卫星地面遥操作演示验证系统及其实现方法
【专利摘要】本发明涉及一种卫星地面遥操作演示验证系统及其实现方法，属于仿真【技术领域】。该验证系统包括卫星动力学模拟器、移动终端系统、地理影像显示系统和无线网络，卫星动力学模拟器和移动终端系统通过无线网络连接，移动终端系统和地理影像显示系统通过无线网络连接。本发明可以为卫星星座区域成像规划和图像获取提供验证平台，同时亦可用于卫星遥操作过程的演示，从而可以降低航天任务的风险，缩短卫星星座区域成像的响应时间。
【专利说明】卫星地面遥操作演示验证系统及其实现方法
[0001]【技术领域】
本发明涉及一种卫星地面遥操作演示验证系统及其实现方法，属于仿真【技术领域】。
[0002]【背景技术】
最近十年内，全球范围的重大自然灾害频繁发生，例如:2004年12月26日发生的印度洋海嘯造成了约16万人死亡，2008年5月12日我国汶川发生的特大地震灾害造成了约7万人遇难。这些重大灾害给受灾国造成了巨大的人员伤亡和财产损失。重大自然灾害发生时，道路、电力和通讯等设施将基本陷入瘫痪状态。因此，灾区灾害情报的获取、灾难救援和灾后重建成为迫切的需要。若在自然灾害发生时，通过快速发射数十颗低成本微小卫星，并组网形成星座对灾区实现区域连续成像，可以为救援部队提供及时、准确的信息，为救助伤员争取宝贵的时间，从而减少彳目息滞后造成的损失。
[0003]近年来，无论从政治、经济还是军事的角度出发，许多国家和地区都希望建立低成本的非同步轨道区域覆盖卫星系统。中低轨道卫星系统与同步轨道卫星系统相比，具有传播时延短、传输损耗小、发射成本低、可以有效提高载荷分辨率等突出优点。卫星星座是由多颗卫星按照一定规律组成的卫星群。与单颗卫星相比，卫星星座具有较高的覆盖性能，且重访时间间隔短，能够满足通信、导航、空间探测、热点地区成像和科学实验等多方面的应用要求。航天任务具有成本高、风险大等特点，因此在地面上进行充分验证对于在轨任务的成功实施具有很重要的意义。
[0004]
【发明内容】
本发明提出了一种卫星地面遥操作演示验证系统及其实现方法。
[0005]本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种卫星地面遥操作演示验证系统，包括卫星动力学模拟器、移动终端系统、地理影像显示系统和无线网络，卫星动力学模拟器和移动终端系统通过无线网络连接，移动终端系统和地理影像显示系统通过无线网络连接，其中卫星动力学模拟器包括卫星动力学模拟计算机、图像采集相机和相机控制云台，图像采集相机和相机控制云台分别与卫星动力学模拟计算机连接，地理影像显示系统由地理影像模拟计算机和影像投影仪顺序连接而成。
[0006]卫星地面遥操作演示验证系统的实现方法，包括如下步骤:
步骤1.设置无线网络环境参数，包括IP地址、子网掩码和默认网关；
步骤2.启动移动终端系统，运行移动终端App软件，添加卫星并设置或修改各卫星轨道参数，即半长轴、轨道倾角、偏心率、升交点赤经、近地点幅角、平近点角以及网络通信参数，即动力学模拟器IP地址和通信端口，地理影像显示系统IP地址；
步骤3.启动卫星动力学模拟器，运行卫星动力学模拟软件，设置相机控制云台串口端口和波特率、图像采集相机端口、卫星动力学模拟器UDP通信端口、移动终端IP地址和通信端口，等待移动终端系统发送的时间和卫星轨道参数；
步骤4.启动实时地理影像显示软件，设置地理影像显示系统IP地址，等待移动终端系统发送的时间和卫星轨道参数；
步骤5.在移动终端App软件上选择需要成像的目标区域，根据各卫星计算得到的成像时间选择合适的卫星，将目标区域经度、纬度、当前时间以及选中的卫星的轨道参数发送给卫星动力学模拟器和地理影像显示系统；
步骤6.地理影像显示系统接收移动终端平板系统发送来的数据，实时更新卫星星下点地理图像并通过投影仪将星下点图像投影到投影幕上；
步骤7.卫星动力学模拟器接收移动终端系统发送来的数据，实时进行卫星轨道递推，计算成像时间和卫星姿态需要机动的角度；
步骤8.当卫星即将经过成像区域时，卫星动力学模拟器根据卫星姿态需要机动的角度发送指令给相机控制云台，并驱动相机控制云台的转动，使图像采集相机光轴指向目标区域；
步骤9.卫星经过成像区域时，卫星动力学模拟器发送成像指令给图像采集相机，图像采集相机拍摄由投影仪投射的星下点地理图像；
步骤10.卫星动力学模拟器将星下点地理图像发送给移动终端系统，从而实现卫星星座区域成像遥操作的过程。
[0007]本发明的有益效果如下:
(I)本发明的系统结构简单、成本低。
[0008](2)本发明的系统，集成卫星动力学模拟、地面指令发送和接收设备以及图像模拟设备，功能完备、演示便捷。
[0009]( 3 )本发明的方法，实现步骤简单、易于操作。
[0010]【专利附图】
【附图说明】
图1是本发明的硬件平台连接示意图。
[0011]图2是本发明的移动终端各界面关系示意图。
[0012]图3是本发明的移动终端主登陆模块接口示意图。
[0013]图4是本发明中的卫星动力学模拟器工作流程示意图。
[0014]图5是本发明中的地理影像显示软件结构示意图。
[0015]图6是本发明的移动终端目标选择模块示意图。
[0016]图7是本发明的移动终端主显示模块接口示意图。
[0017]【具体实施方式】
下面结合附图对本发明创造作进一步详细的说明。
[0018]本发明所述的一种卫星地面遥操作演示验证系统包括:卫星动力学模拟器、地理影像显示系统、移动终端系统以及无线网络环境，如图1所示。
[0019]卫星动力学模拟器包括卫星动力学模拟计算机、图像采集相机、相机控制云台和支架等构成，图像采集相机通过夹具安装于相机控制云台上，相机控制云台与支架固定。卫星动力学模拟计算机采用普通的台式计算机；图像采集相机采用普通的工业相机，其通过USB数据线与卫星动力学模拟计算机相连，实现相机控制、图像采集和传输以及相机供电；相机控制云台由12V直流电供电，并通过串口 232与卫星动力学模拟计算机进行通信；卫星动力学模拟计算机控制相机控制云台以及图像采集相机的开启与运动等，卫星动力学模拟计算机连入无线网络，与图1中的移动终端系统以及地理影像显示系统联网。
[0020]地理影像显示系统由地理影像模拟计算机和投影仪组成。地理影像模拟计算机采用普通的台式机。为了提高星下点图像的投影质量，采用IOSOp高清投影仪，投影仪与地理影像模拟计算机相连。
[0021]移动终端系统采用移动终端平板电脑，这是由于移动终端平台电脑计算能力强大、图像处理速度快、屏幕适中且便于图像显示、体积小且便于携带。移动终端平板电脑通过无线网络与卫星动力学模拟器以及地理影像显示系统进行数据传输、指令发送和图像回传等。
[0022]本发明提出了一种卫星地面遥操作演示验证系统的实现方法，包括如下步骤: 步骤1.设置无线网络环境参数，包括IP地址、子网掩码和默认网关；
步骤2.启动移动终端系统，运行移动终端App软件，添加卫星并设置或修改各卫星轨道参数(包括:半长轴、轨道倾角、偏心率、升交点赤经、近地点幅角、平近点角)以及网络通信参数(包括:动力学模拟器IP地址和通信端口，地理影像显示系统IP地址)；
步骤3.启动卫星动力学模拟器，运行卫星动力学模拟软件，设置相机控制云台串口端口和波特率、图像采集相机端口、卫星动力学模拟器UDP通信端口、移动终端IP地址和通信端口，等待移动终端系统发送的时间和卫星轨道参数；
步骤4.启动实时地理影像显示软件，设置地理影像显示系统IP地址，等待移动终端系统发送的时间和卫星轨道参数；
步骤5.在移动终端App软件上选择需要成像的目标区域，根据各卫星计算得到的成像时间选择合适的卫星，将目标区域经度、纬度、当前时间以及选中的卫星的轨道参数发送给卫星动力学模拟器和地理影像显示系统；
步骤6.地理影像显示系统接收移动终端系统发送来的数据，实时更新卫星星下点地理图像并通过投影仪将星下点图像投影到投影幕上；
步骤7.卫星动力学模拟器接收移动终端系统发送来的数据，实时进行卫星轨道递推，计算成像时间和卫星姿态需要机动的角度；
步骤8.当卫星即将经过成像区域时，卫星动力学模拟器根据卫星姿态需要机动的角度发送指令给相机控制云台，并驱动相机控制云台的转动，使图像采集相机光轴指向目标区域；
步骤9.卫星经过成像区域时，卫星动力学模拟器发送成像指令给图像采集相机，图像采集相机拍摄由投影仪投射的星下点地理图像；
步骤10.卫星动力学模拟器将星下点地理图像发送给移动终端系统，从而实现卫星星座区域成像遥操作的过程。
[0023]所述步骤I中，设置无线网络环境参数，为图1中的移动终端系统以及地理影像显示系统的联网提供通信基准。
[0024]所述步骤2中，移动终端采用平板电脑实现，移动终端App软件采用Android软件开发程序进行开发，软件界面适配平板与手机的尺寸，软件开发于Android 4.3的操作系统上，理论上向下兼容早期版本。App软件各界面关系如图2所示，网络通信参数调试与设置在主登陆模块中实现，如图3所示。
[0025]所述步骤3中，卫星动力学模拟软件主要采用美国国家仪器LabVIEW软件及VC++软件开发。LabVIEW具有良好的多线程编程能力以及强大的硬件支持能力。卫星动力学模拟软件包括模拟器交互界面以及模拟器程序两大部分。模拟器交互界面分为两部分:卫星在轨运行情况三维轨道显示、参数设计以及结果显示窗口。参数设置包括串口、图像采集相机参数配置，仿真初始参数设置。模拟器程序框图主要包括五大部分:卫星轨道姿态递推和控制框图、三维显示框图、云台控制框图、相机控制框图以及串口控制框图。卫星动力学模拟软件的工作流程如图4所示。
[0026]所述步骤4中，地理影像显示软件采用微软的C#开发，调用了 UDP通信模块。地理影像显示软件接口如图5所示。动态图像显示软件调用Google Earth的API，其图像根据卫星的轨道六根数计算出的星下点经纬度、高度自动推演。在移动终端未发送轨道数据时，用户可以自行设置轨道参数，并递推运行。软件的显示界面由投影仪提供给卫星动力学模拟器图像采集相机拍摄使用。
[0027]所述步骤5中，目标地区经纬度选择由图6移动终端目标选择模块实现，任务及轨道参数发送由图7中的模块实现。
[0028]所述步骤6中，当移动终端发送轨道数据后，地理影像显示系统则自动以接收到的轨道参数递推，实时计算出卫星的星下点经纬度和高度，调用Google Earth地图，并将星下点图像投影到投影幕上。[0029]所述步骤7中，当移动终端发送轨道数据后，卫星动力学模拟器以接收到的轨道参数、轨道参数对应的时间以及目标地区经纬度，实时进行轨道递推、卫星经过成像区域时间t预测、成像姿态机动角度α计算。
[0030]所述步骤8中，根据步骤7中计算得到的姿态机动角度以及卫星机动角速度约束，估算卫星进行侧摆机动和姿态稳定所需时间△〖，在t_ At时刻，根据姿态机动角度α计算姿态控制力矩，对卫星姿态进行控制。根据卫星姿态角和角速度形成云台控制指令，并发送给云台控制器，驱动云台转动，使图像采集相机光轴指向目标区域。
[0031]所述步骤9中，经过t时间后，卫星动力学模拟器发送程序指令给图像采集相机，开启相机抓取由地理影像显示系统提供的星下点图像。
[0032]所述步骤10中，星下点图像获取成功之后，卫星动力学模拟器通过无线网络将图像传输给移动终端，并供用户查看，图像接收由图7中的模块实现。
【权利要求】
1.一种卫星地面遥操作演示验证系统，其特征在于，包括卫星动力学模拟器、移动终端系统、地理影像显示系统和无线网络，卫星动力学模拟器和移动终端系统通过无线网络连接，移动终端系统和地理影像显示系统通过无线网络连接，其中卫星动力学模拟器包括卫星动力学模拟计算机、图像采集相机和相机控制云台，图像采集相机和相机控制云台分别与卫星动力学模拟计算机连接，地理影像显示系统由地理影像模拟计算机和投影仪顺序连接而成。
2.根据权利要求1所述的卫星地面遥操作演示验证系统的实现方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1.设置无线网络环境参数，包括IP地址、子网掩码和默认网关； 步骤2.启动移动终端系统，运行移动终端App软件，添加卫星并设置或修改各卫星轨道参数，即半长轴、轨道倾角、偏心率、升交点赤经、近地点幅角、平近点角以及网络通信参数，即动力学模拟器IP地址和通信端口，地理影像显示系统IP地址； 步骤3.启动卫星动力学模拟器，运行卫星动力学模拟软件，设置相机控制云台串口端口和波特率、图像采集相机端口、卫星动力学模拟器UDP通信端口、移动终端IP地址和通信端口，等待移动终端系统发送的时间和卫星轨道参数； 步骤4.启动实时地理影像显示软件，设置地理影像显示系统IP地址，等待移动终端系统发送的时间和卫星轨道参数； 步骤5.在移动终端App软件上选择需要成像的目标区域，根据各卫星计算得到的成像时间选择合适的卫星，将目标区域经度、纬度、当前时间以及选中的卫星的轨道参数发送给卫星动力学模拟器和地理影像显示系统； 步骤6.地理影像显示系统接收移动终端平板系统发送来的数据，实时更新卫星星下点地理图像并通过投影仪将星下点图像投影到投影幕上； 步骤7.卫星动力学模拟器接收移动终端系统发送来的数据，实时进行卫星轨道递推，计算成像时间和卫星姿态需要机动的角度； 步骤8.当卫星即将经过成像区域时，卫星动力学模拟器根据卫星姿态需要机动的角度发送指令给相机控制云台，并驱动相机控制云台的转动，使图像采集相机光轴指向目标区域； 步骤9.卫星经过成像区域时，卫星动力学模拟器发送成像指令给图像采集相机，图像采集相机拍摄由投影仪投射的星下点地理图像； 步骤10.卫星动力学模拟器将星下点地理图像发送给移动终端系统，从而实现卫星星座区域成像遥操作的过程。
【文档编号】G05B17/02GK103955140SQ201410163182
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月23日 优先权日:2014年4月23日
【发明者】吴云华, 陈志明, 华冰, 郁丰, 康国华, 陈卫东 申请人:南京航空航天大学