高度进行换算，得到所述被观测目标目标在地球惯性坐标系下的坐标r

其中，x

步骤S32：将执行观测任务的卫星坐标

其中，v

根据所述卫星所在轨道的升交点赤经和轨道倾角，得到地惯系到星体坐标系的转换矩阵：

其中，R

步骤S33：对地惯系下的视线矢量进行坐标旋转，得到星体坐标系下的视线矢量：

其中，x

根据星载传感器的即时姿态，对v

其中,x

经过投影变换，将传感器下的视线矢量与像平面相交，得到目标在像平面上的投影点r

优选地，所述投影点r

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其中x

有益效果：

(1)本发明能够实现半物理仿真系统中的数字系统与物理系统的时间一致性，实现系统内部的数据交互，同时，对于不同的目标环境模拟任务以及不同的数字模型输入，该系统均能进行兼容处理，具有通用性架构、可扩展性平台的特点。

(2)本发明的半物理仿真系统能够根据时间同步装置的驱动，实现物理平台与数字系统自仿真推演过程开始，直至仿真结束的整个流程中的时间保持一致，显著提高了仿真系统的时效可信性，实现仿真时间向物理系统和数字系统的一致性传递；解决了数字系统与物理平台难以时间同步的问题。

(3)本发明的半物理仿真系统能够以协议转换网关为基础连接物理平台与数字系统，实现两者的协同交互，以网络通信的形式完成数据信息一体化。基于硬件接口协议和网络通信协议的双向转换，实现物理卫星与数字卫星的数据协同，解决物理平台与数字系统的难以交互性协同的问题。

(4)本发明的半物理仿真系统通过设计通用的总线接口实现了星座可扩展性，使得接入系统的多颗遥感卫星能够以星座模式协同组网工作，提升处理复杂任务的能力。针对现有半物理仿真系统难以接入卫星各类电性件的缺陷，本发明设计了具有通用性的物理平台，配备多总线接口和通用星务软件形成通用物理平台，适用于各类遥感卫星电性件的总线接入和数据收发。

(5)本发明针对目前用户愈加复杂的需求，该半物理仿真系统通过星座组网，能够实现体系的协同仿真，大大降低任务规划与分解的难度。

附图说明

图1为本发明提供的面向遥感卫星星座体系协同的半物理仿真系统的结构示意图。

图2为本发明提供的面向遥感卫星星座体系协同的半物理仿真系统的仿真流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

本发明面向遥感卫星星座体系，如图1所示，提出了一种面向遥感卫星星座体系协同的半物理仿真系统，包括：

物理平台、数字系统、高速硬件接口转换设备以及时间同步装置。

所述时间同步装置用于对所述物理平台的各个组成部分和数字系统的各个模块进行时间校准；所述时间同步装置发送的时间信号发送到所述物理平台的星务处理装置及所述数字系统。

所述物理平台用于与数字系统进行双向数据通信，接收高速硬件接口转换设备发送的目标成像位置信息；所述物理平台中配置有总线接口卡、星务处理模块、协议转换网关。

所述数字系统用于与物理平台进行双向数字通信，接收时间同步装置发送的时间信号，将其转换为星时数据，实现数字卫星时间同步；对接入的多颗遥感卫星数字模型的状态信息进行处理及融合，得到信息处理与融合结果；向高速硬件接口转换设备发送载荷探测模拟得到的目标成像位置信息；所述数字系统包括遥控遥测模块、软件API接口模块、专用驱动程序模块、载荷探测信息模拟模块。

进一步地，通过所述物理平台的总线接口卡获取外接的物理硬件的输入数据信号流；所述星务处理模块用于接收所述时间信号、转换总线格式与秒脉冲，进行物理平台中电性件的时间同步，并基于所述时间信号对所述物理平台的其他组成部分进行时间校准。与现有的遥感卫星仿真物理平台相比，所述物理平台的星务处理装置能够对不同种类的遥感卫星进行信息融合处理，实现异构卫星星座仿真推演。

进一步地，所述数字系统用于接收时间同步装置发送的时间信号，将其转换为星时数据，实现数字卫星时间同步；还用于与物理平台进行双向数字通信，基于专用驱动程序模块获取用于仿真的可扩展数量的多颗外部遥感卫星形成的外部数字卫星星座模型，生成所述数字卫星星座的状态信息；通过所述数字系统的软件API接口模块与所述物理平台的协议转换网关进行数据交换，实现数字平台对物理平台的数据驱动以及物理平台对数字系统的信息反馈；基于实际遥感卫星星座的工作流程对所述数字卫星星座进行模拟，由遥控遥测模块仿真生成所述数字卫星星座的遥控遥测信息；基于所述数字系统中的遥控遥测模块获取所述星务处理装置的信息处理与融合结果，并将遥控遥测信息实时传递给物理平台的星务处理装置；所述载荷探测信息模拟模块基于光学载荷成像原理，获取被观测目标在像平面的位置，即目标成像位置；将所述目标成像位置通过所述高速硬件接口转换设备传输给所述物理硬件。

进一步地，所述物理硬件用于将得到的所述目标成像位置转换为目标实时位置数据。

进一步地，所述物理平台的总线接口卡提供通用总线接口，适用于各类遥感卫星电性件的总线接入和数据收发。所述总线接口卡与所述物理硬件直接相连，用于接收来自所述物理硬件的载荷实时数据。通用总线是该半物理仿真系统各个物理电性件模块进行信息交互的通路，挂载在总线上的各个子模块通过各类总线实现遥控指令的接收、遥测的发送和数据的交互。

进一步地，所述协议转换网关定义了物理硬件的信息流与数字网络通信报文的字段转换协议，实现用于物理平台的基于硬件接口协议和数字系统的网络通信协议的双向转换，进而实现物理平台与数字系统的数据协同。

进一步地，所述星务处理模块为物理平台的综合数据管理系统，将遥测系统、遥控系统以及跟踪测轨系统综合在一起，并带有星上自主管理功能，产生数据信号驱动仿真系统中的其它分系统执行相应的动作。

进一步地，当将多颗遥感卫星接入数字系统预留的通用接口后，数字系统能够对接入的数字卫星进行数据驱动，进行遥感卫星星座协同仿真。

所述数字系统包括遥测遥控模块、载荷探测信息模拟模块、专用驱动程序模块和软件API接口，能与物理平台进行任务数据交互，能驱动卫星数字模型，能够模拟遥感卫星的姿态轨道、载荷视线的实时情况，以及执行与物理平台进行遥测遥控信息交互的过程。

本发明通过在半物理仿真平台中接入物理硬件和数字卫星模型，实现遥感卫星星座体系协同仿真。物理硬件是遥感卫星核心任务仿真的设备，在星座协同任务中一般包括对于载荷信息的处理、星内星间任务的规划、星间网络交互等功能。卫星数字模型实现对于卫星核心任务功能和数据接口的数字化模拟。

本发明代表的是高置信度的系统级试验验证理念，是一种具有通用性质的半物理仿真平台，在遥感卫星系统的研发攻关、设计研制、在轨验证、工程建设、系统运行、技术升级等方面能够发挥重要的作用，能够模拟卫星在轨的所有探测、处理、运用和传输特性。

面向星座体系协同仿真的半物理仿真系统的组成框图如图1所示。系统平台的基础架构主要由物理系统和数字平台组成，业务支撑网为万兆网络系统，支持用户对系统内的各类半物理及数字模拟器进行工作状态监控和操作。半物理系统中的统一时间基准由时间同步模块产生，通过业务支撑网将半物理仿真环境和数字仿真环境进行工作时间同步，驱动整个半物理仿真环境。半物理系统与物理硬件间的数据传输由高速硬件接口转换设备完成，数字系统将产生载荷的模拟信号通过高速传输的方式传递给外部载荷。各类系统设备间通信与数据交互通过设备信息网进行连接，设备信息网包括模拟总线网络(CAN、SPACEWIRE、1553B等)、协议转换网关、2711接口网络和万兆网络，电性件通过挂载在信息网上的CAN/SPACEWIRE/1553B接口卡实现物理连接及通信，星间交互网络电性件通过422/LVDS接口转换为万兆网实现与数字模型的通信。

数字系统中的载荷探测信息模拟模块由场景生成服务器、磁盘阵列和各类数据库组成。场景生成软件运行于场景生成服务器，通过读取各类数据库成像参数信息，结合轨道仿真信息得到星座内各个卫星的各个载荷在相应时间点位的图像信息，并存储在磁盘阵列中。同时具备将场景中目标位置轨迹信息按照星上接口格式输出给任务协同分系统的功能；数字系统中的遥测遥控模块与物理平台的星务处理装置能够进行双向数据传输通信，使得遥感卫星能够及时收到遥控信号、反馈遥测信息；数字系统中的软件API接口与物理平台的协议转换网关之间能够进行双向的数据通信，是两者实现协同工作的主要通道，通过开放式API接口驱动程序实现对硬件板卡资源的快速调用，完成星内任务规划系统软件的快速原型化开发工作，API驱动程序封装为库函数，在算法移植过程中通过开发环境进行调用，可大大缩减代码工程化所需时间；数字系统中的专用驱动程序模块负责对系统外部的数字模型发送指令，驱动数字模型按照期望的流程完成仿真推演。

本发明的各个组件在仿真中不断进行交互，形成有机统一的整体，能发挥出单体所不具有的性能，完成多种复杂场景、复杂任务下的协同仿真工作。

如图2所示，本发明提供一种面向遥感卫星星座体系协同的半物理仿真方法，使用如前所述的半物理仿真系统，所述仿真方法包括以下步骤：

步骤S21：由所述半物理仿真系统的时间同步装置对所述物理平台和所述数字系统进行同步校时；

步骤S22：所述的数字系统与物理平台通过软件API接口模块以及协议转换网关进行双向数据通信，设置遥感卫星星座的任务场景、工作模式；

步骤S23：所述物理平台接入多颗遥感卫星数字模型，模拟1～N颗遥感卫星数字模型的运行情况，通过专用驱动程序模块驱动各颗遥感卫星数字模型，进行星座体系的协同仿真；其中，N为接入多颗遥感卫星数字模型的数量；

步骤S24：所述遥感卫星星座模拟协同观测任务场景，进行星务处理，生成遥控遥测信号；基于光学载荷成像原理，获取被观测目标在像平面的位置，即目标成像位置。

进一步地，所述基于光学载荷成像原理，获取被观测目标在像平面的位置，即目标成像位置，包括：

步骤S31：根据地球大地坐标系到地球固连坐标系的转换公式，引入地球赤道半径和地球椭圆度，根据被观测目标所在经度、纬度、高度进行换算，得到所述被观测目标目标在地球惯性坐标系下的坐标r

其中，x

步骤S32：将执行观测任务的卫星坐标

其中，v

根据所述卫星所在轨道的升交点赤经和轨道倾角，得到地惯系到星体坐标系的转换矩阵：

其中，R

步骤S33：对地惯系下的视线矢量进行坐标旋转，得到星体坐标系下的视线矢量：

其中，x

根据星载传感器的即时姿态，对v

其中,x

经过投影变换，将传感器下的视线矢量与像平面相交，得到目标在像平面上的投影点r

其中x

以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。