基于STK和Python的异构星座对多目标观测性能分析系统和方法

本发明涉及天基遥感领域，具体涉及一种基于stk和python的异构星座对多目标观测性能分析系统和方法。

背景技术：

1、以卫星星座遥感技术为核心的天基遥感系统因精度高、广域覆盖、快速响应等特点被广泛应用于航空器制导导航和对地观测。随着卫星的不断更新和星座任务的日益复杂，特别是对多目标观测性能要求的提高，使得新老各型号、各类卫星组成的异构卫星星座系统的观测资源调度和任务规划技术成为亟待发展的关键，而异构星座对多目标观测性能分析是该技术的重要基础和前提。上述异构卫星星座的异构性主要体现在卫星平台的姿态敏捷能力、携带载荷传感器的视场大小和范围等存在差异，被观测目标同样存在着运动特性差异。由此提出的卫星对观测目标的可见性分析以及星座观测性能评估，是在给定星座中选择任务卫星进而进行资源调度和任务规划的重要依据。

2、卫星对观测目标可见性分析的求解涉及到卫星星历、观测目标位置变化、卫星对目标几何关系、可视角度范围，包括俯仰角和方位角、卫星载荷性能，包括视场大小和最远观测距离、卫星姿态敏捷能力等多重约束。针对星座的实际应用，还需要在卫星数量庞大且对多个目标实施观测的情况下，如何快速实时地提供可见性分析结果。现有可见性分析方法大多建立在对可见窗口的起止时刻进行搜索的基础上，在多卫星多目标任务场景中，其计算复杂度高、耗时长、易出现漏搜索、精度较差。因此，需要开发一种更加快捷、鲁棒、友好的用于卫星星座对多目标的可见性分析的系统和方法。

3、stk(satellite tool kit，卫星工具包)软件是一款经典的航空航天任务分析软件。stk提供了一套基于windows平台接口标准组建对象模型(component object model，com)组建的应用程序编程接口(application programming interface，api)，由此可调用stk的内核功能包括观测几何分析、二维三维可视化、卫星轨道分析等模块完成特定功能程序的二次开发。此外，stk的stk x模块由com组件以及activex控件组成，提供了将stk核心功能嵌入到第三方软件的接口。

4、基于stk与python进行二次开发的联合仿真系统可以充分发挥两个软件各自的优势，通过python程序实现交互界面、数据处理等功能，通过stk软件实现场景建模、提供测量和分析数据等，进而很大程度上保证了数据和系统的可靠性和运行速度，并减少了系统开发周期和成本。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于stk和python的异构星座对多目标观测性能分析系统和方法。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于stk和python的异构星座对多目标观测性能分析系统，包括问题模型建立模块、gui交互模块、系统仿真模块、可见性综合分析模块、实时显示模块、数据存储模块，具体而言：

4、所述问题模型建立模块用于提供相应量化参数用于对实际应用场景中异构星座卫星的分类建模、观测对象模型建立以及系统约束模型建立；

5、所述gui交互模块用于对卫星轨道参数、载荷模型、观测对象、系统模型约束系统模型参数进行设置，以及可见性综合分析模块相关评价函数权重设置，并用于控制综合分析模块、实时显示模块模块运行进程的开关；

6、所述系统仿真模块用于根据python程序与stk接口的通信构建基于stk引擎的问题模型仿真场景；

7、所述可见性综合分析模块，用于根据stk原始测量数据进行统计分析和数据处理。

8、进一步的，所述异构星座卫星的分类建模包括：按照卫星姿态敏捷能力将卫星分为非敏捷卫星、姿态机动受限卫星、敏捷凝视卫星三类卫星，并根据卫星工作模式、携带载荷型号以及性能差异将卫星载荷传感器观测范围建模为圆锥视场、矩形视场两类传感器；

9、所述观测目标模型建立为根据观测目标运动特性将观测目标建模为固定目标、航空飞行器、区域目标；

10、所述系统约束模型为卫星模型、观测目标所受外界约束，包括卫星轨道摄动、卫星所处太阳光照区域约束、观测目标接收天线接收范围、观测距离；

11、所述卫星所处太阳光照区域约束为卫星需进入太阳与地球形成的光照区时才可提供观测服务，所述观测目标接收天线的接收范围包括可视仰角、可视方位角限制。

12、进一步的，所述系统仿真模块包含仿真场景构建、运动学模型、可见链路模型、stk测量四个子模块，其中，

13、所述仿真场景构建子模块依赖于python程序与stk接口的通信构建基于stkengine的问题模型仿真场景；

14、所述运动学模型子模块用于根据卫星轨道预报模型基于卫星初始时刻轨道参数递推求解卫星各时刻位置、速度、姿态信息以及根据飞行器航路点对飞行器目标的各时刻位置、速度、姿态进行插值解算；

15、所述可见链路子模型用于从时间维度确定卫星和观测目标同时位于对方可见空间区域且构成有效访问的时间区间；

16、所述stk测量子模块用于导出包括卫星对目标入射仰角、卫星相对目标位置数据测量结果。

17、一种基于stk和python的异构星座对多目标观测性能分析方法，包括如下步骤：

18、s1、将应用场景中的各个研究对象与所构建的各类卫星、航空飞行器、地面固定目标、地面区域目标模型进行匹配，基于模型定义的参数描述对应的研究对象，获取问题模型的建模信息；

19、s2、启动gui交互界面，通过与gui的交互完成异构载荷星座对多目标观测场景建模参数设置、可见性综合分析模块相关评价函数权重设置以及包括可见性综合分析模块、实时显示模块模块运行进程控制；

20、s3、通过程序与gui交互模块接口的通信，载入异构载荷星座对多目标观测场景建模数据以及可见性综合分析模块相关评价函数权重设置至数据存储模块；

21、s4、根据触发情况基于预设信号和槽函数定义启动相应的多进程程序，其中子第一进程对应系统仿真模块、第二进程对应可见性综合分析模块、第三进程对应实时显示模块。

22、进一步的，所述第一进程具体包括如下步骤：

23、s11、从数据存储中载入异构载荷星座对多目标观测场景建模数据；

24、s12、通过comtypes库的创建对象方法搭建python程序与stk软件之间的通信链接并完成stk实例创建；

25、s13、构建问题模型仿真场景，基于数据存储模块中载入的异构载荷星座对多目标观测场景建模数据并基于stk对象模型通过访问各级接口中定义的属性和方法完成卫星、载荷传感器、航空飞行器、地面目标对象创建以及相应属性定义；

26、s14、卫星、观测目标运动学模型解算，包括对卫星基于卫星满足的轨道预报模型对卫星初始时刻轨道参数进行递推，解算卫星各时刻位置矢量、速度矢量、姿态以及根据目标航空飞行器模型航路点定义对目标航空飞行器的各时刻位置矢量、速度矢量、姿态进行插值解算；

27、s15、构建卫星观测载荷与观测目标的可见链路模型，从时间维度确定卫星和观测目标同时位于对方可见空间区域且构成有效访问的时间区间，所述有效访问包括满足卫星处于观测目标的太阳光照区域、观测目标处于载荷传感器观测区域约束；

28、s106、获取异构载荷星座对多目标观测仿真场景中各研究对象各时刻的运动状态数据包括卫星对观测目标入射仰角、卫星相对目标的位置矢量数据测量结果，通过数据存储模块以pkl文件保存测量数据并以vgf文件保存创建的异构载荷星座对多目标观测仿真场景。

29、进一步的，所述第二进程具体包括如下步骤：

30、s21、从数据存储中载入异构载荷星座对多目标观测仿真场景中各研究对象各时刻的运动状态测量数据；

31、s22、对原始测量数据进行统计分析和数据处理，生成卫星个体或星座对目标的可见性综合分析结果，包括基于主观赋权法实时输出卫星观测收益，基于模糊综合评价方法评估卫星星座对目标的观测性能；

32、s23、将可见性综合分析结果通过数据存储模块进行存储并通过接口反馈至gui交互界面，通过图、表、文本形式进行显示，包括卫星对观测目标实时入射仰角曲线图、卫星个体或星座对观测目标可见窗口文本、卫星对观测目标实时观测收益曲线图、卫星观测收益柱状图。

33、进一步的，所述第三进程具体包括如下步骤：

34、s31、基于qt库的qaxcontainer模块，创建可容纳activex控件的qaxwidget窗口容器对象；

35、s32、从数据存储中载入异构载荷星座对多目标观测仿真场景；

36、s33、通过guid值调用仿真场景的二维地图窗口以及三维全球窗口控件对象添加至窗口容器，最后实现通过二维地图窗口和三维全球窗口形式可视化显示异构载荷星座对多目标观测仿真场景模型，并以动画形式展现卫星、观测目标对象的运行轨迹。

37、本发明具有以下有益效果：

38、1、从实际应用场景出发，基于卫星的姿态敏捷能力、工作模式、携带载荷型号等差异完成对异构卫星星座系统的仿真建模，基于卫星观测目标的运动特性完成对观测目标的仿真建模，针对实际应用场景中受较为复杂的可见性约束的情况进行建模并提供相应量化参数，最后提供可应用于实际场景的星座与观测目标之间的几何关系数据。

39、2、提供对地面设施、空中飞行器等多种类型观测目标详尽的可见性综合分析，包括卫星对观测目标的可见时间窗口、卫星对观测目标实时观测收益、卫星对观测目标观测总收益评估、异构卫星星座对目标观测性能评估。

40、3、基于stk软件强大的测量分析功能和可拓展性，构建的基于stk(satellitetool kit，卫星工具包)与python联合二次开发的可见性综合分析系统，充分发挥了两个软件各自的优势，stk软件完成场景建模并提供多种需求的测量分析数据，python程序负责数据的处理和深层分析，生成多维度统计分析数据，有效保证数据的准确性的同时提升卫星星座对多目标的可见性问题求解速度。

41、4、设计基于pyqt的gui界面作为程序交互接口，实现数据自定义载入、分析结果展示等功能，提高人机交互友好性，并基于stk的stkx组件技术将stk二维、三维窗口以activex控件形式集成在gui界面上，提供对仿真场景建模的直观展示，最后通过多线程技术将可见性综合分析系统与gui界面主进程进行分离，保证系统各功能区能正常独立运行的同时使gui界面处于活动可交互状态。