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与流程

本发明涉及系统仿真与集成验证，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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。

3、一种面向遥感卫星星座体系协同的半物理仿真系统，包括：

4、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；

5、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；

6、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；

7、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。

8、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；

9、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；

10、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；

11、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。

12、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；

13、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。

14、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：

15、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；

16、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；

17、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；

18、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。

19、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：

20、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re：

21、

22、其中，xe、ye、ze分别为所述被观测目标在地球惯性坐标系下的x、y、z三个方向上的坐标，hr为所述被观测目标在地固坐标系下的高度，lr为所述被观测目标在地固坐标系下的纬度，λr为所述被观测目标在地固坐标系下的经度，rn＝re(1+fsin2l)为子午圈主曲率半径，re为地球赤道半径、f为地球椭圆度，rz(·)表示绕z轴的旋转矩阵，αgr表示当前时刻地固坐标系相对地惯坐标系的旋转角度；

23、步骤s32：将执行观测任务的卫星坐标代入地固坐标系到地惯坐标系的转换关系式，得到所述卫星在地惯坐标系下的坐标视线矢量在地惯系下的表示形式为：

24、

25、其中，ve为视线矢量，re为被观测目标在地惯坐标系下的坐标，res为执行观测任务的卫星在地惯坐标系下的坐标，分别为所述卫星在地固坐标系下的纬度、经度、高度；

26、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：

27、

28、其中，rz(·)为绕z轴的旋转矩阵，i为轨道倾角，ω为卫星所在轨道升交点赤经，u＝ω+θ为纬度幅角，ω为近地点幅角，θ为真近点角；rx(·)表示绕x轴的旋转矩阵；为坐标轴调整矩阵；

29、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：

30、

31、其中，xs、ys、zs分别为视线矢量在星体坐标系下的x、y、z三个方向上的坐标；

32、根据星载传感器的即时姿态，对vs进行坐标旋转，得到传感器坐标系下目标视线矢量vc：

33、

34、其中,xc、yc、zc分别为视线矢量在传感器坐标系下的x、y、z三个方向上的坐标,ψ分别为传感器姿态角，ry(.)表示绕y轴旋转矩阵；

35、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rp，将rp除以像素尺寸并取整，得到目标成像位置rm。

36、优选地，所述投影点rp及所述目标成像位置rm的计算方法为：

37、

38、

39、其中xp、yp分别表示目标在像平面的投影点的x、y两个方向上的坐标,xm、ym分别表示目标在像平面坐标系中的x、y两个方向上的坐标，xc、yc、zc分别为视线矢量在传感器坐标系下的x、y、z三个方向上的坐标，f表示光学传感器的焦距，ifov表示传感器的瞬时视场。

40、有益效果：

41、(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。

42、(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。

43、(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。

44、(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。

45、(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。